DEH改造中伺服控制模塊對350MW三菱機組的適配研究

曾衛(wèi)東，胡 波，宋誠驍，王 賓

（1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211002）

汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）主要由液壓伺服系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成，其中電液（E/H）轉(zhuǎn)換器是控制系統(tǒng)的關鍵部分[1]。當前，高壓抗燃油電調(diào)系統(tǒng)普遍采用噴嘴擋板式伺服閥作為電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，低壓透平油系統(tǒng)則更多采用直接驅(qū)動式伺服閥（DDV 閥）進行電液（E/H）轉(zhuǎn)換[2]。DEH 系統(tǒng)為了能夠滿足閥門開度的閉環(huán)控制，通常通過LVDT 傳感器進行閥門位置采樣作為閥位反饋，參與伺服控制模塊內(nèi)的PID 運算[3-6]。

在某電廠350 MW 機組進行自主可控DCS 及DEH 一體化改造過程中，遇到了DEH 閥位控制模塊與機組原電液（E/H）轉(zhuǎn)換器及油系統(tǒng)的兼容性問題。該機組為進口三菱重工老式機組，采用的電液轉(zhuǎn)換器與常規(guī)的噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥有所區(qū)別。該系統(tǒng)直接輸出控制脈動油壓反饋信號（4～20 mA）作為閥位PID 的實測值（PV），常規(guī)的伺服控制模塊采用LVDT 位移傳感器作為PV 值，不能直接將油壓信號作為PV 值；且該電液（E/H）轉(zhuǎn)換器接收驅(qū)動電流范圍為0～250 mA，常規(guī)伺服控制模塊一般輸出電流范圍最大為-40～40 mA，無法滿足，因此需要進行針對性的適配改造。

1 改造前系統(tǒng)概況

該機組使用的是三菱重工高砂制作所制造的型號為TC2F-40.5，系單軸、雙缸、雙排汽、單背壓純凝汽、反動式汽輪機[7-8]，迄今已使用了三十余年。

本次控制系統(tǒng)自主可控改造涉及DCS 及DEH部分，DEH 系統(tǒng)中僅改造電控部分，油系統(tǒng)不做改造。該機組原有的閥位控制卡件型號為OMRON 的PAC-VC01，需通過硬接線4～20 mA 信號接收控制器閥位指令。若保留該卡件，直接利用改造后的控制器通過硬接線下發(fā)指令，由于模擬量輸出DAC 及輸入ADC 的處理時間相對較長，容易導致整個閥門控制系統(tǒng)慣性增大，影響控制品質(zhì)，因此該模塊也應更換為DEH 控制器配套的自主可控伺服控制模塊。

但由于該三菱機組油系統(tǒng)伺服閥在接收指令、閥位反饋等方面異于現(xiàn)今常見的噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥，標準伺服控制模塊無法兼容于該機組，因此本次自主可控改造需對產(chǎn)品進行適配改造。

2 配套標準伺服控制模塊介紹

本次自主可控DCS 改造所使用的產(chǎn)品，配套的標準版伺服控制模塊的基本情況如下：2 路LVDT采樣通道（三線制或六線制），2 路-40～40 mA 伺服電流輸出，具備閥位優(yōu)選、斷線檢測、閉環(huán)控制、自動標定等功能。

伺服控制模塊基本原理如圖1所示。LVDT 副邊電壓差值作為LVDT 采樣輸入，經(jīng)過零點和滿點標定后，通過閥位計算公式（1）得到實際閥門開度：

圖1 標準版伺服控制模塊基本原理Fig.1 Fundamental of the standard version of the servo control module

式中：VL為實際全關閥門時，測得的LVDT 上下副邊線圈的電壓有效值差值，即零點標定值；VH為實際全開閥門時，測得的上下副邊線圈的電壓有效值差值，即滿點標定值；Vn為當前閥位測得的電壓差值。

2 路LVDT 所計算的閥位需經(jīng)閥位優(yōu)選功能，獲取選擇后的閥門開度。閥位優(yōu)選邏輯如圖2所示，在2 路LVDT 采樣品質(zhì)均正常時按參數(shù)配置中的高選/低選/平均進行處理，若1 路LVDT 采樣斷線，另1 路正常，則取該正常值，若2 路均斷線，則進入故障安全邏輯[9-11]。

圖2 標準版伺服控制模塊閥位優(yōu)選邏輯Fig.2 Logic of valve position optimization of the standard version of the servo control module

實際閥門開度與DPU 下發(fā)的閥位指令取偏差后進入PI 運算，運算結(jié)果即伺服輸出值，通過2 個D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為-40～40 mA 的伺服電流輸出，用于控制伺服閥電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，直至實際閥門開度與閥位指令偏差小于控制死區(qū)。

3 伺服控制模塊改造方案

自主可控DCS 產(chǎn)品配套的標準版伺服控制模塊不具備直接控制該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的條件，主要原因有：

（1）閥位輸入只支持雙路LVDT 采樣，不支持4～20 mA 直流量，無法獲取PI 回路的實測值（PV），無法進行閥位閉環(huán)控制。

（2）伺服控制輸出范圍不匹配，默認輸出范圍最大為-40～40 mA，該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電流為0～250 mA。

（3）電流變化方向與閥門開閉方向不匹配，伺服控制模塊默認正電流增大方向?qū)y門關閉，負電流增大方向?qū)y門打開（與常規(guī)噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥匹配），該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器則為正電流增大方向?qū)y門打開。

（4）自動標定步驟中，伺服輸出值在正反向切換時，閥門存在驟開或驟關情況，該三菱機組屬于已運行三十多年的老機組，應盡量減少這種操作，延長閥門壽命。

針對上述情況，需要對伺服控制模塊進行針對性改造。硬件方面，不改動標準伺服控制模塊的硬件，通過增加伺服控制從模塊和電流放大模塊，達到功能擴充的目的；軟件方面調(diào)整閥位計算及伺服輸出邏輯，從而達到適配該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的效果。

3.1 閥位輸入調(diào)整

該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器提供的閥位信號實際是油壓信號（4～20 mA），且目前每個電液（E/H）轉(zhuǎn)換器僅提供1 路。考慮到未來可能增加1 路油壓信號，因此伺服控制模塊應至少具備2 路毫安（mA）量AI 接口。由于標準伺服控制模塊PCB 電路設計上已經(jīng)沒有空間擴充2 路毫安（mA）量的AI 接口，因此設計開發(fā)了專用的伺服控制從模塊，作為主模塊的擴展模塊使用。從模塊通過控制器下發(fā)的使能參數(shù)投退，除擴充AI 接口外，還提供了AO、DI、DO等接口，方便后續(xù)功能擴展。主從模塊之間通過I/O底座之間的背板總線進行通訊，從模塊將采集到的電流信號送給主模塊?？刂破餍略觥伴y位通道類型”參數(shù)下發(fā)，選擇“LVDT”類型時采用原邏輯進行閥位計算，選擇“AI”類型時采用從模塊采集的直流量信號進行閥位計算。直流量信號通過公式（2）計算實際閥位，零點和滿點直接采用4 mA 和20 mA 即可：

對于該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器而言，閉環(huán)控制的實測值（PV）和設定值（SP）都是油壓百分比信號，并非實際的閥門開度，因此對應測點的顯示描述要進行修改，防止誤導運行人員。

改造后的伺服控制模塊基本原理及閥位優(yōu)選邏輯分別如圖3和圖4所示。

圖3 改造后的伺服控制模塊基本原理Fig.3 Fundamental of the modified servo control module

圖4 改造后的伺服控制模塊閥位優(yōu)選邏輯Fig.4 Logic of valve position optimization of the modified servo control module

3.2 PI 算法調(diào)整

由于該機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器接收的伺服電流直接作用于E/H 油壓，油壓越高則閥門開度越大，且由于伺服電流均為正電流，因此可以認為伺服正電流增大方向?qū)y門打開，正電流減小方向?qū)y門關閉。而伺服控制模塊默認適配的電液（E/H）轉(zhuǎn)換器為常規(guī)噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥形式，伺服電流輸出存在正電流和負電流，在不考慮零位偏置的前提下，正電流增大方向?qū)y門關閉，負電流增大方向?qū)y門打開，與該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的情況相反。

為了適配該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，同時不能影響伺服控制模塊原有的功能，適配過程中新增了一個參數(shù)“電流上限方向是否對應開閥”，用于切換兩種使用場景。通過控制器下發(fā)該參數(shù)，當選擇“否”時，閥位閉環(huán)控制PI 算法中的偏差E=PV-SP，即采用實測值減去設定值的偏差，PI 運算后輸出伺服電流滿足常規(guī)噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥的使用場景，即正電流增大方向?qū)y門關閉，負電流增大方向?qū)y門打開；當選擇“是”時，閥位閉環(huán)控制PI 算法中的偏差E=SP-PV，即采用設定值減去實測值的偏差，PI 運算后輸出伺服電流滿足該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的使用場景，即正電流增大方向?qū)y門打開，正電流減小方向?qū)y門關閉。

3.3 自動標定算法調(diào)整

該自主可控DCS 配套伺服控制模塊具備自動標定閥位的功能。該功能啟用時，伺服控制模塊會按照“預關閥”、“開閥”、“關閥”的順序，依次輸出40 mA，-40 mA，40 mA 的伺服電流，每一步序執(zhí)行一段時間后判斷閥門是否穩(wěn)定，穩(wěn)定則記錄當前LVDT副邊電壓有效值差值作為零位或滿位值，進行閥位標定[12-15]。

對于該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的特殊情況，應該對自動標定算法進行適配修改。2.2 節(jié)已經(jīng)對電流變化方向?qū)τ陂_閥關閥的影響進行了說明，該問題在自動標定時也存在。因此，對于該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，啟用自動標定時，伺服控制模塊輸出的電流值應該依次為0 mA，250 mA，0 mA。同時，由于這種情況下每一步之間電流變化幅度較大，對于卡件硬件、電液（E/H）轉(zhuǎn)換器及閥門本體的壽命可能有影響，為此，額外增加了自動標定過程中的電流變化率限制，使自動標定時伺服電流輸出更加平滑，保護設備，延長使用壽命。

3.4 伺服輸出范圍調(diào)整

自主可控DCS 配套伺服控制模塊的伺服電流輸出范圍最大為-40～40 mA，而該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器接收伺服電流范圍為0～250 mA，存在不匹配的問題。由于硬件能力限制，僅靠伺服控制模塊本身無法繼續(xù)提高電流輸出。因此，開發(fā)了專用的電流放大擴展模塊，電流轉(zhuǎn)換比例為固定的6.25 倍。實際使用時，將伺服控制模塊的伺服輸出端子接線至電流放大擴展模塊的輸入端，電流放大擴展模塊的輸出端接線至電液（E/H）轉(zhuǎn)換器即可。同時在伺服控制模塊程序中，將伺服電流下限從-40 mA 修改為0 mA，上限保持40 mA 不變，此時，伺服電流輸出范圍就等比例擴大到了0～250 mA，滿足該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器使用需求。為了提高可靠性，電流放大擴展模塊還提供一副繼電器觸點，接入擴展從模塊的DI 通道，用于表征電流放大擴展模塊的電流輸出是否斷線，用于監(jiān)視和報警。

4 應用情況

自主可控DCS 配套伺服控制模塊對于該三菱機組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的適配改造工作，主要通過修改內(nèi)置應用程序、增加擴展從模塊和電流放大擴展模塊的方式進行，最終形成了3 塊模塊共同組成1 套伺服控制系統(tǒng)的組合，具體形式如圖5所示。伺服控制模塊用于接收上位機閥位（油壓）指令，接收從模塊通訊過來的油壓信號反饋，并進行PI 運算，輸出0～40 mA 的伺服電流至電流放大模塊，電流放大模塊將其轉(zhuǎn)化為0～250 mA 的實際控制電流輸出至電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，同時電流放大模塊的輸出斷線報警接入擴展從模塊，并通過背板通訊方式送至主模塊，由主模塊上送給DPU。

圖5 改造后的伺服控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 System diagram of the modified servo control module

利用適配改造完成后的伺服控制系統(tǒng)，在該機組進行了閥門階躍響應測試，如圖6所示。從測試曲線看出，閥門控制響應動態(tài)特性良好，控制品質(zhì)相較改造前有較大提升。

圖6 改造后的閥門階躍響應測試曲線Fig.6 Step response test curve of the modified servo control module

該套系統(tǒng)已于2020年11月在該電廠得到應用，適配情況良好，穩(wěn)定運行中。

5 結(jié)語

該三菱350 MW 機組年代較為久遠，使用的電液（E/H）轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)今常見的噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥都有所區(qū)別，進行DEH 系統(tǒng)改造時，配套標準伺服控制模塊無法直接使用，故從以下幾個方面進行了適配改造：

（1）閥位輸入調(diào)整。開發(fā)擴展從模塊接入直流量信號作為閥位輸入，調(diào)整閥位優(yōu)選邏輯。

（2）PI 算法調(diào)整。修改PI 算法中偏差的計算方式，適配電流變化與閥門開閉之間的關系。

（3）自動標定算法調(diào)整。修改自動標定邏輯，增加電流變化速率限制，延長閥門壽命。

（4）伺服輸出范圍調(diào)整。開發(fā)電流放大模塊，對伺服電流進行等比例放大，適配電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的輸入特性。

最終，在原自主可控DCS 產(chǎn)品的配套標準版伺服控制模塊基礎上，通過修改應用程序以及開發(fā)擴展從模塊和電流放大模塊的方式，形成了3 塊模塊共同組成1 套伺服控制系統(tǒng)的組合，用于1 套電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的油壓閉環(huán)控制。這種組合形式的改造方案，無需對標準版伺服控制模塊硬件進行改動，僅需根據(jù)伺服閥特性，選擇選配擴展模塊或電流放大模塊，輔以軟件層面的升級，具備較高的靈活性和工程應用價值。適配改造完成后，機組運行情況良好。本次適配改造的成功實施，為國內(nèi)其他類似機組的改造提供了借鑒意義。