古 平，孔祥林，王桂英

(1.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油621703；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽61800)

1 引言

分布式測(cè)控系統(tǒng)是相對(duì)于集中式測(cè)控系統(tǒng)而言的，它具有自治性、并行性、擴(kuò)展性、透明性等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在一些較大型的測(cè)控系統(tǒng)中，由于被測(cè)對(duì)象種類繁多、測(cè)點(diǎn)分散且相距較遠(yuǎn)，同時(shí)測(cè)量設(shè)備功能分散、數(shù)據(jù)總線種類不一、負(fù)載不均衡，采用集中式測(cè)控系統(tǒng)很難或不能完成相應(yīng)測(cè)控任務(wù)，需對(duì)被測(cè)控對(duì)象進(jìn)行合理分類、組合，組成各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，由各子系統(tǒng)完成特定的測(cè)量與控制功能任務(wù)。各子系統(tǒng)間通過一種或多種能相互識(shí)別的、通用的通訊手段進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)傳輸暢通?？偪叵到y(tǒng)對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控任務(wù)。下面將較系統(tǒng)地介紹分布式測(cè)控系統(tǒng)在空氣透平試驗(yàn)臺(tái)中的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)組成

東方汽輪機(jī)有限公司新建的空氣透平試驗(yàn)臺(tái)主要用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的研究與試驗(yàn)，其測(cè)量控制系統(tǒng)由中國燃?xì)鉁u輪研究院負(fù)責(zé)開發(fā)。該系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成：空氣透平試驗(yàn)臺(tái)本體系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、管路閥門系統(tǒng)、水系統(tǒng)、水力測(cè)功器、電氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、控制和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)間既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系。各子系統(tǒng)將狀態(tài)參數(shù)和性能數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)或其它通訊手段進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由主監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)各子系統(tǒng)傳來的信息進(jìn)行分析處理，并向各子系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)命令，調(diào)度各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控任務(wù)。

3 方案設(shè)計(jì)

方案要滿足用戶對(duì)系統(tǒng)高性能、高可靠性的需求。根據(jù)具體情況，采用PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)為主體通訊手段建立通訊系統(tǒng)，并考慮系統(tǒng)或功能模塊的其它技術(shù)要求，如EMC、可靠性等，在設(shè)計(jì)階段針對(duì)不同測(cè)試控制模塊或系統(tǒng)特點(diǎn)采取不同措施，根據(jù)功能將其分為相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，由各子系統(tǒng)獨(dú)立完成各自特定的測(cè)控任務(wù)，主監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度，使各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)并行工作，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

3.1 測(cè)控系統(tǒng)搭建和主要硬件配置

透平試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)共設(shè)有四個(gè)過程控制站、三個(gè)操作員站和五個(gè)工程師站。

3.1.1 過程控制站

過程控制站包括測(cè)量控制系統(tǒng)PLC主站、水處理控制系統(tǒng)PLC從站、630 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)PLC從站和坐標(biāo)架(位移機(jī)構(gòu))控制臺(tái)。PROFIBUS總線將各個(gè)PLC控制站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接并確立主從關(guān)系，然后作為透平系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)局部接入上位控制系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 透平系統(tǒng)過程控制站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The network architecture of processing control station for turbine system

(1)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)PLC主站

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)主要完成對(duì)試驗(yàn)臺(tái)全系統(tǒng)運(yùn)行工況的監(jiān)視和控制，調(diào)整各控制參數(shù)的設(shè)定值和偏置閥門，并通過工業(yè)以太網(wǎng)或?qū)Ｓ媒涌谂c其它系統(tǒng)進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)選用西門子PLC S7-300，CPU為315-2DP，具有兩個(gè)DP接口(MPI口連接工業(yè)觸摸屏，DP口連接上位機(jī)的CP5613通訊處理器)，與從站的PLC通過PROFIBUS總線連接。

(2)水處理控制系統(tǒng)PLC從站

與PLC主站相似，水處理控制系統(tǒng)PLC從站CPU也選用315-2DP，通過MPI口與工業(yè)觸摸屏連接，DP口接入PROFIBUS總線。整個(gè)系統(tǒng)的按鈕、閥門控制在觸摸屏上由軟面板實(shí)現(xiàn)。

(3)630 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)PLC從站

630 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要是控制630 kW風(fēng)機(jī)的啟停和對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及聯(lián)鎖保護(hù)。630 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)PLC從站與試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的距離較遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)與水處理控制系統(tǒng)相似，CPU仍選用315-2DP，通過MPI口與工業(yè)觸摸屏連接，DP口接入PROFIBUS總線。上位機(jī)監(jiān)控界面采用iFIX組態(tài)軟件編程，并通過PROFIBUS總線與主站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊與其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(4)坐標(biāo)架(位移機(jī)構(gòu))控制臺(tái)

位移機(jī)構(gòu)控制臺(tái)主要控制伺服系統(tǒng)精確走位，由嵌入式控制系統(tǒng)控制完成，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)要求，移動(dòng)測(cè)壓探針到指定位置，由試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)完成探針在不同層面的壓力測(cè)量。

3.1.2 操作員站

透平系統(tǒng)操作員站設(shè)有試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)操作員站(操作員站1)、水處理控制系統(tǒng)操作員站(操作員站2)和630 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)操作員站(操作員站3)。測(cè)針位移機(jī)構(gòu)操作員站由上位機(jī)(工程師站)兼任，操作員站均由工業(yè)觸摸屏擔(dān)任。操作員站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1.3 工程師站

五個(gè)工程師站為：試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(工程師站1)、試驗(yàn)臺(tái)數(shù)采系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(工程師站2)、2 500kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(工程師站3)、水力測(cè)功系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(工程師站4)和630 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(工程師站5)。其中試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(工程師站1)為透平系統(tǒng)的主工程師站，其它計(jì)算機(jī)作為子工程師站。

圖2 透平系統(tǒng)操作員站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 The network architecture of operator station for turbine system

工程師站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖中，2 500 kW風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要是進(jìn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，用西門子PLC S7-300系統(tǒng)作為邏輯控制器對(duì)2 500 kW風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，通過PROFIBUS總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖3 工程師站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The network architecture of engineer station

試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成整個(gè)透平試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和處理。由于試驗(yàn)臺(tái)本體系統(tǒng)氣體壓力測(cè)點(diǎn)較多，且壓力測(cè)點(diǎn)和溫度測(cè)點(diǎn)比較集中，因此采用PSI電子掃描閥(9816、9046)作為主采集設(shè)備；而離散的壓力、溫度測(cè)點(diǎn)，則由相應(yīng)的單個(gè)變送器(作為輔助采集設(shè)備)采集。

各子系統(tǒng)將測(cè)試數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)或PROFIBUS總線等通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由主監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)各子系統(tǒng)傳來的信息進(jìn)行分析處理，調(diào)度各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

透平系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)既能獨(dú)立完成各自的測(cè)控任務(wù)，又通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)或PROFIBUS總線以及串口通訊線相互連接，將各子系統(tǒng)整合為一個(gè)整體，通過數(shù)據(jù)交互，協(xié)調(diào)工作，共同完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控任務(wù)。測(cè)控系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

針對(duì)不同子系統(tǒng)設(shè)備特點(diǎn)選用不同的開發(fā)軟件，以系統(tǒng)高性能、高可靠性為原則，同時(shí)兼顧不同功能模塊的其它技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)控功能性軟件開發(fā)，以達(dá)到系統(tǒng)的最佳性能。

3.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

監(jiān)控界面使用iFIX-無限點(diǎn)-開發(fā)版組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，底層控制軟件采用SIEMENS的Simatic Software軟件進(jìn)行開發(fā)。

iFIX組態(tài)軟件能方便地創(chuàng)建人機(jī)界面，展示系統(tǒng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，讓用戶對(duì)測(cè)點(diǎn)位置有很直觀的了解。所有的閥門開度控制、開關(guān)量控制都采用軟面板方式。底層邏輯控制軟件采用梯形圖編程，直觀方便，并可用圖形方式打印出組態(tài)邏輯。同時(shí)，該軟件還支持通過“系統(tǒng)錯(cuò)誤信號(hào)”功能診斷系統(tǒng)錯(cuò)誤。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)流程示意圖Fig.4 Flow chart of measurement and control system

試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化、狀態(tài)自檢，判斷各測(cè)點(diǎn)值、各閥門初始狀態(tài)是否正確。若不正確，給出報(bào)警提示，提示工作人員排故。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)正確時(shí)，開始正式試驗(yàn)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)各個(gè)閥門，使系統(tǒng)達(dá)到試驗(yàn)要求狀態(tài)。制定控制流程如圖5所示。

圖5 制定控制流程Fig.5 The control procedure

3.2.2 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件開發(fā)

試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)整個(gè)透平試驗(yàn)臺(tái)的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理：通過PSI電子掃描閥(9816、9046)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)本體系統(tǒng)氣體壓力和溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集；通過RS232通訊接口對(duì)位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，移動(dòng)測(cè)壓探針到指定位置，采集探針在不同層面的壓力值；通過485通訊接口接收和處理扭矩儀與水力測(cè)功器的數(shù)據(jù)；通過工業(yè)以太網(wǎng)與其它測(cè)控子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并完成其數(shù)據(jù)收集。系統(tǒng)把得到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理、存儲(chǔ)、分析及輸出。系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)原理圖Fig.6 The hierarchical structure diagram of system software

3.2.2.1 建立掃描表

根據(jù)不同試驗(yàn)要求和用戶習(xí)慣，可靈活建立當(dāng)前試驗(yàn)參數(shù)掃描表，系統(tǒng)按此掃描表順序整合測(cè)控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)。

3.2.3.2 串口通訊

與坐標(biāo)架(位移機(jī)構(gòu))控制臺(tái)建立通訊聯(lián)系，由用戶定義位移機(jī)構(gòu)運(yùn)行方案(自動(dòng)，手動(dòng))，控制探針移動(dòng)到指定位置，并采集該位置壓力。

與扭矩儀和水力測(cè)功器建立串口通訊聯(lián)系，得到扭矩儀和水力測(cè)功器傳來的數(shù)據(jù)。

3.2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊

與PLC監(jiān)控系統(tǒng)和PSI采集系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)通訊聯(lián)系，得到監(jiān)控系統(tǒng)和PSI采集系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)，同時(shí)將用戶指定的數(shù)據(jù)傳給試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2.3.3 數(shù)據(jù)采集

接收各個(gè)系統(tǒng)傳來的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按通道表的順序進(jìn)行整合，完成相關(guān)的性能數(shù)據(jù)計(jì)算，并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、曲線示波和數(shù)據(jù)記錄。

3.2.3.4 數(shù)據(jù)回放

將試驗(yàn)中已保存的數(shù)據(jù)通過回放軟件調(diào)出，對(duì)其進(jìn)行多種形式的分析，得出試驗(yàn)的最終結(jié)果，并可打印輸出；試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以轉(zhuǎn)換成用戶易于識(shí)別的文件數(shù)據(jù)格式，比如文本文件、Excel等格式，便于用戶處理；回放的示波曲線可以保存為圖片文件，或打印輸出。

4 結(jié)束語

本文以實(shí)例概述了分布式測(cè)控技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，展示了分布式測(cè)控技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中的優(yōu)越性。此技術(shù)運(yùn)用在空氣透平試驗(yàn)臺(tái)中，取得了良好的效果。經(jīng)過聯(lián)機(jī)調(diào)試，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。目前，整個(gè)系統(tǒng)已投入運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1]閆均華，張煥春，經(jīng)亞枝.基于移動(dòng)Agent的分步式測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27(3)：66—68.