摘 要 針對(duì)低溫余熱發(fā)電機(jī)組，提出了基于西門子S7-300的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用上位機(jī)-下位機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)組的控制和管理，下位機(jī)完成機(jī)組數(shù)據(jù)采集和所有控制邏輯。上位機(jī)和下位機(jī)采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。西門子S7-300系列PLC和上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信速度快，通信軟件性能穩(wěn)定，已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中得到應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】西門子 余熱發(fā)電 監(jiān)控

余熱發(fā)電是能源再生利用和環(huán)境保護(hù)的重要研究方向之一，現(xiàn)已在鋼鐵、水泥和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了較大進(jìn)展。而PLC以其可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單及模塊化結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的特點(diǎn)，作為智能控制站廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。本文以西門子S7-300系列PLC作為下位機(jī)，以北京亞控科技的組態(tài)王監(jiān)控軟件作為上位機(jī)，設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)通信的余熱發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1是某低溫余熱發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖，主要包括下位機(jī)和上位機(jī)兩大部分，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。

1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整臺(tái)機(jī)組在啟動(dòng)、停止、正常運(yùn)行和事故工況下的主要監(jiān)視手段。通過人機(jī)界面向運(yùn)行人員提供各種實(shí)時(shí)參數(shù)或經(jīng)過處理的信息以指導(dǎo)運(yùn)行操作。其主要功能有：

1.1.1 工藝過程數(shù)據(jù)的采集和處理

過程數(shù)據(jù)包括儀表測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)過程數(shù)據(jù)的處理包括正確性判斷，數(shù)字濾波、工程單位轉(zhuǎn)換等。

1.1.2 報(bào)警判斷

PLC對(duì)處理之后的機(jī)組數(shù)據(jù)，超過預(yù)設(shè)的定值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警；當(dāng)參數(shù)正常之后，報(bào)警自動(dòng)復(fù)歸。

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集主要包括汽輪機(jī)及其輔助系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等過程變量，以及電動(dòng)機(jī)和閥門的狀態(tài)信號(hào)。溫度信號(hào)采用工業(yè)熱電阻PT100測(cè)量，壓力采用智能化一體化變送器，主蒸汽流量和冷卻水流量采用差壓式流量計(jì)，凝結(jié)水流量采用渦街流量計(jì)。

1.2 模擬量控制系統(tǒng)（MCS）

本項(xiàng)目中的模擬量控制系統(tǒng)，都是單回路控制系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制就可以達(dá)到要求，主要包括如下：

1.2.1 旁路閥自動(dòng)控制

通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)旁路閥的開度，來控制汽輪機(jī)主汽門前的壓力。

1.2.2 凝汽器液位自動(dòng)控制

通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管調(diào)節(jié)閥的開度，來控制凝汽器液位在設(shè)計(jì)位置。

1.3 順序控制系統(tǒng)（SCS）

順序控制即開環(huán)邏輯控制，是機(jī)組主要控制系統(tǒng)之一。其任務(wù)是按照各設(shè)備的啟停運(yùn)行要求及運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)邏輯判斷發(fā)出操作指令，對(duì)機(jī)組主要設(shè)備進(jìn)行順序啟停。同時(shí)該系統(tǒng)根據(jù)工藝系統(tǒng)要求實(shí)施聯(lián)鎖與保護(hù)。

本項(xiàng)目SCS系統(tǒng)主要包括兩部份：

1.3.1 機(jī)組級(jí)自動(dòng)啟停控制

主要是實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停止功能。

1.3.2 設(shè)備級(jí)啟停和聯(lián)鎖

主要是電動(dòng)機(jī)和閥門等設(shè)備的聯(lián)鎖和保護(hù)邏輯。

1.4 汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）

本項(xiàng)目的汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)布置在DEH控制柜內(nèi)，并留有與PLC控制柜的PROFIBUS通訊接口，DEH系統(tǒng)至少包括以下功能，但不限于此：

（1）轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)：控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)回路通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)的位置，判斷是在轉(zhuǎn)速控制還是在功率控制。在機(jī)組并網(wǎng)之前，為轉(zhuǎn)速控制功能，機(jī)組并網(wǎng)之后，自動(dòng)切換至功率控制。

（2）負(fù)荷限制：當(dāng)機(jī)前汽壓過低時(shí)自動(dòng)限制汽輪機(jī)的負(fù)荷，以使汽輪機(jī)機(jī)前壓力維持在設(shè)定范圍。

（3）超速保護(hù)功能：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的110%，DEH系統(tǒng)發(fā)出超速保護(hù)指令，迅速將汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門關(guān)閉。

（4）DEH系統(tǒng)留有接收PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的模擬操作指令的信號(hào)接口。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本項(xiàng)目采用WOODWARD公司的505系列調(diào)速器。505調(diào)速器和PLC控制系統(tǒng)之間通過硬接線交換數(shù)據(jù)，主要包括汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥閥位、以及機(jī)組的啟動(dòng)、停止等信號(hào)。

1.5 汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）

本項(xiàng)目ETS系統(tǒng)集成在PLC控制柜內(nèi)。ETS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)組的重要測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)超過極限值時(shí)，關(guān)閉汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門，緊急停機(jī)。ETS保護(hù)項(xiàng)目見表1。

1.6 發(fā)電機(jī)控制

本項(xiàng)目發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采用丹控公司的GPC-3系列多功能控制器。GPC-3是一個(gè)基于微處理器、集保護(hù)和控制同步/異步發(fā)電機(jī)所需功能與一體的緊湊型控制單元，且包含所必須的電隔離三相測(cè)量電路。本項(xiàng)目中，GPC-3對(duì)發(fā)電機(jī)出線電流、電壓進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)預(yù)置的設(shè)定值，自動(dòng)完成發(fā)電機(jī)組的保護(hù)、同步和并網(wǎng)功能。

GPC-3和PLC之間通過PROFIBUS總線進(jìn)行通信，將發(fā)電機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PLC，并在上位機(jī)顯示。

2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中，上位機(jī)監(jiān)控功能采用北京亞控科技的組態(tài)王監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn)?！敖M態(tài)王”是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它以Windows98/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺(tái)，具有圖形功能完備，界面一致友好，易學(xué)易用的特點(diǎn)。

上位機(jī)主要完成以下功能：

（1）設(shè)備操作：為系統(tǒng)中的設(shè)備操作提供人機(jī)接口。

（2）顯示功能：主要包括操作顯示、棒狀顯示、模擬圖顯示、趨勢(shì)圖顯示、報(bào)警顯示等。

（3）實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：上位機(jī)畫面可以顯示某些重要參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，并對(duì)所有數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便檢索。

（4）制表記錄功能：包括定期記錄、運(yùn)行人員操作記錄、報(bào)警記錄等。報(bào)表打印

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，工控機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)和西門子S7-300PLC連接。監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)接收PLC上傳的數(shù)據(jù)，并將操作指令傳輸至PLC。通訊速率可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視的要求。

工控機(jī)在本地建立SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，用來保存機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。

3 結(jié)束語

西門子PLC具有很強(qiáng)的以太網(wǎng)通信功能，其S7-315系列PLC自帶以太網(wǎng)通訊口，減少了通訊模塊的配置，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單。組態(tài)王監(jiān)控軟件組態(tài)方便，快捷，自帶豐富的腳本函數(shù)，可以滿足工業(yè)控制的應(yīng)用。本文提出的監(jiān)控方法和監(jiān)控系統(tǒng)已在某余熱發(fā)電工程中得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率較低。

參考文獻(xiàn)

[1]潘衛(wèi)，廖家平.PLC系統(tǒng)在低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（24）：5.

[2]梅映新，祝廣場(chǎng).基于DataSocket的歐姆龍PLC以太網(wǎng)通信接口研究[J].電氣自動(dòng)化，2015（37）2.

[3]DEIF.GPC-3 Data Sheet.Version： 3.07.X

[4]靳雷，王建躍.組態(tài)王和PLC在機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010（37）：3.

作者簡(jiǎn)介

祝廣場(chǎng)（1984-），男，工學(xué)碩士學(xué)位。研究方向?yàn)榛痣姀S熱工自動(dòng)化控制和保護(hù)。

作者單位

華電電力科學(xué)研究院中南分院 湖北省武漢市 430063