【行业动态】舰用航改燃气轮机通用控制系统研制及应用
摘要
为了为国产燃气轮机数控系统的选配提供1 种低成本、可靠、易用的解决方案，开发了舰用航改燃气轮机通用控制系统。介绍了该通用控制系统的研制方法、应用以及总体研制方案，列举了各部件的设计原理和结构、设计特点以及技术性能指标。舰用航改燃气轮机通用控制系统采用模块化、通用化设计思想，EtherCAT实时以太网通讯技术，3 余度的设计架构，提高了设计效率，缩短了设计周期，降低了设计成本，提高了系统的可靠性，在燃气轮机控制领域具有非常广的应用前景。
燃气轮机已经在军民用领域得到了广泛应用，其控制系统也从模拟式电子控制系统发展成数字电子控制系统。早在20 世纪70 年代，GE 公司的LM1500 燃气轮机就采用了由模拟式电子控制器实现逻辑时序控制、由液压机械式控制器实现燃油控制的混合式控制系统。到90 年代，燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。又经过十多年的发展，燃气轮机控制领域已有多种数字控制系统。近年来，燃气轮机的数字电子控制系统已经实现了标准化、系列化的发展，硬件实现了模块化，并提供菜单式的控制软件开发平台。目前国内工业燃气轮机控制系统基本被国外公司垄断，通常通过购买国外公司的模块产品进行系统集成与二次开发，不具备自主知识产权，并且以这种方式开发的产品，无法满足现行国产燃气轮机对数控系统的电子控制柜在功能、性能以及环境等方面提出的苛刻要求。
本文提出了1 种舰用航改燃气轮机通用控制系统的设计思想，并简要阐述了实现方案。
根据控制对象的要求，舰用航改燃气轮机控制系统有下列功能：燃气轮机起动前检查；燃气轮机起动控制（假起动、冷吹、油封、启封、正常起动）；慢车转速控制；加减速控制；动力涡轮转速控制；燃气轮机输出功率控制；停车控制；转速限制和独立保护；温度限制（包括起动过程）；扭矩限制；对各辅助系统的控制；燃气轮机的状态保护（降工况保护、停车保护、预警保护）；与燃气轮机相关设备连锁与匹配；燃气轮机状态监视、系统故障自检与重构、信息存储能；与上级控制系统、机旁操纵系统通讯。
航改燃气轮机数控系统的电子控制器通过传感器与舰船的通讯接口以及开关量接口，接收来自舰船和燃气轮机的状态信号、指令，由电子控制器按照对应燃气轮机调节计划和控制规律计算出不同状态的燃油流量、可调叶片角度及相关的电磁阀等开关量信号。电子控制器将输出的控制信号送到燃油、导叶供油装置，经相应装置转换和放大，给出相应燃气轮机燃油流量、可调叶片角度。同时通过位移传感器反馈信号到电子控制器，构成位置闭环控制。电子控制器开关量通过电子控制器内部的处理电路和外部的电气转换装置放大后输出，驱动起动、点火、停车等操作。同时通过通讯接口将燃气轮机的重要参数传递到监控计算机。监控计算机对燃气轮机的性能、寿命、振动和滑油系统等进行监控，给出报警信号，储存数据，记录燃气轮机的工作状态及工作时间。
舰用航改燃气轮机通用系统在某型综合电子控制柜研制的基础上，紧随国际技术发展趋势，采用模块化、通用化设计思想，采用Ethercat 实时以太网通讯技术提高了设计效率，缩短了设计周期、降低了设计成本，提高了系统的可靠性。
2.1 通用控制系统方案
通用控制系统采用开放性的模块结构。硬件采用标准化、系列化的模块，软件设计成可选择的标准控制模块和接口，液压机械装置设计成通用的模块化的部件和组件。这就使整个控制系统的设计变为功能模块的选择、匹配和调整。如硬件设计就是根据燃气轮机信号通道数量和接口需求选择合适的硬件模块，按控制规律和要求选择合适软件模块，根据燃油和导叶的控制要求选择合适液压机械装置。采用成熟的模块不仅使各系统的功能、性能都有保证，而且各部件仅需要进行部分调整就能满足要求，从而缩短研发周期、节省研发费用、提高系统的可靠性，也便于实现性能改进和功能扩展。
通用控制系统的原理如图1 所示。控制系统接收来自控制室或监控台的控制信号，对燃气轮机的起动、加速、减速、稳态工况运行以及停车和重要参数限制实施全面的自动控制和安全保护，从而实现对燃气轮机辅助系统的监测和控制和对燃气轮机的故障诊断和重要参数的记录、存贮和通讯。
2.2 通用控制系统部件的设计
通用控制系统由电子控制器、控制软件、液压机械装置这3 个主要部件组成。
2.2.1 电子控制柜设计
控制柜主要由3余度控制器、控制软件、独立超转保护器、机柜、继电器箱、电源等部件组成。控制柜底部和背部设计有钢丝绳减振器，采用前开门、顶部进出线方式[12]。
控制器由主CPU、AD、DA、FI、IO 等模块组成，各模块自带CPU 处理器，模块之间通过Ethercat 工业实时以太网连接，电子控制器原理如图2 所示。
控制器的各种功能模块之间用Ethercat 连接并完成数据交换。各模块既可以集中到一起也可以分散到燃气轮机的各部分，通过Ethercat 实现实时信息交流和控制。通讯带宽可达到100M。
EtherCAT采用主、从站的方式，每个CPU 模块作为主站与各从站（I/O 模块）形成1 个EtherCAT 网，实现实时控制。CPU 模块可多个选择，并根据需要实现功能扩展。各主站（CPU 模块）间通过通讯模块或普通以太网协议通讯软件。
2.2.2 控制软件开发
以往的燃气轮机数控系统软件开发过程，一般针对实际控制器硬件平台编制1 套控制软件，由于硬件相关软件与顶层控制软件界限不明，使得控制软件移植到不同硬件平台时工作量很大，且不利于维护。如果借鉴操作系统中对软件层次的划分原则，使得同一功能的外设均具有一致的驱动程序接口，同一类型的底层操作均具有一致的IO 系统接口，可以极大提高控制软件的可移植性和可维护性。
控制软件由CPU 模块的控制应用软件和其它通用模块底层软件组成。
底层软件与模块一一对应。模块的底层软件主要实现通用模块采集、输出或信息交互功能，并与其它模块通讯、传递和接受信息，实现控制系统功能。CPU模块的控制应用软件通过与底层软件，根据模块的特点进行功能的初始选择和配置,软件架构如图3所示。
控制软件设计过程中1 个十分重要的工作是Ethercat实时以太网通讯软件包的开发。通讯软件包需实现电子控制器各模块的初始化、过程数据收发、通讯故障诊断等功能。
2.2.3 液压机械装置设计
液压机械装置采用分体式和模块化设计。根据具体燃气轮机的需要，对高压燃油泵、燃油计量装置、导叶调节装置及燃油分布器等部件，自由组合液压机械装置配合使用。
液压机械装置具有完成系统的燃油计量、可调叶片角度控制、应急放油等功能。各装置的部件应具有调整功能，可根据不同功率燃气轮机需要通过适应性调整或更换部件满足要求。航改燃气轮机通用控制系统样机液压机械装置结构如图4 所示。
2.3 航改燃气轮机通用控制系统的特点
（1）航改燃气轮机通用控制系统采用开放性的模块结构。硬件采用标准化、系列化的模块，软件设计成可选择的标准控制模块和接口，液压执行机构设计成通用的模块化的部件和组件；
（2）控制柜采用3 余度设计，基于对3 冗余硬件平台的故障重构和表决技术的使用，极大地提高了控制柜的任务可靠性；
（3）采取了多重电磁兼容性设计措施，提高了产品抗干扰能力，适用于燃气轮机复杂运行环境；
（4）采用模块差异的归一化技术，通过设计模块标定信息存储器消除每种类型模块间由于硬件特性带来的差异；
（5）开发了基于实时以太网的分布式智能模块Bootloader 软件，使得智能模块的软件可远程升级，且升级效率大幅提高；
（6）国内首个采用实时网络通讯的舰用航改燃气轮机数控系统，改变了系统结构构成，提高系统的通讯能力。控制器的各种功能模块之间用实时以太网进行连接，完成数据交互。各模块既可以集中到一起，也可以分散到燃气轮机的各部分，为分布式设计打下基础。
舰用航改燃气轮机通用控制系统研制的样机在QC185 燃气轮机上进行了配机试验，满足QC185 燃气轮机的控制要求。台架试验曲线如图5 所示，性能指标比较见表1。
本文介绍了具有自主知识产权的航改燃气轮机通用控制系统的方案和设计思想，简要描述了电子控制器、控制软件和液压机械装置3 个主要部件的设计，并介绍了舰用航改燃气轮机通用控制系统研制样机在QC185 燃气轮机上的应用。
舰用航改燃气轮机通用控制系统将为国产燃气轮机数控系统的选配提供1 种拥有自主知识产权的低成本的、可靠的、易用的解决方案，从而打破国外产品在燃气轮机控制领域的垄断局面。
来源：本文原载于《航空发动机》第42卷第4期，作者：薛玮，张力辉。
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