CPLD可编程逻辑器件在汽轮机危急跳闸系统（ETS）中的应用与研究①
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摘 要：在原有ETS控制系统的基础上，取消该系统原有的开关量输入和输出开模件，用专用的保护回路卡代替，该保护回路卡的核心元件部分是CPLD（多样可编程逻辑芯片）， 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路， 可由使用方根据所需生成特定的集成电路结构，完成特定的逻辑控制功能。ETS控制系统中的逻辑功能是直接通过 CPLD判断完成的，所以延时非常短、反应迅速，且该模件具有DCS及PLC系统SOE卡的功能，能将保护回路卡中的输入量和输出量具体动作时间，以毫秒级记录下来，因此它十分适用于各种需要保护快速、可靠动作的控制系统中。
关键词：CPLD 汽轮机 高可靠性 编程便捷
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0062-02
1 汽轮机危急跳闸系统（ETS）的问题及现状
（1）随着机组发电能力的不断加大，各种介质参数越来越高，热力系统构成更为复杂。为了提高发电机组的经济指标，汽輪机的汽封间隙、轴封间隙都选择得越小越好。因汽轮机的转速很高，机组在启动、停止、运行过程中，如果没有严格完全按照运行规程进行操作控制，则很容易造成汽轮机的叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧毁等严重事故。为了确保发电机组安全可靠，需对汽轮机组的位移、膨胀、转速、振动、偏心度等重要指标及参数进行严密监视和异常保护，当参数达到甚至超过保护动作值时，汽轮机危急跳闸系统（ETS）的跳闸回路动作，关闭主汽门，采取立即停机措施，保证发电机组及人员的安全。
（2）当前ETS系统多采用DCS和PLC，普遍以Intel CPU为核心，配以必需的高性能存储设备和外置I/O 端口，通过特定程序实现对各种I/O信号的逻辑控制。逻辑在执行过程中，其核心CPU与各外围设备之间的通信交换、信号采集、控制变量的输出等运算都是按照特有的顺序以由上而下周期重复扫描的方式完成，每个运算周期都要对所逻辑程序能进行查询、判断和输出。在一个扫描运算周期内，CPU对整个逻辑程序只运算一遍。这种运算过程虽然方便，但运算间隔比较长、实时效果差。过长的运算扫描周期和执行时间，直接影响系统对输入、输出信号响应的结果。在确保控制运算功能和执行效果的必要条件下，最大限度地减少控制逻辑的运算扫描周期是一个很复杂的问题，一般只能缩短控制程序执行步骤，增加方案页等方面来采取措施。ETS系统要求整个系统的采集周期时间要小于50ms，这么短的采集和执行周期，就要求每各方案页的程序非常少，同时采用大量的方案页，这样造成DCS和PLC系统的CPU负担非常重，引起CPU短时间假死和死机的发生，如果这时恰巧汽轮机组发生严重问题，需ETS系统的跳闸回路动作，关闭主汽门，实行紧急停机，而这时DPU假死或死机，ETS系统就不会动作，无法跳机，产生不可估量的后果。
2 CPLD在ETS系统中应用的优势
（1）它具有编程简单灵活、集成度高、程序设计开发周期短、适用范围广泛、开发工具智能化、设计制造成本低廉、对开发者的硬件开发经验要求低、产品标准化无需测试、保密性高、可反复编程并可现场模拟调试验证等特点，更容易完成各种逻辑算法和组合方式，非常适合应用在类似ETS系统保护中。
（2）CPLD很重要的一个特点是在对输入输出信号进行逻辑控制和判断时，不需要执行指令和程序，不需要执行控制逻辑扫描循环，没有“指令周期”概念，输入信号仅通过该芯片内硬件逻辑门阵列的不同逻辑组合来控制输出信号，系统对输入信号的响应时间仅取决于门阵列的传输延时，从而实现时序可预测。CPLD允许使用高达数百兆赫兹的全局时钟信号驱动，因此其响应时间仅为数十纳秒。避免了常规ETS系统的CPU假死或死机，保护动作迅速，从根本上解决了保护拒动的发生。
3 CPLD可编程逻辑器件在ETS系统中的应用原理及方法
（1）在原有ETS控制系统的基础上，取消该系统的开关量输入和输出开模件，用专用的保护回路卡代替，该保护回路卡的核心元件部分是CPLD（多样可编程逻辑芯片）， 是一种用户根据各自需要而自行组合逻辑功能的数字集成芯片， 可由用户根据实际功能需要转换成特定的电路结构，完成特定的程序功能。ETS控制系统中的逻辑运算判断是直接通过 CPLD实现的，因此反应时间很短，且该模件具有DCS及PLC系统SOE卡的功能，能将所有输入量和输出量的具体动作时间，以毫秒级记录下来，因此它非常适用于各种需要保护快速、可靠动作的控制系统中。当需要修改ETS跳闸逻辑时，通过连上专用通讯连接电缆，由CPLD芯片生产厂商提供的软件程序包装载特定应用程序，把ETS跳闸逻辑烧录进去（通常是“一取一”“二取二”、“三取二”“四取二”“五取三”），正常运行时，去掉专用通讯连接电缆，选择看门狗起作用。ETS控制系统本身的DPU只是通过RS485与CPLD通信，把专用的保护回路卡的输入和输出状态及报警传给DCS或PLC系统。
（2）结构组成和原理框图
综上，通过CPLD可编程逻辑器件在汽轮机危急跳闸系统（ETS）中的应用，可实现从根本上解决了由于ETS控制系统的 DPU假死或死机引起保护拒动的发生，极大提高了保护的可靠性，把ETS控制系统的采集动作周期从50ms一下提高到了10ms以下。该项成果可以在任何方式组成的汽轮机危急跳闸系统（ETS）使用，同时也可应用在各种需要快速保护的场合，如高铁安全保护系统中，具备很好的全行业市场推广价值。
参考文献
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