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1、(10)申请公布号 CN 104199317 A (43)申请公布日 2014.12.10 C N 1 0 4 1 9 9 3 1 7 A (21)申请号 201410331027.9 (22)申请日 2014.07.12 G05B 19/04(2006.01) (71)申请人河北工业大学 地址 300401 天津市北辰区双口镇西平道 5340号 (72)发明人肖艳军 李永聪 姜云峰 张贺 (74)专利代理机构天津翰林知识产权代理事务 所(普通合伙) 12210 代理人李济群 (54) 发明名称 一种蒸汽发电机控制器 (57) 摘要 本发明公开一种蒸汽发电机控制器，该控制 器用于对蒸汽动力机、。
2、增速机构和发电机进行调 控，包括微处理器和电源模块，还包括编码器、流 量调节阀、监测仪、温度传感器、湿度传感器、油 泵、电机、控制面板、风扇、散热管和油箱。该控制 器以一种嵌入式控制系统作为核心，能监控发电 机的工作状况并进行智能调控，操作方便，控制简 单，易于推广应用。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104199317 A CN 104199317 A 1/2页 2 1.一种蒸汽发电机控制器，用于对蒸汽动力机、增速机构和发电机进行调控，其。
3、特征在 于：该控制器包括微处理器和电源模块，以及编码器、流量调节阀、监测仪、温度传感器、湿 度传感器、油泵、电机、控制面板、风扇、散热管和油箱；所述增速机构安装在蒸汽动力机与 发电机之间； 所述微处理器为整个控制器的核心部件，分别与电源模块、编码器、流量调节阀、监测 仪、温度传感器、湿度传感器、电机、控制面板和风扇电连接； 所述微处理器包括单片机、通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O 接口；所述通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O接口分别与单片机的 引脚电连接；所述单片机通过内部编程设定，将单片机的各个引脚重新规划定义，使之与通 讯总线模块、模拟量处理模。
4、块、普通I/O接口及高速I/O接口匹配； 所述通讯总线模块是微处理器与外部进行数据交换的通道，包含3种通讯接口，具体 为RS232、RS485和CAN总线接口；其中RS232接口与控制面板的触控屏电连接，RS485接口 与监测仪电连接，CAN总线与工厂现场CAN总线电连接； 所述模拟量处理模块包括1号模拟输入、2号模拟输入和模拟输出，其中1号模拟输入 和2号模拟输入均为4路12bit、最高响应采样频率为100Ksps的ADC转换通道，模拟输出 为2路12bit的DAC模拟输出转换通道；所述1号模拟输入的通道分别与温度传感器、湿度 传感器连接电连接；模拟输出的一路通道与流量调节阀电连接； 所述普。
5、通I/O接口包括八组，共32路I/O通道，每组接口4路I/O通道；每组接口可自 由定义为输入端口或者输出端口，将其中一组接口定义为输出端口，分别与电机、风扇、声 光报警器、工作状态指示灯电连接；将另一组接口定义为输入端口，其中一路通输入道与模 式选择开关电连接； 所述高速I/O接口包括6路可编程的16位计数器/定时器、捕捉/比较模块通道，其 中一路通道与编码器电连接； 所述电源模块一端与外部供电连接，另一端与微处理器连接，提供24V、5V和3.3V的三 种直流电源； 所述编码器安装在发电机的轴端，所述流量调节阀安装在蒸汽输进管道上；所述温度 传感器为两个，分别为1号温度传感器和2号温度传感器，。
6、分别安装于蒸汽动力机内部两侧 的齿轮箱内； 所述湿度传感器为两个，分别为1号湿度传感器和2号湿度传感器，分别安装于蒸汽动 力机内的蒸汽入口与蒸汽出口； 所述监测仪连接发电机的电压输出端；所述电机与油泵连接；所述油泵通过管道一端 与油箱连接，另一端与蒸汽动力机一侧的齿轮箱连接；所述油箱与蒸汽动力机另一侧的齿 轮箱通过管道连通；所述蒸汽动力机的两齿轮箱之间有管道连通；所述散热管安装在蒸汽 动力机与油箱之间的管道上，风扇安装在散热管附近； 所述控制面板包括电源指示灯、工作状态指示灯、声光报警器、启动按钮、急停按钮、工 作模式选择按钮和触控屏；所述电源指示灯与控制器的外部供电连接；所述启动按钮受急 停。
7、按钮限制，为当启动急停按钮被按下后，操作无效，同时上电完成后，操作无效；只有在断 电时，急停按钮抬起的情况下，操作有效。 2.根据权利要求1所述的蒸汽发电机控制器，其特征在于：所述单片机的型号为 权 利 要 求 书CN 104199317 A 2/2页 3 C8051F040；所述编码器的型号为TepS3806G-300BM-C526；所述流量调节阀为电动单座调 节阀；所述温度传感器的型号为PT100；所述湿度传感器的型号为GY-HCTM204；所述监测仪 的型号为GB-YP100TY。 权 利 要 求 书CN 104199317 A 1/6页 4 一种蒸汽发电机控制器 技术领域 0001 本。
8、发明涉及蒸汽发电控制技术领域，具体为一种蒸汽发电机控制器。 背景技术 0002 在蒸汽发电过程中，因蒸汽流量、温度等参数常常不稳定、变化幅度大，加之负载 设备的启、停等操作会引起起电机输出端的功率变化，加大了输出电能质量控制的难度。上 述任何一种因素的变化都会造成发电机输出电能不稳定，实际中通常是两个或更多因素同 时变化并相互作用，继而使得发电机输出电能更加不稳定。针对这种情况，现有的解决方法 是：通过检测发电机转速并控制蒸汽流量调节阀的开度，以此构成闭环调节回路，从而达到 稳定输出电能目的。 0003 但实际使用中发现这种发电设备控制器存在以下缺点： 0004 (1)热能转换效率低。主要原因。
9、在于上述控制器采用单一变量控制结构，例如：通 过定时采样检测发电机转速，利用PID等调节算法，来调节蒸汽流量调节阀的开度，进而控 制进入蒸汽动力机的气体流量。然而蒸汽所蕴含的内能不仅仅与流量相关，还与温度、压力 等参数相关，因此单一变量调节方法，不能更好地将蒸汽内能转换成电能，因而导致其热能 转换效率低下。 0005 (2)操作不便。主要表现在这种控制器在调试完成后程序中的各种控制参数相对 固化，一旦蒸汽特性波动超出原先预设定的范围，由操作工人重新修改或调试的难度大，通 常只能由专业人员进行现场调试；个别控制器会设计操作按键，但因其缺乏相关的交互手 段，使得非专业人员在修正控制参数时，无法准确。
10、预测该参数修改而改变的控制效果，达不 到理想的控制目的，更甚者会造成设备无法正常工作或引起事故。 0006 (3)管理不便。主要表现在:这种控制器主要针对单台发电机组,而单独工作具 有孤立性，因此真正意义上的无人值守是不易实现的，一旦出现故障，即便控制器本身有自 我保护功能，但由于其工作状态无法被其它设备或者监控室了解，因此会对与其相关的设 备造成不可估计的损害，这点尤其体现不能断电的负载设备上，以及使用该机组对管道蒸 汽降压的涉及以蒸汽为工作介质的相关生产过程或设备上。 0007 (4)维护不便。主要表现在由于这种控制器在设计时便针对固定的控制对象，可能 在某些功能上会留出富余的控制输入输出。
11、点，但其预留功能点也具有针对性，因此不便于 后续为增强输出电能质量而新增或者改变的一些仪器仪表或执行机构等设备，从而无法满 足对后续功能改进和优化的需要；另一方面，若采用嵌入式系统作控制器会因器件固化在 电路板上，使得出现电路故障时，不利于快速检修，对工厂的生产造成影响。 0008 (5)不利于工厂未来的智能化升级。由于这种控制器不能向中央控制系统发送状 态信息参数，也无法接受中央控制系统发送的控制指令，这种功能上的上下“政令”不通，必 将成为未来工厂智能化升级的障碍，造成经济上的损失。 发明内容 说 明 书CN 104199317 A 2/6页 5 0009 针对现有技术的不足，本发明拟解决。
12、的技术问题是：提供一种蒸汽发电机控制器。 该控制器以一种嵌入式控制系统作为核心，能监控发电机的工作状况并进行智能调控，操 作方便，控制简单，易于推广应用。 0010 本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种蒸汽发电机控制器。该控制 器用于对蒸汽动力机、增速机构和发电机进行调控，包括微处理器和电源模块，还包括编码 器、流量调节阀、监测仪、温度传感器、湿度传感器、油泵、电机、控制面板、风扇、散热管和油 箱；所述增速机构安装在蒸汽动力机与发电机之间； 0011 所述微处理器为整个控制器的核心部件，分别与电源模块、编码器、流量调节阀、 监测仪、温度传感器、湿度传感器、电机、控制面板、风扇电连接； 。
13、0012 所述微处理器包括单片机、通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速 I/O接口；所述通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O接口分别与单片 机的引脚电连接；所述单片机通过内部编程设定，将单片机的各个引脚重新规划定义，使之 与通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O接口匹配； 0013 所述通讯总线模块是微处理器与外部进行数据交换的通道，包含3种通讯接口， 具体为RS232、RS485和CAN总线接口；其中RS232接口与控制面板的触控屏电连接，RS485 接口与监测仪电连接，CAN总线与工厂现场CAN总线电连接； 0014 所述模拟量处理模块包。
14、括1号模拟输入、2号模拟输入和模拟输出，其中1号模拟 输入和2号模拟输入均为4路12bit、最高响应采样频率为100Ksps的ADC转换通道，模拟 输出为2路12bit的DAC模拟输出转换通道；所述1号模拟输入的通道分别与温度传感器、 湿度传感器连接电连接；模拟输出的一路通道与流量调节阀电连接； 0015 所述普通I/O接口包括八组共32路I/O通道，每组接口4路I/O通道；每组接口可 自由定义为输入端口或者输出端口，将其中一组接口定义为输出端口，分别与电机、风扇、 声光报警器、工作状态指示灯电连接；将另一组接口定义为输入端口，其中一路通输入道与 模式选择开关电连接； 0016 所述高速I/O。
15、接口包括6路可编程的16位计数器/定时器、捕捉/比较模块通道， 其中一路通道与编码器电连接； 0017 所述电源模块一端与外部供电连接，另一端与微处理器连接，提供24V、5V和3.3V 的三种直流电源； 0018 所述编码器安装在发电机的轴端，所述流量调节阀安装在蒸汽输进管道上，所述 温度传感器为两个，分别为1号温度传感器和2号温度传感器，安装于蒸汽动力机内部两侧 的齿轮箱内； 0019 所述湿度传感器为两个，分别为1号湿度传感器和2号湿度传感器，分别安装于蒸 汽动力机内的蒸汽入口与蒸汽出口； 0020 所述监测仪连接发电机的电压输出端；所述电机与油泵连接；所述油泵通过管道 一端与油箱连接，另。
16、一端与蒸汽动力机一侧的齿轮箱连接；所述油箱与蒸汽动力机另一侧 的齿轮箱通过管道连通；所述蒸汽动力机的两齿轮箱之间有管道连通；所述散热管安装在 蒸汽动力机与油箱之间的管道上，风扇安装在散热管附近； 0021 所述控制面板包括电源指示灯、工作状态指示灯、声光报警器、启动按钮、急停按 钮、工作模式选择按钮和触控屏；所述电源指示灯与控制器的外部供电连接；所述启动按 说 明 书CN 104199317 A 3/6页 6 钮受急停按钮限制，为当启动急停按钮被按下后，操作无效，同时上电完成后操作无效，只 有在断电时，急停按钮抬起的情况下有效。 0022 本技术的实施具有以下效果： 0023 (1)提高热能转。
17、化效率。微处理器定时获取编码器采集的发电机转速信号，通时 通过RS485接口获取监测仪监测到的输出电能的电压、电流、和功率等信息，并将上述参量 耦合到多参数的PID调节算法中，同时通过发电机转速与输出电能的电参量关系与监测仪 获得电参量数据进行对照检测，排除采集数据的偶然误差，调节比例调节的开度，进而控制 发电机输出电能的质量。由于监测仪能够测得输出的功率变化，此参数能够反映负载功率 的变化，可用于快速调节蒸汽的进气流量，再通过转速，电压等参数的精确调节作用，使得 发电机组既能快速响应负载变化又能精确控制输出电能质量，从而提高了提高热能转化效 率。 0024 (2)操作方便。通过操作面板上触控。
18、屏，操作人员可以完成与控制器的人机交互。 触控屏上除显示当前发电机组运行实时状态信息等还设计有参数调节对话框，并在操作人 员设置或者修改参数时提供帮助信息，该帮助信息为设计者在调试中的经验总结，涵盖该 参数的调节方法，对系统的影响，以及如何验证参数设置是否生效等方法的介绍说明，每个 参数都有极限范围的限制，这是处于安全因素而考虑的，一般操作人员无法改限制范围，这 既便于非专业人员调试修改，又便于其对设备了解。 0025 (3)管理方便。该控制器同时设计了RS232、RS485和CAN总线通讯接口。RS232通 讯模块主要与触控屏进行通讯，当然在省去触控屏的情况下可用于其他信息的管理使用； RS。
19、485通讯模块主要负责发电机周边的仪器仪表数据的采集和设备管理，同时可以使该发 电作为单个工厂设备被工厂中央控制系统控制，或者与其多台发电机组协同工作。CAN总线 与RS485总线作用类似，在本控制器中是预留的通信功能。丰富的通信功能，既能满足本机 控制的需要，同时又可方便的被工厂现有的控制总线识别和管理，其状态可实时地被高层 管理控制系统掌握，做到智能化控制，利于整个工厂的多设备协同工作。同时又能独立自主 的运行，或者作为更高级管理系统，管理发电机的负载设备等。 0026 (4)维护方便。该控制器在设计之初便考虑到使用中维护因素，因此所有功能均按 最小控制单位进行模块化设计，即为可插拔控制模。
20、块，使用时根据实际要求选出多种功能 块，将其组合安装到控制基板上，即完成控制系统的搭建；这种方式既满足当前控制功能的 需求，又不会造成功能的浪费，同时还能满足未来的控制对象更换，或者升级换代的需求。 使用中故障发生后即可拔出原有功能块后安装新的功能块即可立即使用，十分方便。 0027 (5)利于工厂未来的智能化升级。由于这种控制器具有多种协议的通讯总线，因此 既能向中央控制系统发送状态信息参数，也可接受中央控制系统发送的控制指令，便于工 厂的智能化管理或者升级。 附图说明 0028 图1为本发明蒸汽发电机控制器一种实施例的微处理器的电路结构示意图。 0029 图2为本发明蒸汽发电机控制器一种实。
21、施例的工作现场设备安装结构示意图。 0030 图3为本发明蒸汽动力机控制器一种实施例的工作流程示意图。 说 明 书CN 104199317 A 4/6页 7 具体实施方式 ： 0031 下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。 0032 本发明设计的蒸汽发电机控制器(简称控制器，参见图1-3)，用于对蒸汽动力机 13、增速机构14和发电机15进行调控，其特征在于：该控制器包括微处理器1和电源模块 12，还包括编码器2、流量调节阀3、监测仪4、温度传感器5、湿度传感器6、油泵7、电机8、控 制面板9、风扇10、散热管11和油箱16；所述增速机构14安装在蒸汽动力机13与发电机 15之间； 003。
22、3 所述微处理器1为整个控制器的核心部件，分别与电源模块12、编码器2、流量调 节阀3、监测仪4、温度传感器5、湿度传感器6、电机8、控制面板9、风扇10电连接； 0034 所述微处理器1包括单片机101、通讯总线模块102、模拟量处理模块103、普通 I/O接口104及高速I/O接口105，其负责处理所有传感器及仪表数据，并向执行任务部件 发出控制指令，同时负责向其他设备或者系统发送本身状态信息和接受指令；所述单片机 101的型号为C8051F040，通过内部编程设定，将单片机101的各个引脚重新规划定义，使之 与通讯总线模块102、模拟量处理模块103、普通I/O接口104及高速I/O接口。
23、105匹配； 0035 所述通讯总线模块102是微处理器1与外部进行数据交换的通道，包含3种通讯 接口，具体为RS232、RS485和CAN总线接口；其中RS232接口与控制面板9的触控屏电97 连接，RS485接口与监测仪4电连接，CAN总线与工厂现场CAN总线电连接； 0036 所述模拟量处理模块103包括1号模拟输入、2号模拟输入和模拟输出，其中1号 模拟输入和2号模拟输入均为4路12bit、最高响应采样频率为100Ksps的ADC转换通道， 模拟输出为2路12bit的DAC模拟输出转换通道；所述1号模拟输入的通道分别与1号温 度传感器51、2号温度传感器52、1号湿度传感器61、2号湿。
24、度传感器连接62电连接；模拟 输出的一路通道与流量调节阀3电连接； 0037 所述普通I/O接口104包括八组共32路I/O通道，每组接口4路I/O通道；每组 接口可自由定义为输入端口或者输出端口，将其中一组接口定义为输出端口，分别与电机 8、风扇10、声光报警器93、工作状态指示灯92电连接；将另一组接口定义为输入端口，其中 一路通输入道与模式选择96开关电连接，其余端口作为预留端口； 0038 所述高速I/O接口105包括6路可编程的16位计数器/定时器、捕捉/比较模块 通道，其一路通道与编码器2电连接，其余通道预留； 0039 所述电源模块11一端与外部供电连接，另一端与微处理器1连接，。
25、提供24V、5V和 3.3V的三种直流电源；其为单片机101提供3.3V的工作电源，为通讯总线模块102、模拟量 处理模块103及高速I/O接口105提供5V电源，为普通I/O接口104提供24V电源； 0040 所述编码器2安装在发电机15的轴端，将发电机15转动的角速度信息转变成频 率信号以脉冲的方式通过高速I/O接口104的一路通道输送给单片机101；所述编码器的 型号为TepS3806G-300BM-C526； 0041 所述流量调节阀3安装在蒸汽输进管道上，接受单片机101的信号来控制阀门的 开度，调节通过阀门处的蒸汽流量，达到间接调节输出电能质量的目的，所述流量调节阀3 为电动单座。
26、调节阀； 0042 所述温度传感器5为两个，分别为1号温度传感器51和2号温度传感器52，安装 于蒸汽动力机13内部两侧的齿轮箱内，分别与模拟量处理模块102的1号模拟输入两路模 说 明 书CN 104199317 A 5/6页 8 拟输入通道电连接，用于保证蒸汽动力机工作在安全的温度环境下；所述温度传感器的型 号为PT100； 0043 所述湿度传感器6为两个，分别为1号湿度传感器61和2号湿度传感器62，安 装于蒸汽动力机13内的蒸汽入口与蒸汽出口，分别与模拟量处理模块102的1号模拟输 入的两路通道电连接，主要负责监测蒸汽在入口处和出口处的湿度，通过转换的数值与设 定的阈值比较来监测蒸汽。
27、动力机在运行过程中是否发生泄露；所述湿度传感器6的型号为 GY-HCTM204； 0044 所述监测仪4连接发电机15的电压输出端，监测发电机15发出电能的电压、频 率、有功功率、无功功率等电参量信息，与通讯总线模块101的RS485接口电连接，进行数据 传递，用于反馈调节流量调节阀3的开度；所述监测仪4的型号为GB-YP100TY； 0045 所述电机8与油泵7连接并为其提供工作动力；所述油泵7通过管道一端与油箱 16连接，另一端与蒸汽动力机13一侧的齿轮箱连接；所述油箱16用于装油剂，与蒸汽动力 机13另一侧的齿轮箱通过管道连通；所述蒸汽动力机13的两齿轮箱之间有管道连通；油 泵7采用主动。
28、循环的工作方式将油剂在蒸汽动力机13的齿轮箱与油箱16之间进行循环回 流，把蒸汽动力机13的转子和机壳产生的热量向外释放； 0046 所述散热管11安装在蒸汽动力机13与油箱16之间的管道上；所述风扇10安装 在散热管11附近；所述风扇9与普通I/O接口103的一路输出通道电连接，接收微处理器 1的启、停信号并动作；当风扇9启动后，加速散热管11周围空气流动，使其中油剂的热量 快速向空气中释放； 0047 所述控制面板9包括电源指示灯91、工作状态指示灯92、声光报警器93、启动按 钮94、急停按钮95、工作模式选择按钮96、触控屏97；所述控制面板9中触控屏97用于机 组工作状态和相关参数的。
29、显示以及接受操作人员的输入的参数和控制指令，其主要作用是 用于人机交互，与通讯总线模块101中的RS232接口连接；所述电源指示灯91与控制器的 外部供电连接，用于显示当前机组外接电源的状态；所述工作状态指示灯92用于指示当前 机组的工作模式(自动运行或调试运行)；所述声光报警器93用于机组异常工作状态的警 示目的；所述启动按钮94用于整个控制器的初始上电操作，受急停按钮95限制，为当启动 急停按钮95被按下后，操作无效，同时上电完成后操作无效，只有在断电时，急停按钮95抬 起的情况下有效；所述急停按钮95用于紧急情况时的断电保护，一旦被按下整个系统关断 电源；所述工作模式选择按钮96，用于切。
30、换机组的工作模式，与普通I/O接口103的一路输 入通道电连接。 0048 本发明蒸汽发电机控制器工作原理与工作过程为：正常连接各电源线路和控制线 路后，松开急停按钮95，按下启动按钮94，整个控制器得电，进入准备阶段，与此同时控制 器的微处理器1完成上电初始化；触控屏97完成初始化启动后，进行工作状态确认程序，包 括工作模式选择按钮96的旋动、参数检查等操作，此阶段为发电机15启动准备阶段；启动 后机组进入工作状态；微处理器1向流量调节阀3发出开启信号，此时蒸汽通过蒸汽动力机 13，进其工作腔，膨胀做工，推动转子旋转，转子将扭矩传递给增速机构14，将转速增大，然 后将扭矩传递给发电机15，发。
31、电机15旋转，产生电能；编码器2测得发电机15转速信号，同 时监测仪4测得相关电参量、转速信号和电参量信号定时传输给微处理器1；微处理器1对 上述信息处理，将计算结果输送给流量调节阀3，流量调节阀3进行相应动作，此阶段为蒸 说 明 书CN 104199317 A 6/6页 9 汽流量调节；流量调节阀3的动作将改变进入蒸汽动力机13的蒸汽能量，继而影响其输出 扭矩，最终影响发电机15输出的电能，以此构成闭环反馈调节，周而复始地运行；在此调节 运行过程中，来自1号温度传感器51和2号温度传感器52的数据将被采集，此阶段为机组 运行状态信息获取过程，微处理器1将根据上述信息判断，散热状态是否良好，决。
32、定是否开 启油泵7进行强制散热，是否开启风扇10加快散热，此即为有油剂循环散热控制；同时1号 湿度传感器61和2号湿度传感器62的数据也将被采集，微处理器1通过比较由触控屏97 设置的泄露阈值来判断是否发生泄露，如果发生则需要立即关闭流量调节阀3，并开启声光 报警器93；如果机组运行良好则工作状态指示灯92指示显示为绿色，否则为红色；急停按 钮95用于意外情况下的处理操作。 0049 本实施例仅为本发明装置的一个具体应用实例，并不用来作为权利要求的限制， 凡在本发明的基础上进行简单的模仿、改造，均在本发明权利要求的保护范围之内。 0050 本发明未述及之处适用于现有技术。 说 明 书CN 104199317 A 1/3页 10 图1 说 明 书 附 图CN 104199317 A 10 2/3页 11 图2 说 明 书 附 图CN 104199317 A 11 3/3页 12 图3 说 明 书 附 图CN 104199317 A 12 。