(2020年){安全生产管理}级风机独立安全链中基于
8页1、安全生产管理级风机独立安全链中基于发展,利用FPGA芯片实现精确的纯硬件超速保护已成为可能。本文正是应用ALTERA公司的ACEX1K系列芯片的强大功能,来实现超速保护安全控制。2风机安全链的特点风机的安全系统是失效-安全控制模式,由于独立安全链的存在,不会导致任何叶片向小的桨距角方向变距或导致风机的加速度旋转。风机的安全链是一个硬线电路,所有为触发紧急停机1或紧急停机2的触点都是串联的。安全环中的触点有:1)紧急停机按钮1+2在机舱中;2)紧急停机按钮3在塔底;3)风轮超速保护开关;4)振动开关;5)变桨距系统的一个触点;6)风机控制器的一个触点(触发此触点的错误被列在错误列表中);7)辅助触点,电路断流器/变频器;8)解缆3圈(机械触发)。如果安全链被打断,则一个自锁继电器被释放,此继电器可以被人工复位,也可以在电网故障后恢复时通过脉冲继电器复位。但风机安全链不能远程复位。如果风轮超速保护开关的安全环节失效,则可能导致风机飞车,造成无可挽回的经济损失。而风轮速度是独立安全链系统中唯一需要精确测量的参数,为确保这个环节的可靠有效和必要的灵敏度,纯硬件的智能超速保护产品是非常重要的。由
2、于不能使用依赖于软件运行的智能控制器,只有现场可编程阵列芯片(FPGA)能实现纯硬件的智能超速保护。3FPGA芯片的特点FPGA近年来在国内发展得非常快,它以编程方便灵活、集成度高、处理速度快、低功耗、高性价比、可靠性高等优点受到了广大电子设计人员的青睐。特别是在数字信号处理领域,现场可编程门阵列(FPGA)得到了广泛的应用。ALTERA公司的ACEX1K系列芯片EP1K30TC144-3具有强大功能,其处理数据的速度能达到ns级。作为该设计系统中的主处理器,可以满足实时性的要求。其规模相当于5万门阵列,对应的配置芯片为EPC1。芯片最多可用的IO脚102个,可用RAM总共有24576Bits,最大可用LE个数1728。足够满足系统设计的需要。要使EP1K30TC144-3芯片能正常工作,需要两种电源,即VCCINT和VCCIO。VCCINT是提供芯片内核工作的电源,必须保持恒定的2.5V直流供电。VCCIO是芯片输入输出引脚工作电源,根据输入输出的设备不同,可以接2.5V、3.3V或5.0V。每个ACEX1K芯片都具有一个功能强大的内部门阵列,可以用来实现内存和专门的复杂逻辑功能,也
3、可以用来实现普通的简单逻辑的功能。这些逻辑功能的实现可以用VHDL编程语言或功能框描述来设计完成,并且编程烧录的一次性写入的配置芯片中运行。芯片的每个I/O引脚兼容TTL标准和CMOS标准,并且有独立的配置寄存器,通过此寄存器的设置,可配置I/O引脚的集电极开路方式,支持信号电平的转换,便于系统外围的扩展。4超速保护的FPGA功能块连接图1说明了超速保护的FPGA顶层模块框图。报警设定频率为BCD码输入,为了将BCD码转换成二进制数,因此选用乘加模块altmult_add,该模块具有三组乘加输入和一组13位数据宽度的输出。风轮输入的脉冲频率范围较低,在099.9Hz之间,因此采用测量输入脉冲脉宽的方法。选用2个5位数据宽度的比较模块lpm_pare和1个5位数据宽度的计数模块lpm_counter来确定输入脉冲脉宽测量的计数宽度(以输入脉冲上升沿为准)。同时采用频率为100kHz的计数脉冲通过宽度为23位的计数模块lpm_counter来测量输入脉宽。为防止误动作选用锁存触发器dff输出报警信号。图2说明了超速保护的FPGA时序图。fs频率为1MHz晶振提供,进行分频后得100kHz作
4、为计数脉冲。fx为输入脉冲,范围在在099.9Hz之间,fpga_out为超速保护输出,高电平为输出报警状态。BH,B,BL为设定脉冲频率的BCD码,N为脉宽采样的个数。图1FPGA顶层功能框图图2FPGA时序图5超速保护安全链的实现原理5.1BCD码转换二进制数的实现方法将用BCD码设定的报警频率099.9Hz转换成二进制的数据,需要进行以下运算。由于小数无法表示,所以在开始整个运算前把小数点向右移一位(即XX.XXXX),同时把所测频率fx也乘以10(即fx10fx)。BH为设定频率的百位,B为设定频率的十位,BL为设定频率的个位,因此可得到等式BH100+B10+BL,设该等式的值为ft。如此,需要乘加模块altmult_add有3组乘加输入,而固定的输出数据宽度为13位。5.2脉宽测量计数宽度的实现方法超速保护通过测量输入风轮脉冲的脉宽来确定报警保护状态,为去除输入的波动,需要测量多个输入脉冲的脉宽取平均值。这就要求脉宽测量计数器的计数宽度可变(N1)。实现的方法是运用1个计数器和2个比较器完成的。首先用计数器对被测频率fx进行015之间的计数(N的设定范围为116),其次利用
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