LVDT伺服控制一體化模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張?jiān)獛r，姬勝凱，南靜

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 第六研究所，北京 100083）

0 引言

汽輪機(jī)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(guān)鍵部分［1］。DEH系統(tǒng)為了能滿足閥門(mén)開(kāi)度的閉環(huán)控制，通常通過(guò)LVDT 傳感器閥門(mén)位置的采樣作為閥位反饋，參與伺服控制模塊的PID（比例、積分、微分）運(yùn)算。“日立”H5000M系統(tǒng)由LVDT（AEH020）模板和SERVO（AEH001）模板共完成DEH 閥門(mén)閉環(huán)控制，在實(shí)際使用中，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)調(diào)整難、使用不便的問(wèn)題。LVDT伺服控制一體化模塊是內(nèi)置LVDT變換器和PI調(diào)節(jié)器閥門(mén)位置的伺服控制驅(qū)動(dòng)卡，適用于HIACS系統(tǒng)的HSC4000總線［2］，內(nèi)置抗積分飽和的可調(diào)節(jié)參數(shù)的PI調(diào)節(jié)器（可設(shè)定為純比例調(diào)節(jié)器）；可實(shí)現(xiàn)攜帶無(wú)擾切換功能的后備手動(dòng)操作和指示；具有硬件快速關(guān)斷保護(hù)功能和AI（模擬輸入）、AO（模擬輸出）量程自動(dòng)校正功能；可對(duì)模板參數(shù)進(jìn)行控制器下載和上傳；具有自診斷和硬件故障報(bào)警功能。由此可見(jiàn)，LVDT 伺服控制一體化模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、使用方便［3］。本文主要從結(jié)構(gòu)、接口、功能原理、總線、參數(shù)設(shè)定、LVDT 校準(zhǔn)等方面介紹LVDT 伺服控制一體化模塊的設(shè)計(jì)方案。

1 模塊設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)

LVDT 伺服控制一體化模塊可以插入HIACS 系統(tǒng)的HSC4000總線機(jī)箱使用。模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 中，J1、J2 是用于LVDT 輸入與0～5 V 輸入的跳線，J3、J8是編程接口，J4、J5用于內(nèi)部編程測(cè)試，J7 用于AO2 的顯示和保持跳線。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，LVDT 一體化模塊的外形尺寸與HIACS 系列模板保持一致，可以插入HIACS 系統(tǒng)的HSC4000 總線機(jī)箱的任何槽位，在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的兼容性。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 接口

LVDT 伺服控制一體化模塊的外部接口是指通過(guò)連接器與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間的接口，內(nèi)部接口是指通過(guò)HSC4000 總線與控制器CPU 之間的接口，部分通道內(nèi)、外部接口的用途不同。DI0 和DI1 通道在控制器CPU 處于RUN 方式時(shí)，實(shí)際是通用的DI（數(shù)字輸入）通道，其手動(dòng)增減功能由控制器的CPU 邏輯控制實(shí)現(xiàn)；CPU 處于STBY 或ERR 方式時(shí)，為專門(mén)的手動(dòng)增減功能。DO0 和DO1 通道在控制器CPU 處于RUN方式時(shí)，實(shí)際是通用的DO（數(shù)字輸出）通道，其自動(dòng)和手動(dòng)指示狀態(tài)由控制器的CPU 邏輯控制。如果該模板進(jìn)入設(shè)定參數(shù)方式，DO1 將閃爍；控制器CPU 停止工作時(shí)，DO0 將強(qiáng)制為0，DO1 強(qiáng)制為1。AO2 通道在控制器CPU 處于RUN 方式時(shí)，實(shí)際是通用的AO通道（4～20 mA），其LVDT 指示由控制器的CPU 邏輯控制。控制器CPU 停止工作時(shí)，跳線開(kāi)關(guān)J7如果撥向右側(cè)，輸出AI2、AI3（LVDT）信號(hào)為高選值；如果撥向左側(cè)，則保持原輸出不變。

1.3 功能原理

LVDT 伺服控制一體化模塊的電氣原理示意圖如圖2 所示，內(nèi)部邏輯示意圖如圖3 所示，應(yīng)用邏輯示意圖如圖4所示。

圖2 電氣原理示意圖

圖3 內(nèi)部邏輯示意圖

圖4 應(yīng)用邏輯示意圖

（1）正常運(yùn)行功能。模塊RUN/TEST 開(kāi)關(guān)處于RUN 位置，控制器CPU 工作正常且輸出選擇（內(nèi)部接口DO4）為0，無(wú)快關(guān)保護(hù)（外部接口DI2）信號(hào)（0）時(shí)為正常運(yùn)行方式。此時(shí)，本模塊接收控制器CPU 的閥位指令（內(nèi)部接口AO1）與2 路LVDT（或AI）輸入信號(hào)的高選值相減，形成控制偏差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算后同時(shí)從2 路AO 冗余驅(qū)動(dòng)輸出（外部接口AO0、AO1），實(shí)現(xiàn)閥門(mén)位置閉環(huán)伺服控制。如果積分常數(shù)設(shè)定為0，則PI調(diào)節(jié)器變成純比例調(diào)節(jié)器。

（2）后備手操功能。模塊RUN/TEST 開(kāi)關(guān)處于RUN 位置，控制器CPU 停止工作（STBY、ERR 或停止對(duì)該模塊的掃描）且在停止工作前的輸出選擇（內(nèi)部接口DO4）為0時(shí)，為后備手操方式。本模塊在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)連續(xù)監(jiān)視控制器CPU 的狀態(tài)，如果控制器CPU 停止工作，則自動(dòng)切換到后備手操方式。這時(shí)，模塊將保持切換前的閥位指令（無(wú)擾切換），同時(shí)強(qiáng)制自動(dòng)指示（DO0）清0，手動(dòng)指示（DO1）置1，保證外接的硬手操設(shè)備正確指示；閥位指令接收手動(dòng)增（DI0）、手動(dòng)減（DI1）信號(hào)實(shí)現(xiàn)增減，閥位指令隨DI信號(hào)增減的變化率為5%/s，后備手操時(shí)的PI 調(diào)節(jié)方式與正常運(yùn)行時(shí)相同。

（3）快關(guān)保護(hù)功能。正常運(yùn)行或后備手操方式下，快關(guān)保護(hù)（外部接口DI2）信號(hào)為1 時(shí)，將啟動(dòng)快關(guān)保護(hù)功能。這時(shí)，模塊使閥位指令立即變?yōu)? 并保持1 s，然后恢復(fù)到正常運(yùn)行或后備手操方式。如果此前是后備手操方式，閥位指令在沒(méi)有手動(dòng)增減的情況下將持續(xù)保持為0。

（4）直接輸出功能。控制器CPU 工作正常且輸出選擇（內(nèi)部接口DO4）為1 或模塊RUN/TEST 開(kāi)關(guān)處于TEST 位置時(shí)具有該功能。這時(shí)，模塊將直接把電流指令（內(nèi)部接口AO3）作為驅(qū)動(dòng)輸出。如果在正常運(yùn)行模式下，控制器CPU 邏輯診斷到2 路LVDT 信號(hào)異常（此時(shí)PI 調(diào)節(jié)器將無(wú)法正常工作），可以通過(guò)該功能保證閥門(mén)處于安全位置。如果在該方式下控制器CPU 停止工作，模塊將保持原驅(qū)動(dòng)輸出不變，后備手操無(wú)效。

（5）運(yùn)行設(shè)定功能。控制器CPU 工作正常且模塊RUN/TEST 開(kāi)關(guān)處于RUN 位置時(shí)，具有運(yùn)行設(shè)定功能。此時(shí)，可以通過(guò)控制器的CPU 邏輯設(shè)定模塊PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分常數(shù)、積分限幅電流和偏置電流4 個(gè)參數(shù)。以積分限幅電流實(shí)現(xiàn)抗積分飽和功能，保證PI 調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)最大輸出不超過(guò)積分限幅電流；偏置電流用來(lái)調(diào)整閥門(mén)保持靜態(tài)平衡時(shí)所需的偏置輸出電流，一個(gè)非0的偏置輸出可以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)斷線時(shí)的自關(guān)（正偏置）或自開(kāi)（負(fù)偏置）保護(hù)。

（6）測(cè)試設(shè)定功能。控制器CPU 工作正常且模塊RUN/TEST 開(kāi)關(guān)處于TEST 位置時(shí)具有該功能。此時(shí)，可以通過(guò)控制器的CPU 邏輯實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)、積分常數(shù)、積分限幅電流、零位偏置電流、輸出上限電流、輸出下限電流等的參數(shù)設(shè)定、上傳檢查或恢復(fù)出廠值，以及各AI、AO 通道的上、下限自動(dòng)校正，校正參數(shù)上傳、下載或恢復(fù)出廠值。

1.4 總線

LVDT 伺服控制一體化模塊各I/O 通道與HSC 4000總線接口有關(guān)的地址/數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表1和表2。

表1 LVDT伺服控制一體化模塊HSC4000總線地址格式

表2 LVDT伺服控制一體化模塊HSC4000總線數(shù)據(jù)格式

2 參數(shù)設(shè)定與校正

2.1 參數(shù)設(shè)定

LVDT 伺服控制一體化模塊的參數(shù)設(shè)定邏輯如圖5 所示，LVDT 伺服控制一體化模塊運(yùn)行所需的工作參數(shù)和AI、AO 通道自動(dòng)校正均由控制器CPU 邏輯發(fā)送參數(shù)命令實(shí)現(xiàn)。除啟動(dòng)命令、確認(rèn)命令外，其他命令在數(shù)據(jù)總線上應(yīng)是命令碼值乘以16；如果返回命令參數(shù)為32760，表示命令是無(wú)效命令或命令未有效執(zhí)行；任意值不能為啟動(dòng)命令或確認(rèn)命令。

圖5 LVDT伺服控制一體化模塊參數(shù)設(shè)定邏輯圖

LVDT 伺服控制一體化模塊通過(guò)內(nèi)部接口AO0接收控制器CPU 發(fā)送參數(shù)的命令，并且通過(guò)內(nèi)部接口AI0向控制器CPU返回命令參數(shù)。當(dāng)模板接收到啟動(dòng)命令（-32752）時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入一次參數(shù)設(shè)定過(guò)程，完成一個(gè)完整的命令序列：?jiǎn)?dòng)命令（-32752）—功能命令（0～70）—確認(rèn)命令（32752）—發(fā)送命令參數(shù)（AO0）—確認(rèn)命令（32752），命令序列完成后結(jié)束本次參數(shù)設(shè)定。

啟動(dòng)參數(shù)設(shè)定過(guò)程后，模塊執(zhí)行命令序列中的每個(gè)命令后立即通過(guò)內(nèi)部接口AI0返回一個(gè)命令應(yīng)答，從而產(chǎn)生一個(gè)命令應(yīng)答序列：?jiǎn)?dòng)命令（-32752）—功能命令（0～70）—確認(rèn)命令（32752）—返回命令參數(shù)（AI0）—確認(rèn)命令（32752），控制器CPU 可以根據(jù)命令應(yīng)答控制一個(gè)命令序列所需的時(shí)間。

2.2 LVDT校正

在TEST 方式下，本文設(shè)計(jì)的一體化模塊可以通過(guò)參數(shù)命令實(shí)現(xiàn)LVDT 自動(dòng)校正。以LVDT1（AI2）下限校正為例，說(shuō)明自動(dòng)校正過(guò)程如下：①確認(rèn)模板正常工作并與LVDT1 正確連接；②使閥門(mén)動(dòng)作至全關(guān)位置（即LVDT1 下限）；③控制器CPU 發(fā)送功能命令碼為5的命令序列。

在這個(gè)過(guò)程中，控制器CPU可以收到命令應(yīng)答序列，其中的返回命令參數(shù)為L(zhǎng)VDT下限校正值，記錄并保存該值，可以在必要時(shí)（如運(yùn)行中更換模板）通過(guò)直接發(fā)送、下載LVDT1 下限值（功能命令碼為13）命令序列完成LVDT 校正。此外，可以通過(guò)上傳LVDT1 下限校正值（功能命令碼為9）命令序列檢查該參數(shù)。如果使用恢復(fù)的LVDT1下限標(biāo)準(zhǔn)校正值（功能命令碼為17）命令序列，則模板恢復(fù)至AI2 在0～5 V 輸入模式下0 V 輸入時(shí)的出廠狀態(tài)校正參數(shù)（該命令不會(huì)實(shí)際改變AI2的輸入模式，這種改變需要通過(guò)跳線開(kāi)關(guān)完成，命令只是改變校正參數(shù)）。

2.3 PI參數(shù)設(shè)定

在RUN 和TEST方式下，本一體化模板均可通過(guò)參數(shù)命令實(shí)現(xiàn)模板PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分常數(shù)、積分限幅電流、零位偏置電流4個(gè)參數(shù)設(shè)定。以比例系數(shù)為例說(shuō)明設(shè)定過(guò)程如下：①確認(rèn)模板正常工作，并且在控制器的CPU 邏輯中已經(jīng)輸入新的比例系數(shù)；②從控制器CPU發(fā)送功能命令碼為1的命令序列。

在TEST 方式下，除了可以完成RUN 方式下的4個(gè)參數(shù)設(shè)定，用同樣的方法還可以設(shè)定輸出上、下限電流（功能命令碼為57、58）。通過(guò)分別發(fā)送功能命令碼為59～64的命令序列可以上傳并檢查該上述參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）實(shí)踐需求，針對(duì)“日立”H5000M 系統(tǒng)DEH 閥門(mén)閉環(huán)控制存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)調(diào)整難、使用不便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了LVDT 伺服控制一體化模塊。該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)便靈活、使用方便。在實(shí)際應(yīng)用中，1 個(gè)模塊對(duì)應(yīng)1 個(gè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥，本模塊已在大唐三門(mén)峽電廠、國(guó)投晉城熱電有限公司等十幾個(gè)電廠中得到應(yīng)用，取得良好的效果。