廣州廣重企業(yè)集團有限公司 陳廣輝 徐曉嘉 楊冬竹 江夏蓮 劉敏杰

1 引言

本系統(tǒng)是以巴基斯坦某一糖廠小型汽輪機組為研究背景，從項目的技術(shù)要點和需求等多角度進行分析，設(shè)計出適用于本項目的汽輪機監(jiān)控系統(tǒng)。對于單臺汽輪機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，可以探討適用到其他汽輪機系統(tǒng)，為國內(nèi)外中小型汽輪機組的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計上提出一些可借鑒的方法。

2 系統(tǒng)控制簡述

2.1 汽輪機組監(jiān)控系統(tǒng)簡述

汽輪機是以蒸汽為工質(zhì)的將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的旋轉(zhuǎn)式原動機，主要與壓縮機、風(fēng)機、發(fā)電機等設(shè)備結(jié)合，用于現(xiàn)場工業(yè)生產(chǎn)。中小型汽輪機系統(tǒng)主要包括了汽輪機本體系統(tǒng)（DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)、TSI監(jiān)測系統(tǒng)、ETS遮斷保護系統(tǒng)），以及汽輪機輔助系統(tǒng)（汽水系統(tǒng)，油路系統(tǒng)）等[1]。本系統(tǒng)主要是對上述的幾大系統(tǒng)進行實時在線監(jiān)視和控制。

2.2 項目分析

生產(chǎn)工藝。本項目汽輪機是一臺背壓式汽輪機，一個進汽調(diào)節(jié)閥HP，汽輪機轉(zhuǎn)子通過蒸汽做功旋轉(zhuǎn)后，連軸齒輪箱減速，從而帶動糖廠的撕解機工作。輔助的系統(tǒng)主要是汽水系統(tǒng)和油路系統(tǒng)，油路系統(tǒng)較為復(fù)雜，其需要維持軸系的潤滑和控制回路油壓的穩(wěn)定。糖廠的撕解機運行時負荷波動可能使得轉(zhuǎn)速波動較大。

工作環(huán)境。汽輪機組為整個糖廠的一部分，項目現(xiàn)場的各類生產(chǎn)設(shè)備較多，有高低壓變頻器、水泵、電機等容易產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備。

控制要求。汽輪機本體自動運行，保護連鎖以及與汽輪機相關(guān)的汽水控制流程監(jiān)控，油系統(tǒng)的控制流程監(jiān)控等。

硬件要求。控制器需要采用國際知名產(chǎn)品，設(shè)計前期需要提供相關(guān)品牌供選擇，監(jiān)控系統(tǒng)需要設(shè)置相關(guān)冗余措施。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)分析與優(yōu)化

針對項目環(huán)境特點以及項目需求，設(shè)計前進行了監(jiān)控系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。

一是如客戶提出使用woodward的505D型控制器，經(jīng)過分析對比，Peak200新型控制器是基于Peak150和505D升級而來，其采用了新的OPtiTune PID，具有雙動態(tài)控制，可分析汽輪機的動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速波動功能強，也可通過以太網(wǎng)連接和自帶觸摸屏，性價比高，基本功能不僅可以實現(xiàn)，且投入低于505D，因此設(shè)計中提出建議使用peak200，通過講解了其功能屬性后，業(yè)主同意選擇使用peak200新型控制器。

二是如客戶需要國際知名品牌的控制器，可選歐姆龍、三菱、ABB等知名PLC，在與客戶溝通中，介紹了西門子PLC與同品牌WinCC搭配使用，對編程、通信方案設(shè)計、組態(tài)、使用、維護等優(yōu)點，客戶考慮后最終選擇了西門子S7-300。

三是考慮現(xiàn)場運用時抗干擾問題，設(shè)計中采用性能優(yōu)良的電源，抑制外部引入的干擾，控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離電源供電，并與主電路電源分開。PLC模塊的24V直流電源不對外圍的各類傳感器供電，以減少外圍傳感器內(nèi)部或供電線路短路故障對PLC控制器的干擾[2]。TSI探頭比較靈敏，易受到干擾，所以對于系統(tǒng)中功率較大的直流器件并接續(xù)流二極管，盡可能地減少干擾。

3 汽輪機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主要硬件

PLC：CPU:6ES7 315-2EH14-0AB0；WINCC：6AV63812BN075AV0；Peak200：8200-1501；HMI：cMT3160X；TSI:A6500。

3.2 編程/組態(tài)環(huán)境

SIMATIC STEP7，WinCC7.5；EasyBuilder pro V6.04；Woodward Remote View；Emerson Machine Studio。

4 汽輪機組監(jiān)控設(shè)計

4.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)項目的技術(shù)協(xié)議，統(tǒng)計的測量點和信號類型以及項目的工藝流程，設(shè)計了本項目所需的系統(tǒng)監(jiān)控方案。

4.1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示

汽輪機TSI軸系信號、水汽系統(tǒng)溫度壓力信號、各調(diào)節(jié)閥開度信號、輔機電流信號等。

4.1.2 危急遮斷系統(tǒng)

系統(tǒng)接收TSI停機保護開關(guān)量信號，就地壓力開關(guān)，急停開關(guān)及其他系統(tǒng)的停機信號，當系統(tǒng)出現(xiàn)下列極限參數(shù)時，系統(tǒng)能實現(xiàn)停機保護（汽輪機軸向位移過大，軸瓦振動過大， 軸承溫度過高，潤滑油壓力過低，排汽壓力過高，汽輪機轉(zhuǎn)速過高，DEH系統(tǒng)故障，DCS系統(tǒng)故障，遮斷油壓力過低；油箱油位過低）。

4.1.3 汽輪機輔機系統(tǒng)控制

數(shù)字量接收輔機遠程控制、過載、運行；模擬量接收電機電流信號，各類狀態(tài)經(jīng)程序邏輯判斷，通過數(shù)字量輸出控制輔機運行，控制對象包括交流輔助油泵、直流應(yīng)急油泵、抽油煙機控制、主蒸汽閥控制、油箱加熱器、主汽閥、1#2#軸封風(fēng)機、盤車電機等。

4.1.4 數(shù)據(jù)記錄

系統(tǒng)接收各類信號指令，如報警信號、故障信號、停機信號經(jīng)內(nèi)部邏輯判斷，將數(shù)據(jù)歸檔，可通過WinCC系統(tǒng)查詢顯示。

4.1.5 DEH控制

升降負荷控制，控制使能，狀態(tài)檢測記錄，故障報警連鎖等。

4.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

4.2.1 PLC設(shè)計

使用西門子S7-300小型可編程控制器，滿足了本項目汽輪機的系統(tǒng)監(jiān)控功能。在PLC程序中，對信號的識別處理采用模塊化設(shè)計，如熱電阻熱電偶模擬量輸入，電機水泵控制等，使用FB功能塊，根據(jù)需要在FC中進行調(diào)用，在各類數(shù)據(jù)中，對數(shù)據(jù)處理時，匯總至相應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊中，使得在WinCC或者觸摸屏中能夠更好地進行數(shù)據(jù)解析。模塊化的設(shè)計可以提高程序編輯，調(diào)試效率，并且可以供后續(xù)類似機組移植使用。

4.2.2 Peak200設(shè)計

由于其自帶操作屏幕，安裝在DEH控制柜面板上，在汽輪機開機前組態(tài)檢查、沖轉(zhuǎn)階段時，可方便現(xiàn)場操作人員使用。使用遠程軟件即可對控制器進行組態(tài)，將本機組的各項參數(shù)輸入到控制器中后，Peak200可按照預(yù)設(shè)程序控制汽輪機運行。

4.2.3 觸摸屏設(shè)計

WinCC作為中控室操作站，考慮到現(xiàn)場設(shè)備輔機需要監(jiān)控狀態(tài)及操作，在項目中PLC柜搭配了一個觸摸屏，一方面可以實時與Peak200控制器搭配使用，另一方面觸摸屏是以WinCC為模板，設(shè)計了一整套汽輪機監(jiān)控系統(tǒng)，因此可以在WinCC有主機故障或通信故障時，作為備份控制面板接替WinCC使用。對涉及的控制柜均采用雙電源進線方式，一路UPS，一路備用電，保證系統(tǒng)用電。

4.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對所選擇的產(chǎn)品，項目的特點及技術(shù)協(xié)議控制功能，考慮到可能與其他設(shè)備擴展通信等，設(shè)計了本套汽輪機的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，PLC控制器為西門子S7-300，PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，CPU使用315-2EH14系列，帶有PN接口，使用IM360，IM361進行模塊擴展。DEH控制單元為Woodward的PeaK200，TSI使用艾默生A6500系列，通過硬接線方式傳輸信號。觸摸屏使用威綸通cMT3160X系列，帶以太網(wǎng)接口，上位機系統(tǒng)為WinCC7.5，搭配一臺西門子工控機，作為為RC工程師站，根據(jù)項目的IO統(tǒng)計數(shù)量，確定了RC512授權(quán)點。WinCC、觸摸屏、PLC、PK200四者之前的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)—交換機進行實時傳輸交換。交換機預(yù)留接口，當項目需要時，糖廠的DCS系統(tǒng)可以對本套系統(tǒng)進行通訊。

5 WINCC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

5.1 通信配置

一是WinCC本身集成了常用的通訊驅(qū)動程序，在系統(tǒng)中，選用的CPU帶有PN接口支持以太網(wǎng)通訊，因而對S7-300的通訊中，選擇了TCP/IP通訊方式，連接的網(wǎng)絡(luò)IP地址設(shè)置為192.168.9.xxx，機架號和插槽號與PLC端相對應(yīng)即可。

二是在對Peak200控制器的通訊配置中，查詢到控制器支持通訊方式有串口232/485以及MODBUS TCP/IP，而WinCC也有MODBUS TCP/IP的通訊驅(qū)動，WinCC可以作為主站，控制器作為從站，因此配置了對應(yīng)遠程控制器IP地址，端口，遠程從站的地址。

三是在配置的工控機中，支持兩個以太網(wǎng)口，因此可以設(shè)置兩套IP地址，WinCC與Plc，WinCC與控制器兩個通訊互不干擾。

5.2 系統(tǒng)頁面組態(tài)

自動化系統(tǒng)中，人機交互界面作為第一印象至關(guān)重要。其不僅是顯示界面，更是功能接口，在汽輪機的運行系統(tǒng)中，某些重要的操作按鈕或重要的參數(shù)設(shè)定需要使用權(quán)限進行保護，具備相應(yīng)權(quán)限的用戶才能操作這些按鈕或者進行參數(shù)設(shè)定，WinCC系統(tǒng)中組態(tài)了用戶管理，對不同的使用者分配了登錄賬號密碼，并為用戶分配了相應(yīng)的權(quán)限[3]，項目設(shè)計中，設(shè)置了三個登錄等級，分別是工程師級，管理員級和操作員級。在對本套系統(tǒng)設(shè)計時，由于是外方使用，因此在設(shè)計時，使用了雙語設(shè)計，即中文和英文，通過按鈕點擊切換即可。鼠標移動到測點上時，可以提示出相應(yīng)測點名稱。

5.3 DEH控制組態(tài)設(shè)計

DEH系統(tǒng)為汽輪機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元為Peak200，設(shè)計了MODBUS TCP/IP通信方式，將Peak200的主要參數(shù)和WinCC進行單獨數(shù)據(jù)通信，在DEH自動運行和手動調(diào)節(jié)時，通過界面的顯示，可以快速直接監(jiān)測到Peak200的內(nèi)部數(shù)據(jù)。汽輪機調(diào)節(jié)過程中，WinCC上可以通過通信方式進行指令下達，也可以通過界面按鈕硬接線方式下達，在這兩種方式中，設(shè)計了使能按鈕，可在緊急情況（通信故障或硬接線故障）下切換，保證系統(tǒng)可靠控制。

5.4 油路控制系統(tǒng)設(shè)計

汽輪機油路系統(tǒng)主要有交流/直流潤滑油泵、抽油煙機、油箱加熱器、盤車控制等。操作控制時，只需要移動鼠標至對應(yīng)的控制對象上，當鼠標箭頭變成閃電圖標，點擊鼠標后界面將彈出操作窗口，系統(tǒng)界面中可以同時點擊，彈出全部的控制窗口，或者關(guān)閉單一的窗口。每個控制對象都設(shè)計了遠程控制狀態(tài)、故障狀態(tài)、運行狀態(tài)、自動/手動運行切換等，滿足系統(tǒng)控制需求。

5.5 ETS系統(tǒng)設(shè)計

ETS為汽輪機的保護系統(tǒng)，對汽輪機的緊急保護停止起到了非常重要的作用，汽輪機運行前需要對所有停機信號進行確認，系統(tǒng)設(shè)計時，在ETS界面上對每個停機信號進行了閃爍顯示，首出常亮顯示（唯一燈亮），當有停機信號進入系統(tǒng)時，對應(yīng)的指示燈亮起，提醒操作人員需要將停機信號確認去除后方可啟動汽輪機。系統(tǒng)在每個停機信號上串聯(lián)投入/切除按鈕，點擊ON按鈕時，停機信號有效，界面中對應(yīng)的開關(guān)將處于閉合狀態(tài)，反之點擊OFF則開關(guān)打開，此時停機信號無效，即使有停機信號進入也不會進行停機，這樣可以方便對已知可控的停機信號進行切除。在汽輪機發(fā)生停機狀態(tài)時，對應(yīng)的電磁閥燈會顯示此時的得電/失電，得電時為常亮，失電時為灰色。投入/切除開關(guān)和信號的狀態(tài)簡單，使得操作方便。

5.6 TSI設(shè)計

TSI監(jiān)控界面上以柱形圖和數(shù)值的方式顯示在畫面上，并在柱形圖上標注了對應(yīng)報警和停機的紅線，在界面上還有汽機軸瓦的溫度示數(shù)，包括主副推軸瓦溫度、前后徑向軸瓦溫度、氣缸法蘭溫度、上下氣缸溫度、齒輪箱軸瓦溫度等，汽輪機內(nèi)部的各項參數(shù)都顯示在了同一界面上，整個軸系一目了然。

5.7 在線趨勢

在WinCC監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)計上調(diào)用了WinCC online table，online trend，Ruler Control控件，因此可以使用表格和趨勢的形式輸出當前過程值和已歸檔的過程值。設(shè)計WinCC歸檔時，使得數(shù)據(jù)有一致性，長期有效性和可追溯性、高效性，可靠的實時歷史數(shù)據(jù)對項目后期維護提供保障。

5.8 汽水系統(tǒng)設(shè)計

汽輪機水汽系統(tǒng)涉及的設(shè)備主要有進汽、排汽、盤車、漏氣冷凝器、軸封系統(tǒng)等，將PI圖顯示在屏幕上，方便運行人員識別和操作。

5.9 報警系統(tǒng)設(shè)計

在報警視圖中，對消息界面組態(tài)了日期、時間、編號、消息、狀態(tài)、報警回路、報警確認、持續(xù)時間。

通過已組態(tài)好的報警系統(tǒng)，用戶可以用于處理并顯示本控制系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的報警和事件，能夠快速定位參數(shù)的故障或者控制系統(tǒng)本身的錯誤，從而能夠快速地排除故障，除此之外，可以對重要的報警消息進行歸檔，方便以后查詢。

6 結(jié)語

本監(jiān)控系統(tǒng)涉及的多個控制器的組態(tài)編程均可分開進行，人機界面程序面向?qū)ο蟮脑O(shè)計，良好的交互界面設(shè)計，使得本監(jiān)控系統(tǒng)程序可移植性好，操作簡單靈活，維護、擴展方便，提升了汽輪機機組運行的安全性穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。該設(shè)計經(jīng)過運行表明，系統(tǒng)以較高效率可靠地運行著，滿足了用戶的系統(tǒng)監(jiān)控需求，運行效果顯著。