李洋等
摘要介绍汽轮机监视仪表（TSI）在我国的应用和发展状况，阐述了TSI国产化的意义和可能性，并给出了一种国产TSI方案及其在330MW汽轮机组中的应用实例。
汽轮发电机是电力行业的关键设备，一旦发生故障，造成的损失非常严重。汽轮机监视仪表（TSI）在机组启停和正常运行中，实时监测转子／轴承振动、偏心、轴向位移、胀差、缸胀、转速等参数，并提供超限报警、停机保护等功能，对汽轮机组的安全运行起着重要的作用，已成为汽轮机组必不可少的关键设备之一。
一、TSI在我国的应用和发展状况
1．概述
自20世纪80年代中期，我国电力行业引进了当时具有国际先进水平的TSI系统，如飞利浦公司RMS700和本特利3300等，对于保障汽轮机组安全运行，提高我国汽轮机组的维护管理水平，起到了积极作用。
由于我国当时电子系统的硬件开发水平、元器件质量、加工工艺均落后于发达国家，使得国产TSI的硬件可靠性、稳定性较差，从而影响了TSI的国产化进程。
2．进口TSI存在的问题
目前进口，TSI存在以下主要问题：
(1)正在运行的大部分TSI是20世纪80年代后期引进的，相对今天而言，技术落后，仅具有监测保护的基本功能，所反映的机组运行状态信息量较少，难以适应对机组运行管理水平不断提高的要求；
(2)进口设备经长期运行，出现老化问题，故障率提高，许多型号产品国外早已停产，维护和更换备件十分困难，备品价格昂贵；
(3)进口产品都是按照国外的生产管理方式、行业技术标准、运行人员操作习惯设计，不适应我国的实际情况，例如，全英文的操作界面和复杂的操作方法，限制了进口TSI在我国电力生产中发挥作用；
(4)出于战略上和技术保密的要求，西方国家对出口到我国的关键设备的核心技术，如软件处理方式及数据格式等均不对我国用户开放，使得国内众多高校、科研院所在转子动力学和机械故障诊断方面开发的大批具有国际先进水平的应用软件不能利用进口TSI的数据资源，只能进行二次数据采集和重复投入，造成了很大的资源浪费，也使得昂贵的进口产品只能用作初级的监视数值、报警保护仪表，所能扩展的数据分析、故障诊断等高级功能不能得以充分利用；
(5)进口TSI对中国市场的绝对垄断，使得其主机和备品的价格昂贵，供应周期较长；一旦国际局势突变，不稳定的备品供应将严重影响我国电力生产的安全稳定。
解决上述问题面临两条道路：一是花费大量外汇从国外进口整套设备，去更新这些老系统；二是在借鉴、吸收国外先进技术的基础上，结合我们的优势和实际需要，走国产化的道路。
二、TSI国产化的条件
目前，TSI系统国产化的条件已经具备，这是因为：
1．近十年来，我国电子技术的发展突飞猛进，例如大容量程控交换机、移动通信设备的硬件系统的复杂性和可靠性要求都很高，而目前所用的许多先进通讯设备已完全能够国产化，这也说明TSI的国产化已具备了相应的技术基础。
2．随着我国加入WTO，电子市场日益开放，我们已经可以与国外公司基本同步地采购到先进的集成电路和高品质元器件；发达国家的产业布局调整，使得大量世界一流的电路板生产和装配企业转移到中国，使我国成为世界主要的电子产品加工基地之一，这些都为TSI的国产化奠定了物质基础。
3．通过十多年的产品引进，使我们对各类进口TSI的电路设计技术有了全面、深入的了解，为TSI的国产化提供了可借鉴的思想和方法，可大大缩短国产化研制的进程。
三、TSI国产化的技术方案
1．进口TSI产品的技术特点
(1)普遍采用标准化的单元模块结构；
(2)各模块均内置单片机，实现模块的自诊断、传感器OK检测、数据通信、监测报警等功能；
(3)通过上位机软件组态设置模块参数；
(4)通过RS232/RS485总线与上位机进行数据通信，数据传输可靠性和速率较低；
(5)电源模块采用双重冗余结构，提高系统可靠性；
(6)硬件电路中过压、过流等保护措施较全面，加工工艺优良；
(7)传感器的稳定性和一致性好；
(8)组态软件及上位机分析软件多为英文界面，操作复杂，不符合我国机组维护人员使用习惯；
(9)模块种类较多，兼容性较差，导致备件品种繁多；
(10)除本特利3500外，其余TSI的各模块之间因数据通讯速率低而难以组成网络化的实时监视保护系统。
2．国产化TSI的技术方案
影响TSI系统可靠性的因素依次为系统设计、元器件质量、制造检测三个方面。为优化TSI的系统设计，在借鉴国外先进IN的优点，克服其缺点的基础上，完全按照国际标准和行业规范要求，采用比进口TSI更先进的CAN总线网络化系统结构，首先从设计上保证系统可靠性。
(1)国产化TSI的系统设计
国产化TSI系统为提高实时性和可靠性，采用多CPU网络化模块结构，如图1所示。
各模块间通过隔离的CAN总线组成高速网络化系统。由于CAN总线卓越的特性和极高的可靠性，特别适合工业现场应用，已成为现场总线的新国际标准（IS011898），与其他网络的区别体现在：首先，它是一种专门用于工业自动化领域的网络，不同于以太网等管理信息网络；其次，它采用了可靠的校验技术及独特的硬件设计，性能及可靠性远高于已经陈旧的现场总线技术，如RS485、BITBUS等。
国产化TSI的系统设计遵循以下原则：
①采用符合国际标准的单元模块式结构，安装于标准框架和机柜中，与本特利3500工作模式完全相同；
②每个监视功能模块采用数字信号处理器加通信微控制器的双CPU并行处理结构，比进口TSI的单CPU结构具有更快的处理速度和通信速率。双CPU分工协作，共同完成原来由一个CPU完成的模块自检、传感器自检、监视保护、数据采集和计算、数据通信等复杂的任务，提高了系统的实时性和可靠性；
③具有符合行业规范的前面板缓冲信号输出和后面板4～20mA标准输出，具有报警、危险开关量输出；
④各模块的信号输入及传感器供电均有独立的过压短路保护和传感器OK检测电路，检测到传感器故障，可通过面板LED指示并切断通道“报警”和“危险”输出，避免误动作；
⑤主电源采用三重冗余模块式电源（进口TSI为二重冗余），各模块供电采用最先进的全分布式独立供电系统（MMS6000仍为传统的集中式供电系统），任何模块的电源故障不会影响其它模块工作（集中式供电系统则有可能影响其它模块）；
⑥各模块采用比RS485更先进的现场总线CAN总线与上位机进行数据通信，构成完全网络化的BI系统，数据通讯速率最高达1Mbps，并具有极高的通信可靠性；
⑦一种监视模块就可完成轴振、轴承振动、轴向位移、胀差、缸胀等监测功能，各通道功能可由组态软件设置，模块种类减少为4种，即键相／偏心模块、监视模块、输入输出模块、电源模块，同类型的模块之间都具有互换性，大大减少了备品种类和数目；
⑧各模块功能和参数均可由上位机通过组态软件设置，一次组态后，即可保存到非易失性存储器中，断电也不会丢失；
⑨各监视模块都采用先进的即插即用技术，同类型的模块之间具有完全的互换性，例如，某一监视模块拔出后，换上另一块监视模块，该模块可自动完成参数设置，不需要重新组态；
⑩各模块都可带电拔插而不会发生任何损坏；
⑾各模块的供电电源均采用DC/DC隔离，各模块之间以及与上位机之间的数据通信均采用高速光耦隔离，各模块的“报警”、“危险”开关量输出也采用光耦隔离，各模块与母板之间的数字信号均采用光耦隔离，严密的隔离措施保证了系统的稳定性和抗干扰性；
⑿监视模块的AID转换速率最高可达到500K/s，支持键相同步采样模式；
⒀上位机软件按照我国现场维护人员习惯设计，界面为全中文方式，简单易用；
⒁上位机软件包括：网络通信模块、硬件组态模块、显示分析模块、历史追忆模块等，可实时显示各通道波形、棒图、轴心轨迹、频谱、轴心位置、Bode图、历史趋势等图形，辅助进行故障诊断，指导运行人员操作调整；
⒂上、下位机软件均可根据不同要求修改或定制，并可为国内的其它诊断分析软件提供开放的数据接口和硬件平台，提高了系统的资源利用率；
⒃可使用本特利、飞利浦、EPRO等公司的传感器，也可兼容大部分国产传感器。
(2)国产化TSI的元器件选型及制造检测
TSI系统中使用多种元器件，按其对系统可靠性影响的大小排序，依次主要为：传感器、供电电源、接插件、集成电路、分立器件等。
MI系统可选美国本特利公司传感器产品，也可选用EPRO，新川或国产优质传感器产品，具有很高的传感器兼容性。
在系统电源的设计上，采用了比国外同类产品的集中供电方式可靠性更高的分布式DC/DC供电系统，并采用三重冗余结构（进口TSI为二重冗余）；各单元供电采用独立的DC/DC模块。
接插件选用的是美国AMP或安费诺（Amphenol）公司欧式连接器，还有瑞士的接线端子排等优质接插件，确保系统内连接的可靠性。
集成电路芯片及主要分立元器件，采用Philips、T1、AMD、NS、AD、MAXIM、NEC、AVX等产品，经过严格检测筛选后方才使用。
系统机柜选用横河西仪公司的成套产品，框架加工采用全数控设备完成，以保证加工精度；印刷电路板是在获得了IS09001及美国UL认证的国内一流的全自动PCB生产线上加工制作，并经100％检测合格后使用。
所有元器件均经过严格测试、筛选；大部分集成电路采用世界先进的SMD工艺焊接；所有电路板装配完成后均要进行全功能测试及老化测试，以消除早期失效问题；整机装配完成后，还要再次进行高温老化及全功能测试，保证系统工作的稳定可靠。
四、国产化TSI的应用
陕西蒲城发电有限公司1、2号机为引进的单轴、四缸四排汽330MW汽轮发电机组，1998年投入运行。其原配IN共有25个监测点，振动测点用的是接触式磁电传感器，经常因内部弹簧片断裂造成传感器损坏，导致机组振动无法准确监测；电路插件模块带电拔插会使机组保护误动作，多次导致误停机，并损坏电路插件板；电路插件板备品价格十分昂贵，且不易购买，影响机组稳定运行。
鉴于上述原因，该厂决定更新TSI系统，通过全面调研及招标程序，我院的HDL100TSI系统中标该厂2号机IS更新改造工程。改造后的TSI系统全部采用本特利的非接触式传感器，共有49个测点，包括：大机轴振20个、大机轴移4个、小机轴移2个、给水泵轴移3个、给水泵轴承振动4个、大机胀差6个、小机胀差1个、缸胀4个、键相4个、偏心1个。
新装TSI系统2001年9月投入运行，至今未发生硬件故障，运行稳定可靠；各模块测量精度高，经与本特利DAIU-208P振动仪对比测试，示值完全符合；模块种类少、互换性好、即插即用，维护十分方便，新系统较原有系统增加了工程师站，上位机软件具有时基波形、棒图、特征值、轴心轨迹、频谱、轴心位置、历史趋势等图形，对2号机大修后启动中振动处理提供了有效帮助。此外，轴心位置图可提供转子相对轴承的静态位置，不但可帮助分析轴承的载荷分布，还帮助了运行人员直观地进行顶轴油压的调整，有效地防止了轴瓦磨损的发生，减少了开机次数。2002年9月，HD-100TSI系统再次中标该厂1号机TSI更新改造工程，2002年11月投入运行，至今两套系统均正常运行。
国产化HD-100TSI近两年的稳定运行表明，该系统可满足我国大型汽轮机组对先进TSI的要求，打破了大型汽轮机组TSI完全依赖进口的局面。
参考文献
1Beady3500Datasheet
2Bently3300TurbineSupervisoryInstrumentationManual
3EPROMMS6000TSIManual
4日本新川电机株式会社．VM-5系列TSI手册
5陆文华，钱安家，程卫国．汽轮机监视保护仪表（TSI）的改造．发电设备，1997（11一12）