DEH改造中伺服控制模块对350MW三菱机组的适配研究

曾卫东，胡 波，宋诚骁，王 宾

（1.西安热工研究院有限公司，西安 710054；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211002）

汽轮机数字电液控制系统（DEH）主要由液压伺服系统、电控系统等组成，其中电液（E/H）转换器是控制系统的关键部分[1]。当前，高压抗燃油电调系统普遍采用喷嘴挡板式伺服阀作为电液（E/H）转换器，低压透平油系统则更多采用直接驱动式伺服阀（DDV 阀）进行电液（E/H）转换[2]。DEH 系统为了能够满足阀门开度的闭环控制，通常通过LVDT 传感器进行阀门位置采样作为阀位反馈，参与伺服控制模块内的PID 运算[3-6]。

在某电厂350 MW 机组进行自主可控DCS 及DEH 一体化改造过程中，遇到了DEH 阀位控制模块与机组原电液（E/H）转换器及油系统的兼容性问题。该机组为进口三菱重工老式机组，采用的电液转换器与常规的喷嘴挡板式伺服阀或DDV 阀有所区别。该系统直接输出控制脉动油压反馈信号（4～20 mA）作为阀位PID 的实测值（PV），常规的伺服控制模块采用LVDT 位移传感器作为PV 值，不能直接将油压信号作为PV 值；且该电液（E/H）转换器接收驱动电流范围为0～250 mA，常规伺服控制模块一般输出电流范围最大为-40～40 mA，无法满足，因此需要进行针对性的适配改造。

1 改造前系统概况

该机组使用的是三菱重工高砂制作所制造的型号为TC2F-40.5，系单轴、双缸、双排汽、单背压纯凝汽、反动式汽轮机[7-8]，迄今已使用了三十余年。

本次控制系统自主可控改造涉及DCS 及DEH部分，DEH 系统中仅改造电控部分，油系统不做改造。该机组原有的阀位控制卡件型号为OMRON 的PAC-VC01，需通过硬接线4～20 mA 信号接收控制器阀位指令。若保留该卡件，直接利用改造后的控制器通过硬接线下发指令，由于模拟量输出DAC 及输入ADC 的处理时间相对较长，容易导致整个阀门控制系统惯性增大，影响控制品质，因此该模块也应更换为DEH 控制器配套的自主可控伺服控制模块。

但由于该三菱机组油系统伺服阀在接收指令、阀位反馈等方面异于现今常见的喷嘴挡板式伺服阀或DDV 阀，标准伺服控制模块无法兼容于该机组，因此本次自主可控改造需对产品进行适配改造。

2 配套标准伺服控制模块介绍

本次自主可控DCS 改造所使用的产品，配套的标准版伺服控制模块的基本情况如下：2 路LVDT采样通道（三线制或六线制），2 路-40～40 mA 伺服电流输出，具备阀位优选、断线检测、闭环控制、自动标定等功能。

伺服控制模块基本原理如图1所示。LVDT 副边电压差值作为LVDT 采样输入，经过零点和满点标定后，通过阀位计算公式（1）得到实际阀门开度：

图1 标准版伺服控制模块基本原理Fig.1 Fundamental of the standard version of the servo control module

式中：VL为实际全关阀门时，测得的LVDT 上下副边线圈的电压有效值差值，即零点标定值；VH为实际全开阀门时，测得的上下副边线圈的电压有效值差值，即满点标定值；Vn为当前阀位测得的电压差值。

2 路LVDT 所计算的阀位需经阀位优选功能，获取选择后的阀门开度。阀位优选逻辑如图2所示，在2 路LVDT 采样品质均正常时按参数配置中的高选/低选/平均进行处理，若1 路LVDT 采样断线，另1 路正常，则取该正常值，若2 路均断线，则进入故障安全逻辑[9-11]。

图2 标准版伺服控制模块阀位优选逻辑Fig.2 Logic of valve position optimization of the standard version of the servo control module

实际阀门开度与DPU 下发的阀位指令取偏差后进入PI 运算，运算结果即伺服输出值，通过2 个D/A 转换器转换为-40～40 mA 的伺服电流输出，用于控制伺服阀电液（E/H）转换器，直至实际阀门开度与阀位指令偏差小于控制死区。

3 伺服控制模块改造方案

自主可控DCS 产品配套的标准版伺服控制模块不具备直接控制该三菱机组电液（E/H）转换器的条件，主要原因有：

（1）阀位输入只支持双路LVDT 采样，不支持4～20 mA 直流量，无法获取PI 回路的实测值（PV），无法进行阀位闭环控制。

（2）伺服控制输出范围不匹配，默认输出范围最大为-40～40 mA，该三菱机组电液（E/H）转换器的驱动电流为0～250 mA。

（3）电流变化方向与阀门开闭方向不匹配，伺服控制模块默认正电流增大方向对应阀门关闭，负电流增大方向对应阀门打开（与常规喷嘴挡板式伺服阀或DDV 阀匹配），该三菱机组电液（E/H）转换器则为正电流增大方向对应阀门打开。

（4）自动标定步骤中，伺服输出值在正反向切换时，阀门存在骤开或骤关情况，该三菱机组属于已运行三十多年的老机组，应尽量减少这种操作，延长阀门寿命。

针对上述情况，需要对伺服控制模块进行针对性改造。硬件方面，不改动标准伺服控制模块的硬件，通过增加伺服控制从模块和电流放大模块，达到功能扩充的目的；软件方面调整阀位计算及伺服输出逻辑，从而达到适配该三菱机组电液（E/H）转换器的效果。

3.1 阀位输入调整

该三菱机组电液（E/H）转换器提供的阀位信号实际是油压信号（4～20 mA），且目前每个电液（E/H）转换器仅提供1 路。考虑到未来可能增加1 路油压信号，因此伺服控制模块应至少具备2 路毫安（mA）量AI 接口。由于标准伺服控制模块PCB 电路设计上已经没有空间扩充2 路毫安（mA）量的AI 接口，因此设计开发了专用的伺服控制从模块，作为主模块的扩展模块使用。从模块通过控制器下发的使能参数投退，除扩充AI 接口外，还提供了AO、DI、DO等接口，方便后续功能扩展。主从模块之间通过I/O底座之间的背板总线进行通讯，从模块将采集到的电流信号送给主模块。控制器新增“阀位通道类型”参数下发，选择“LVDT”类型时采用原逻辑进行阀位计算，选择“AI”类型时采用从模块采集的直流量信号进行阀位计算。直流量信号通过公式（2）计算实际阀位，零点和满点直接采用4 mA 和20 mA 即可：

对于该三菱机组电液（E/H）转换器而言，闭环控制的实测值（PV）和设定值（SP）都是油压百分比信号，并非实际的阀门开度，因此对应测点的显示描述要进行修改，防止误导运行人员。

改造后的伺服控制模块基本原理及阀位优选逻辑分别如图3和图4所示。

图3 改造后的伺服控制模块基本原理Fig.3 Fundamental of the modified servo control module

图4 改造后的伺服控制模块阀位优选逻辑Fig.4 Logic of valve position optimization of the modified servo control module

3.2 PI 算法调整

由于该机组电液（E/H）转换器接收的伺服电流直接作用于E/H 油压，油压越高则阀门开度越大，且由于伺服电流均为正电流，因此可以认为伺服正电流增大方向对应阀门打开，正电流减小方向对应阀门关闭。而伺服控制模块默认适配的电液（E/H）转换器为常规喷嘴挡板式伺服阀或DDV 阀形式，伺服电流输出存在正电流和负电流，在不考虑零位偏置的前提下，正电流增大方向对应阀门关闭，负电流增大方向对应阀门打开，与该三菱机组电液（E/H）转换器的情况相反。

为了适配该三菱机组电液（E/H）转换器，同时不能影响伺服控制模块原有的功能，适配过程中新增了一个参数“电流上限方向是否对应开阀”，用于切换两种使用场景。通过控制器下发该参数，当选择“否”时，阀位闭环控制PI 算法中的偏差E=PV-SP，即采用实测值减去设定值的偏差，PI 运算后输出伺服电流满足常规喷嘴挡板式伺服阀或DDV 阀的使用场景，即正电流增大方向对应阀门关闭，负电流增大方向对应阀门打开；当选择“是”时，阀位闭环控制PI 算法中的偏差E=SP-PV，即采用设定值减去实测值的偏差，PI 运算后输出伺服电流满足该三菱机组电液（E/H）转换器的使用场景，即正电流增大方向对应阀门打开，正电流减小方向对应阀门关闭。

3.3 自动标定算法调整

该自主可控DCS 配套伺服控制模块具备自动标定阀位的功能。该功能启用时，伺服控制模块会按照“预关阀”、“开阀”、“关阀”的顺序，依次输出40 mA，-40 mA，40 mA 的伺服电流，每一步序执行一段时间后判断阀门是否稳定，稳定则记录当前LVDT副边电压有效值差值作为零位或满位值，进行阀位标定[12-15]。

对于该三菱机组电液（E/H）转换器的特殊情况，应该对自动标定算法进行适配修改。2.2 节已经对电流变化方向对于开阀关阀的影响进行了说明，该问题在自动标定时也存在。因此，对于该三菱机组电液（E/H）转换器，启用自动标定时，伺服控制模块输出的电流值应该依次为0 mA，250 mA，0 mA。同时，由于这种情况下每一步之间电流变化幅度较大，对于卡件硬件、电液（E/H）转换器及阀门本体的寿命可能有影响，为此，额外增加了自动标定过程中的电流变化率限制，使自动标定时伺服电流输出更加平滑，保护设备，延长使用寿命。

3.4 伺服输出范围调整

自主可控DCS 配套伺服控制模块的伺服电流输出范围最大为-40～40 mA，而该三菱机组电液（E/H）转换器接收伺服电流范围为0～250 mA，存在不匹配的问题。由于硬件能力限制，仅靠伺服控制模块本身无法继续提高电流输出。因此，开发了专用的电流放大扩展模块，电流转换比例为固定的6.25 倍。实际使用时，将伺服控制模块的伺服输出端子接线至电流放大扩展模块的输入端，电流放大扩展模块的输出端接线至电液（E/H）转换器即可。同时在伺服控制模块程序中，将伺服电流下限从-40 mA 修改为0 mA，上限保持40 mA 不变，此时，伺服电流输出范围就等比例扩大到了0～250 mA，满足该三菱机组电液（E/H）转换器使用需求。为了提高可靠性，电流放大扩展模块还提供一副继电器触点，接入扩展从模块的DI 通道，用于表征电流放大扩展模块的电流输出是否断线，用于监视和报警。

4 应用情况

自主可控DCS 配套伺服控制模块对于该三菱机组电液（E/H）转换器的适配改造工作，主要通过修改内置应用程序、增加扩展从模块和电流放大扩展模块的方式进行，最终形成了3 块模块共同组成1 套伺服控制系统的组合，具体形式如图5所示。伺服控制模块用于接收上位机阀位（油压）指令，接收从模块通讯过来的油压信号反馈，并进行PI 运算，输出0～40 mA 的伺服电流至电流放大模块，电流放大模块将其转化为0～250 mA 的实际控制电流输出至电液（E/H）转换器，同时电流放大模块的输出断线报警接入扩展从模块，并通过背板通讯方式送至主模块，由主模块上送给DPU。

图5 改造后的伺服控制系统示意图Fig.5 System diagram of the modified servo control module

利用适配改造完成后的伺服控制系统，在该机组进行了阀门阶跃响应测试，如图6所示。从测试曲线看出，阀门控制响应动态特性良好，控制品质相较改造前有较大提升。

图6 改造后的阀门阶跃响应测试曲线Fig.6 Step response test curve of the modified servo control module

该套系统已于2020年11月在该电厂得到应用，适配情况良好，稳定运行中。

5 结语

该三菱350 MW 机组年代较为久远，使用的电液（E/H）转换器与现今常见的喷嘴挡板式伺服阀或DDV 阀都有所区别，进行DEH 系统改造时，配套标准伺服控制模块无法直接使用，故从以下几个方面进行了适配改造：

（1）阀位输入调整。开发扩展从模块接入直流量信号作为阀位输入，调整阀位优选逻辑。

（2）PI 算法调整。修改PI 算法中偏差的计算方式，适配电流变化与阀门开闭之间的关系。

（3）自动标定算法调整。修改自动标定逻辑，增加电流变化速率限制，延长阀门寿命。

（4）伺服输出范围调整。开发电流放大模块，对伺服电流进行等比例放大，适配电液（E/H）转换器的输入特性。

最终，在原自主可控DCS 产品的配套标准版伺服控制模块基础上，通过修改应用程序以及开发扩展从模块和电流放大模块的方式，形成了3 块模块共同组成1 套伺服控制系统的组合，用于1 套电液（E/H）转换器的油压闭环控制。这种组合形式的改造方案，无需对标准版伺服控制模块硬件进行改动，仅需根据伺服阀特性，选择选配扩展模块或电流放大模块，辅以软件层面的升级，具备较高的灵活性和工程应用价值。适配改造完成后，机组运行情况良好。本次适配改造的成功实施，为国内其他类似机组的改造提供了借鉴意义。