IS220PPROH1A là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển Mark VIe của GE, đại diện cho một mẫu cụ thể của gói I/O Bảo vệ tuabin dự phòng (PPRO). Mô-đun này được thiết kế để cung cấp các chức năng bảo vệ dự phòng độc lập với hệ thống điều khiển chính, đảm bảo thực hiện đáng tin cậy các hoạt động quan trọng về an toàn như bảo vệ quá tốc độ tuabin và kiểm tra đồng bộ hóa máy phát điện trong trường hợp xảy ra lỗi điều khiển chính. PPROH1A kết hợp bo mạch xử lý BPPB, mang lại độ tin cậy cao và hiệu suất thời gian thực phù hợp với nhiều loại tuabin khác nhau, bao gồm tua bin khí và tua bin hơi nước. Thiết kế của nó tuân thủ các tiêu chuẩn kiểm soát công nghiệp và đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, với phạm vi nhiệt độ hoạt động từ -30°C đến 65°C.
IS220PPROH1A thường được triển khai trong cấu hình Dự phòng mô-đun ba (TMR), hoạt động cùng với các bảng đầu cuối SPRO, TPROH#C hoặc TREA. Nó kết nối với bảng hành trình khẩn cấp (ví dụ TREG, TREL, TRES) thông qua cáp có đầu nối chân DC-37. Mô-đun này cũng hỗ trợ giao tiếp Ethernet (IONet) để theo dõi trạng thái và trao đổi dữ liệu với bộ điều khiển chính. Là cốt lõi của hệ thống bảo vệ dự phòng, PPROH1A sở hữu cả khả năng phát hiện quá tốc độ dựa trên phần cứng và phần sụn, đồng thời tích hợp nhiều chức năng chẩn đoán và giám sát. Điều này đảm bảo hệ thống có thể phản ứng kịp thời với những bất thường, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị hoặc sự cố an toàn.
Mô tả chức năng chi tiết
IS220PPROH1A cung cấp một số chức năng bảo vệ chính bao gồm giám sát tốc độ, phán đoán logic, điều khiển rơle và tương tác với hệ thống điều khiển chính. Các chức năng chính của nó được trình bày chi tiết dưới đây:
1. Bảo vệ quá tốc độ
Bảo vệ quá tốc độ là một trong những chức năng cốt lõi của IS220PPROH1A. Mô-đun này nhận được ba tín hiệu tốc độ từ bộ thu từ tính (MPU), tương ứng với các trục Áp suất cao (HP), Áp suất trung gian (IP) và Áp suất thấp (LP). Phát hiện quá tốc độ được thực hiện trong cả phần cứng và phần sụn. Việc bảo vệ quá tốc độ phần cứng hoàn toàn dựa trên các mạch logic lập trình được, độc lập với phần mềm, với thời gian phản hồi dưới 60 ms. Điểm cài đặt của nó (OSHW_Setpoint) chỉ được tải trong quá trình bật nguồn mô-đun, đảm bảo hoạt động hiệu quả ngay cả khi phần sụn bị lỗi. Việc ngắt quá tốc độ phần cứng yêu cầu hai vòng quay trục liên tiếp để vượt quá điểm đặt, ngăn chặn việc ngắt sai.
Bảo vệ quá tốc độ phần sụn dựa trên tính toán của bộ xử lý và hỗ trợ điều chỉnh điểm đặt động. Người dùng có thể đặt ngưỡng vượt tốc độ thông qua các thông số cấu hình và hỗ trợ cả chế độ kiểm tra trực tuyến và ngoại tuyến. Ngoài ra, mặc dù cấu hình PPROH1A có thể bao gồm các tham số cho tính năng 'Vượt tốc độ dựa trên tốc độ' (RBOS), nhưng điều quan trọng cần lưu ý là chức năng RBOS KHÔNG được hỗ trợ trên chính phần cứng PPROH1A; tính năng này chỉ có ở mẫu PPRS1B. Nếu RBOS được bật trong cấu hình cho PPROH1A, hệ thống sẽ phát sinh lỗi và ngăn mô-đun trực tuyến.
2. Phát hiện tăng tốc và giảm tốc
Mô-đun tính toán tốc độ thay đổi tốc độ (tăng/giảm tốc) cho từng trục trong thời gian thực. Chuyến đi được kích hoạt nếu các giá trị này vượt quá ngưỡng được định cấu hình. Tính toán gia tốc dựa trên sự khác biệt giữa hai mẫu tốc độ liên tiếp trong khoảng thời gian có thể định cấu hình (10–100 ms). Phát hiện giảm tốc sử dụng ngưỡng cố định 100%/giây. Chức năng này ghi lại động lực học bất thường của tuabin, chẳng hạn như mất tải đột ngột hoặc giật cơ học.
3. Phát hiện khóa trục LP
Đối với tuabin nhiều trục, IS220PPROH1A cung cấp khả năng phát hiện khóa trục LP. Nếu tốc độ trục HP cao hơn ngưỡng tốc độ tối thiểu trong khi tốc độ trục LP vẫn bằng 0, mô-đun sẽ xác định đây là hiện tượng khóa trục LP bất thường và tạo ra tín hiệu ngắt. Chức năng này ngăn ngừa hư hỏng thiết bị do lệch trục.
4. Giám sát dừng khẩn cấp (E-Stop)
IS220PPROH1A giám sát tín hiệu E-Stop từ bảng đầu cuối TREG hoặc TREA. Khi E-Stop được kích hoạt, mô-đun sẽ ngay lập tức cắt ngang hệ thống điều khiển chính và ngăn không cho rơ-le ngắt cấp điện. Trạng thái E-Stop được báo cáo theo thời gian thực thông qua tín hiệu phản hồi (KESTOP#_Fdbk), đảm bảo hệ thống luôn ở trạng thái an toàn.
5. Phát hiện chênh lệch tốc độ
Mô-đun so sánh tốc độ xung được tính toán (RPM) của chính nó với tín hiệu tốc độ (Tốc độ1) do hệ thống điều khiển chính cung cấp. Nếu chênh lệch vượt quá ngưỡng đã đặt (dựa trên phần trăm tốc độ định mức) trong ba giai đoạn mẫu liên tiếp, thì hành trình chênh lệch tốc độ sẽ được kích hoạt. Chức năng này phát hiện lỗi tín hiệu tốc độ điều khiển chính hoặc sự bất thường trong giao tiếp.
6. Cơ quan giám sát điều khiển chính và giám sát truyền thông
IS220PPROH1A nhận tín hiệu 'nhịp tim của thiết bị' từ bộ điều khiển chính thông qua INet. Nếu không phát hiện thấy cập nhật nhịp tim trong năm khung dữ liệu liên tiếp, thì việc mất liên lạc điều khiển chính sẽ được xác định, gây ra chuyến đi giám sát. Đồng thời, mô-đun giám sát trạng thái đồng bộ hóa khung Ethernet. Lỗi số khung nhất quán cũng sẽ kích hoạt hành động bảo vệ.
7. Chức năng kiểm tra đồng bộ (K25A)
IS220PPROH1A hỗ trợ kiểm tra đồng bộ giữa máy phát và bus tiện ích. Mô-đun tính toán điện áp, tần số, góc pha và độ trượt dựa trên hai đầu vào PT (phía máy phát và phía bus). Khi tất cả các tham số nằm trong cửa sổ cài đặt (ví dụ: chênh lệch tần số ≤ 0,27 Hz, độ lệch pha ≤ 10°) và tín hiệu cho phép đồng bộ hóa (SynCk_Perm) đang hoạt động, nó sẽ cấp điện cho rơle K25A, cho phép bộ ngắt mạch đóng lại. Chức năng này cũng bao gồm logic bỏ qua đóng bus chết.
8. Điều khiển rơle tự sát servo (K4CL)
Trong các hệ thống điều khiển đơn giản, IS220PPROH1A có thể điều khiển rơle K4CL để buộc đóng van nhiên liệu hoặc van hơi. Chức năng này thường bị vô hiệu hóa trong quá trình kiểm tra tốc độ quá mức trực tuyến để ngăn chặn việc kích hoạt ngoài ý muốn.
9. Đầu ra rơle ngắt và tiết kiệm
Mô-đun này cung cấp ba lệnh truyền động Rơle hành trình khẩn cấp (ETR1–ETR3) và hỗ trợ điều khiển cho ba Rơle tiết kiệm (KE1–KE3). Rơle tiết kiệm được sử dụng để đưa điện trở nối tiếp vào đường dẫn cuộn dây điện từ sau khi lấy điện, giảm dòng giữ và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
10. Tự chẩn đoán và chỉ báo trạng thái
IS220PPROH1A có tính năng tự chẩn đoán toàn diện, bao gồm:
Tự kiểm tra khi bật nguồn: Kiểm tra RAM, bộ nhớ flash, cổng Ethernet và phần cứng khác.
Giám sát nguồn điện: Liên tục theo dõi trạng thái nguồn điện bên trong.
Kiểm tra dòng điện phản hồi: Xác minh tính nhất quán trong các mạch điều khiển rơle.
Kiểm tra sự phù hợp của phần cứng: Đảm bảo khả năng tương thích giữa bo mạch đầu cuối, bo mạch thu nhận và bo mạch xử lý.
Bảng mặt trước có sáu đèn LED hiển thị trạng thái Chạy, E-Stop, Quá tốc độ, Cơ quan giám sát, Đồng bộ hóa và Tùy chọn. Chế độ đèn LED xoay cũng có thể được cấu hình, cung cấp chỉ báo trực quan về trạng thái đồng bộ hóa thời gian của hệ thống trên bộ TMR.
Nguyên tắc làm việc được giải thích
Logic bảo vệ của IS220PPROH1A dựa trên sự phối hợp của các mạch phần cứng, logic lập trình và phần sụn. Nguyên lý làm việc của nó được giải thích từ ba khía cạnh: kiến trúc hệ thống, luồng tín hiệu và xử lý logic.
1. Kiến trúc hệ thống và luồng tín hiệu
Mô-đun IS220PPROH1A cắm trực tiếp vào bảng đầu cuối SPRO, TPROH#C hoặc TREA, trao đổi dữ liệu qua đầu nối chân DC-62. Tín hiệu tốc độ từ cảm biến MPU được điều chỉnh bởi bảng đầu cuối trước khi đi vào kênh đầu vào tốc độ xung của mô-đun. Tín hiệu điện áp PT đi vào các kênh đầu vào tương tự của mô-đun thông qua mạch phân phối quạt (TPRO) hoặc trực tiếp (SPRO).
Bên trong, bo mạch xử lý BPPB thực thi các thuật toán bảo vệ, trong khi bo mạch ứng dụng chuyên dụng (BPRO) xử lý logic cấp độ phần cứng, chẳng hạn như so sánh tốc độ phần cứng và điều khiển rơle. Tất cả các tín hiệu đầu vào đều được phần mềm số hóa và xử lý để đưa ra các quyết định hợp lý. Tín hiệu đầu ra điều khiển các cuộn dây ngắt thông qua các mạch điều khiển rơle. Mô-đun trao đổi dữ liệu Không gian tín hiệu với hệ thống điều khiển chính qua INet để theo dõi trạng thái và cấu hình tham số.
2. Nguyên tắc bảo vệ quá tốc độ
Việc phát hiện quá tốc độ phần cứng được thực hiện hoàn toàn bằng logic lập trình, bỏ qua bộ xử lý. Tín hiệu xung tốc độ được chuyển đổi thành RPM bằng tham số PRScale và được so sánh với OSHW_Setpoint đặt trước. Nếu hai chu kỳ quay liên tiếp biểu thị tốc độ quá mức, tín hiệu ngắt phần cứng (OS#_HW_Trip) sẽ được kích hoạt. Con đường này phản ứng nhanh và rất mạnh mẽ, đóng vai trò là tuyến phòng thủ cuối cùng của hệ thống.
Phát hiện quá tốc độ của phần sụn dựa trên giá trị tốc độ được tính toán bởi bộ xử lý, hỗ trợ các chế độ kiểm tra và điều chỉnh điểm đặt động. Người dùng có thể sửa đổi ngưỡng trong thời gian thực thông qua các tham số Không gian tín hiệu (ví dụ: OS#_Setpoint). Phần sụn cũng hỗ trợ chức năng 'Dự đoán chuyến đi' cho các ứng dụng tua bin hơi nước, tự động điều chỉnh điểm đặt quá tốc độ dựa trên tải.
3. Logic kết hợp tín hiệu chuyến đi
Tất cả các tín hiệu ngắt được tạo ra bởi các chức năng bảo vệ (ví dụ: vượt tốc, tăng tốc, E-Stop, hết thời gian theo dõi) được kết hợp thành tín hiệu ngắt tổng hợp (ComposTrip1). Tín hiệu này trải qua logic biểu quyết (2 trên 3 trong hệ thống TMR) trước khi điều khiển rơle ngắt. Logic chuyến đi được chia thành các đường dẫn trực tiếp (ví dụ: vượt tốc độ phần cứng và đầu vào tiếp xúc trực tiếp), bỏ qua phần sụn để đảm bảo hoạt động ngay cả khi bộ xử lý bị lỗi và các đường dẫn có điều kiện, phụ thuộc vào đánh giá tình trạng giao tiếp.
4. Đồng bộ hóa thuật toán kiểm tra
Chức năng kiểm tra đồng bộ hóa sử dụng kỹ thuật Vòng khóa pha (PLL) để theo dõi pha điện áp và tần số của máy phát và bus trong thời gian thực. Mô-đun tính toán:
Chênh lệch điện áp (GenVoltsDiff)
Chênh lệch tần số (GenFreqDiff)
Chênh lệch góc pha (GenPhaseDiff)
Khi tất cả các tham số đều nằm trong giới hạn được định cấu hình và tín hiệu SyncCheck_Perm là đúng, mô-đun sẽ xuất tín hiệu L25A_Cmd để cấp điện cho rơle K25A. Nếu chế độ bỏ qua (SynCk_ByPass) được bật, việc đóng được cho phép trong điều kiện bus chết.
5. Cơ chế truyền thông và giám sát
IS220PPROH1A duy trì liên lạc với bộ điều khiển chính thông qua INet, cập nhật tín hiệu nhịp tim ở mỗi khung hình. Nếu giao tiếp bị gián đoạn, bộ đếm của cơ quan giám sát sẽ tăng lên, cuối cùng kích hoạt ngắt. Mô-đun này cũng giám sát đặc tính 'hòa sắc' của tín hiệu tốc độ của điều khiển chính: nếu giá trị tốc độ không thay đổi trong nhiều khung hình liên tiếp thì nó được đánh giá là 'Tốc độ cũ' kích hoạt hành động bảo vệ. Các cơ chế này đảm bảo hệ thống dự phòng có thể phát hiện kịp thời các bất thường trong điều khiển chính và tiếp quản các chức năng bảo vệ.
6. Điều khiển rơ-le và phản hồi
Lệnh điều khiển rơle ngắt (ETR) được xác định bởi tín hiệu ngắt tổng hợp và tín hiệu kích hoạt. Mô-đun này giám sát đồng thời các tín hiệu phản hồi rơ-le (K#_Fdbk) và điện áp điện từ (SOL#_Vfdbk) để đảm bảo trạng thái lệnh khớp với trạng thái thực tế. Nếu phát hiện thấy sự khác biệt, cảnh báo chẩn đoán sẽ được tạo ra (ví dụ: Cảnh báo 69–71).
