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燃气轮机 设计

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燃气轮机设计,燃气轮机,设计

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燃气轮机与蒸汽轮机作业题1. 根据学过的燃气轮机循环的基本原理，提出一个燃气轮机循环设计方案。 设计要求：1）该燃气轮机为船舶驱动用。 2）设计功率：300kw , 燃气初温：1100摄氏度。 3）编制循环设计方案说明书。2. 根据上述循环方案进行涡轮的热力参数计算。 要求：1）完成涡轮级的气动热力参数计算。 2）画出速度图。 3）编制涡轮级热力气动热力参数设计说明书。燃气轮机方案的设计Design of a control system of gas turbine by Helel.YangSupervisor: Professor Chen Northeastern UniversityJune 2010课程设计（论文）任务书课程设计（论文）题目：燃气轮机方案的设计设计(论文)的基本内容：1）该燃气轮机为船舶驱动用。 2）设计功率：300kw , 燃气初温：1100摄氏度。 3）编制循环设计方案说明书。燃气轮机方案的设计摘要燃气轮机是将燃料燃烧时产生的热能转化成机械能的一种热机，是当前世界上最新和最主要的动力机械。随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。所以燃气轮机自动控制策略是控制领域内一个重要的研究方向。本文总结了燃气轮机控制技术的发展和现状，介绍了目前比较常见的燃气轮机控制手段，对燃气轮机生产工艺进行了细致的介绍。包括燃气轮机的结构组成，燃气轮机的主控及顺序控制的要求等。并对燃气轮机的主要设备进行分析，将燃气轮机的主控系统按功能进行分块，根据燃气轮机的主控系统要求，分别设计了燃气轮机转速控制、燃气轮机温度控制等控制回路。同时介绍了有关PLC的资料以及利用PLC设计的的自动控制系统，重点介绍了此次课题选用的S7-400。本文介绍了所设计控制系统的主要输入输出，有关控制系统的IO表，还详细叙述了用PLC的编程软件STEP7选择模块，填写符号表，并进行了硬件设计的过程。然后本文对燃气轮机的主控系统按功能进行分块，介绍了各个控制回路的控制原理，根据控制回路的控制要求设计了各个块的程序框图。然后在STEP7中创建了相应的程序块。本文还叙述了有关PID算法的资料，然后简单介绍了MATLAB的SUMLINK软件，并利用SUMLINK对相关控制回路算法进行了仿真。最后本文对此次设计做了总结，对燃气轮机的将来发展做了展望。关键词：顺序控制系统；主控系统；燃气轮机；PLC自动控制Design of a control system of gas turbine AbstractGas turbine is a kind of heat engine that make the thermal energy produced by burning fuel into mechanical energy, it is currently the worlds newest and most important power machinery.With the power of the single gas turbine increases,as well as the widespread use of power plant that use the gas turbine technology as the core, the performance of gas turbine control system become increasingly important . To some extent, the performance of gas turbine control system determines the design performance, economy and safety of the appropriate power plant.The automation controlling strategy of gas turbine is an important research area of control.This paper summarizes the development and the present situation of the automatic control technology of gas turbine, introducing the current common means of gas turbine control and the gas turbine production technology in detail. It includes the structure of the gas turbine, the requirement of the main control and the sequence control of the gas turbine. According to requirements of the main control system of the gas turbine,this paper resigns temperature control, speed control of gas turbine. It also introduces the PLC automation system. This task uses PLC-400. This article describes the input and output of the designed control system, the IO table of the control system, describing in detail with the process of using modules STEP7 of PLC programming software and filling in symbol table. And it makes the hardware configuration. It carries out according to the functions of block for the system of gas turbine, introducing the control principle of the various control loops, designing each block diagram in accordance with the requirements of control procedures of Control loop. It creates the corresponding block in STEP7. This paper describes the information about PID Algorithm, and describes something about SUMLINK of the MATLAB. At the last of the paper, describes the Simulation of the control algorithm.At last this paper summarizes for this design, prospecting the future development of gas turbine. Key words：Sequence Control System；Main Control System；Gas Turbine；PLC Automatic Control目录课程设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII第一章 绪论51.1 课题背景及意义51.2 燃气轮机及其控制系统的发展概况51.3 课题主要内容5第二章 燃气轮机工艺及PLC概述52.1 燃气轮机系统及工作原理概述52.2 燃气轮机控制要求52.3 PLC概述52.3.1 PLC发展及现状52.3.2 STEP7概述52.3.3 PLC400概述52.4 本章小结5第三章 燃气轮机方案的设计53.1 燃气轮机顺序控制系统53.1.1 起动程序控制53.1.2 正常停机程序控制53.2 燃气轮机主控系统子系统53.2.1 燃气轮机起动控制53.2.2 转速控制53.2.3 加速控制53.2.4 温度控制53.2.5 停机控制53.2.6 手动控制53.2.7 FSR最小值选择53.3 燃料控制系统53.4 硬件设计53.4.1 燃气轮机主要输入输出53.4.2 控制系统硬件实现53.5 本章小结5第四章 软件设计及仿真54.1 燃气轮机主控系统软件设计54.1.1 STEP7模块概述54.1.2 程序结构设计54.1.3 软件设计54.2 PID算法仿真54.2.1 PID算法概述54.2.2 算法仿真54.3 本章小结5第五章 结论5参考文献5致谢5第一章 绪论1.1 课题背景及意义燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机凭借其污染小、热效率高、调峰性能好、启动快捷、建设周期短、占地少、投资省等优点，日益受到人们的青睐，近年来在世界范围内发展迅猛，燃气轮机发电己经成为电力的发展趋势。世界重型燃气轮机制造业经过60多年的研制、发展和竞争，目前己形成了高度垄断的局面，即以GE、西门子/西屋、三菱和阿尔斯通等主导公司为核心，其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。在我国，国家发改委提出统一组织国内资源，集中招标，引进技术，促进国内燃气轮机产业的发展和制造水平的提高，即通过捆绑式招标，实施“市场换技术”，旨在引进国外先进的燃气轮机设备的同时引进重型燃气轮机的制造技术，先后组织了3次F级和E级燃气轮机的捆绑招标，引进了GE、三菱、西门子公司的燃气轮机制造技术，总容量达1600万KW，为组织消化吸收、掌握这一高新技术，形成自我开发能力打下坚实基础。 燃气轮机方案的性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能，正因为控制系统的特殊重要性，各大公司也推出了相应的燃气轮机方案，比较著名的有GE公司的Speed tronie TM Mark控制系统，西门子公司的TELEPERMXP控制系统等。燃气轮机的迅速发展对电站的自动控制系统提出了更高的要求，随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。燃气轮机方案是电站的神经系统，以保证机组的安全和可靠运行，除了配备先进的主机设备外，完善的调节控制系统更能充分发挥燃气轮机的最大优越性，而燃气轮机起动控制具有不同于一般变工况的特性，是燃气轮机方案的重要组成部分，其特性对于提高燃气轮机的使用寿命具有很重要的意义。在我国，对于燃气轮机发电的研究还正处在发展阶段，尚不具备燃气轮机方案的自主研发能力，国内相应的燃气轮机电站大多直接进口国外的控制系统，但随着国内燃气轮机技术的不断发展燃气轮机的国产化程度逐步提高，必然对控制系统的可靠性和自动化程度提出更高的要求1。本文分析研究了燃气轮机方案，希望能够有助于大家对燃气轮机方案的了解和认识，探讨燃气轮机的自动控制技术的未来发展，将有助于我国开发具有自主知识产权的燃气轮机方案。1.2 燃气轮机及其控制系统的发展概况燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径：不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。50年代初，透平初温(t3 )只有600- 700，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10；60年代后，还藉助于空气冷却技术，t3平均每年升20。从70年代开始,充分吸取先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能,现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平：t3 为1300，压气机压比= 10 30，简单循环效率sc = 36 - 40 %，联合循环效率cc = 55 % - 58 %。近期将把t3提高到1430，这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限。正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺(定向结晶,单晶叶片等)，部分静部件可能采用陶瓷材料。初温有较大提高t3=1400-1500，将应用智能型微机控制系统，并更加重视环保性能。对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量的条件下工作，t3将达1600- 1800,现采用的熔点1200、密度为8g/cm3的叶片超级合金将被淘汰,新的高级材料应是小密度( 5g/cm3)的、有更好的综合高温性能,也许陶瓷材料是一种选择。近50年来，我国燃气轮机的研究、设计、制造已经有了相当的基础,积累许多使用的经验，取得了很大成绩。先后研制过的燃气轮机型号达数十种,功率等级从数百kW到36MW。我国工业型燃气轮机，从两方面平行发展:一是航空陆用途径，即航机改型；另为机械部所属汽轮机厂通过自行设计制造与国际合作等各种途径来发展。试验研究方面在国内也有一定的基础，取得相当水平的科研成果。不过,由于地面燃气轮机的研制在80年代前后停顿，造成很大损失，我国燃气轮机技术与国外先进水平的差距明显，至今不具备设计制造大型高性能燃气轮机的能力2。燃气轮机方案硬件平台的发展经历了一个漫长的过程。走过了从液压机械式控制、模拟式电子控制到数字式电子控制的发展道路，早期的燃气轮机控制器是采用测量元件直接控制燃气轮机执行机构的直接作用式，至30年代己发展为相当完善的机械液压型控制结构，其控制策略均采用比例积分型控制结构。随着电力系统发展对自动化水平要求的提高，伴随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调节和控制方案，微机调节器调节规律由PID型发展到众多PID改进型，其硬件发展经历了单片机、STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器、工业PC以及现在流行的DCS分散控制系统和FCS现场总线控制系统等微机系列的应用过程，其中STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器及DCS系统为现在的主流产品，具有高可靠性和计算快速、多任务及编程通用化的特点，能够实现复杂的控制任务。高性能控制平台为先进、复杂的控制策略开发研究和实际应用提供了硬件支持。20世纪70年代，GE公司的LM1500燃气轮机配套使用由美国大陆公司研制的模拟式电子控制器实现了逻辑顺序控制，而燃油控制仍然由液压机械式控制器实现。直到20世纪90年代，燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。经过十多年的发展，燃气轮机控制已有多种数字控制系统，例如：S&S公司成套的LM6000机组和TPM公司成套的FT8机组等采用了美国WOODWARD公司的NETCOON5000系列燃气轮机方案，西门子公司采用的TELEPERM XP控制系统以及GE公司的PG6O00系列机组则采用了GE SPEED TRONIC的MARK V。1998年，GE Power System和GE Fanuc联合开发的MARK VI控制系统在北美市场推出，该控制系统可带现场总线和远程I/O，可实现全厂一体化控制，操作系统也从MARK V的DOS升级到Win NT。并且，燃气轮机的数字电子控制系统己经实现了标准化、系列化的发展，硬件实现了模块化，配置了菜单式的开发软件。总之，在燃气轮机方案40多年5400多台机组的实践应用中，电子控制技术占了26年，应用机组4400余台，电子控制技术得到不断发展3。国内在20世纪80年代发展轻型燃气轮机的同时，迅速地开展了燃气轮机数控系统的研制。WJ6，WJ5，W-P6和W-Z5等燃气轮机数控系统已应用于工业现场，最近推出的QD100，QD128，QD70也都配置了数控系统，但总体上还处于量身裁衣、单台定制的初级阶段。燃气轮机数控系统的研制一般采用两种方式，一种方式是软硬件全部自行研制，这种方式针对性强，批产成本低，但研制费用高，较适用于有批量的燃气轮机。第二种方式是选用标准的工业控制硬件配上自行开发的控制软件，该方式研制周期短，但适应性差，而且有时还不得不制作一些电子硬件接口，一般适合于量少或功率等级较大的燃气轮机方案4。1.3 课题主要内容本次课程设计研究的内容为利用计算机及西门子PLC设计燃气轮机方案。主要做了以下工作：(1) 在所学知识以及查阅大量的资料的基础上，对燃气轮机生产工艺有了细致深刻的认识和了解。包括燃气轮机的结构组成，燃气轮机的顺序控制系统及主控系统的要求。同时查阅有关PLC的资料，学习和了解PLC的自动控制系统，并选择适合所研究课题的PLC。(2) 确定所设计控制系统的输入输出，写出控制系统的IO表，学习PLC的编程软件STEP7，并选择需要的IO模块，进行PLC的硬件组态。同时填写符号表，为编程做好准备。(3) 对燃气轮机的过程控制系统按功能进行分块，根据控制回路的过程控制要求设计出每块的程序框图。并在STEP7中创建出相应的OB、FB、FC、DB。根据所画的程序框图编写各个块的程序。(4) 利用PLCSIM对所编程序进行仿真，通过仿真结果修正所编程序。查阅有关PID算法的资料，利用MATLAB的SUMLINK对算法进行仿真。第二章 燃气轮机工艺及PLC概述2.1 燃气轮机系统及工作原理概述图2.1 燃气轮机系统结构图燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成。燃气轮机正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。图2.1所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图。压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩，压缩后的空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气，然后再进入透平膨胀做功，最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备如余热锅炉来回收利用部分余热，这样就形成了联合循环。连续重复完成上述循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功5。2.2 燃气轮机控制要求燃气设计燃气轮机方案使轮机盘车，把轮机带动到清吹转速(约20额定转速)，点火，再把轮机转速提升到额定转速，如驱动发电机则控制系统还要控制同期并网。(如用于驱动压气机或其它动力输出，控制系统要接受相应各种限制。)然后把燃气轮机加负荷到适当的工作点。这一系列过程必须自动发生和完成，同时要减小燃气轮机热燃气通道部件和辅助部件中的热应力6。整个控制系统可分为四个功能子系统：(1)主控制系统；(2)顺序(程序)控制系统；(3)保护系统；(4)电源系统在上述各功能系统中主控制系统是主要的，它必须完成四项基本控制：(1)设定起动和正常的燃料极限；(2)控制轮机转子的加速；(3)控制轮机转子的转速；(4)限制轮机的温度。每个时刻只有一个控制功能或系统能控制送到燃气轮机的燃料流量。这几个控制系统都输入到“最小值选择门”，该选择门的输出作为燃料控制系统的输入。采用最小值可给轮机提供最安全的运行。这里先简单介绍一下这几部分控制要求。1)主控制系统起动控制：在起动期间为了最佳的点火和联焰，以及避免过分的热冲击，燃气轮机方案设置了燃料限。起动控制系统设置了随转速和时间进程而变化的燃料上限。一般在1820转速时，选择的燃料空气比将在燃烧室内产生近于1000F的温升。测知火焰后，燃料流量限减小到暖机值保持约一分钟，以便缓慢地加热冷的涡轮部件。暖机周期以后，慢慢增加燃料流量使轮机进入工作转速7。燃料逐渐增加是为了使热冲击减至最小。机组进入额定转速以后，起动控制将建立一个最大的燃料限。这就避免了起动控制的燃料极限通过最小值门。转速控制：燃气轮机可有两类转速调节器：有差和无差。少数机组可能两种调节器都有，具备在有负荷的情况下改变调节器的能力8。有差调节器用在发电机驱动机上，要求有差调节器来提供系统稳定性。对于具有固定转速给定点的孤立运行机组，如果负荷由零增加到额定值，则轮机转速将下降4。这种有差转速调节器是由一台比例控制器提供的。这种调节器有一个可调设定点装置，它的最大设定点称为低转速停止(LSS)。无差调节器提供不变的轮机转速，轮机转速和负荷变化无关。这种调节器用于机械驱动机组，或许用在小系统内的发电装置上。无差调节器用一组水平线来代替斜线。无差控制是由比例积分控制器给出的。为了避免由于系统扰动时引起的“熄火”，设置了一个最小燃料极限。正常停车时，最小燃料提供一个具有最小火焰的冷机周期，以便把热冲击减至最小，如果火焰突然熄灭，将发生强烈的热冲击。温度控制：内部温度限是在第一级喷嘴处，称为工作温度。由于这里的温度长期维持在1100以上，故在第一级喷嘴处无法直接测量这个温度。而是通过测量涡轮排气温度和压气机出口压力，计算得到工作温度。压气机出口压力代表通过涡轮的压力降，还要对大气温度作修正9。由于冷空气密度大于暖空气，对于同样的负荷，冷天压气机出口压力将比暖天高，因此冷天涡轮有较高的压降和温降，所以为了保持同样的工作温度，排气温度必须保持在较低值。2)顺序(程序)控制顺序控制电路提供了在起动、运行、停机和冷机期间轮机的、发电机的、起动装置的和辅机的顺序。顺序控制系统监测保护系统和其他主要系统，如燃料和液压滑油系统，并发出轮机按预定方式起和停的逻辑信号。这些逻辑信号包括转速级信号，转速设定点控制，负荷能力选择，起动设备控制和计时器信号等10。3)保护系统设计保护系统是当关键参数超过临界值或控制设备故障时通过切断燃料流量遮断轮机。切断燃料流量是同时通过两个独立的装置：截止阀，这是主要的；燃料泵和燃料控制阀，这是第二位的。截止阀是通过电气和液压两个信号来关闭的。燃料泵和控制阀只通过一个电气信号关闭。系统设置了如下保护系统11：(1)超温保护(2)超速保护(3)熄火保护(4)振动保护(5)燃烧监测保护此外还有一些保护功能，例如润滑油压力过低或润滑油温度过高等等。虽然这也很重要，同样危及机组的安全。但从结构上采用较简单的元件来实现。这些保护系统在起动和运行的整个过程甚至包括盘车过程，随时监视着轮机。一旦参数达到临界值或者任何一个保护系统出现故障都发出报警信号12。2.3 PLC概述2.3.1 PLC发展及现状PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一批可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了13。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。 在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。 PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。对应中型PLC以上，均采用16位32位CPU，微小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位32位CPU14。由于I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。 PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。 PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.10.2秒，更快的则选用50毫秒或更小的消灭周期15。它是一个数字采样控制系统。 为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有：基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便16。PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)在我国已有实例。另外，在离散事件冬天系统中，如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。PLC的前途一片美好，一切悲观的论点是站不住脚的。至于技术进步，PLC与其它技术融合以至消失，那还需要一定的时间17。2.3.2 STEP7概述SIMATIC STEP7作为一个平台，它可以集成各种控制设备的软件，使不同设备以及西门子PLC站点具有相同的数据库，所有设备的编程、配置、调试、数据路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成，从而实现一个项目中所有控制任务的集成。掌握STEP7是学习西门子公司自动化产品的基础。2.3.3 PLC400概述由于此次课题的控制对象燃气轮机的输入输出多而且复杂，所以采用的是西门子的SIMATIC S7-400系列的PLC。SIMATIC S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。SIMATIC S7-400可编程控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。与以往的PLC相比，S7-400提高了运算和通讯能力，整体运算速度加快了60%。同时也提高了工作存储卡、内置装载存储卡、FC、FB、DB块的数量。在400PLC上全新集成PROFINET接口的CPU，提高了网络通讯能力。而且在S7-400上添加了SFC 109 PROTECT，可以选择额外的写保护。PLC的固件可以通过网络进行升级。与V4 CPU相比，S7-400的CPU降低了后备电流。而且免安装的集成开发环境不必担心程序库的版本兼容问题，基本无需更新。客户端计算机速度慢也无关紧要，服务器会协助计算。2.4 本章小结本章先介绍了燃气轮机的生产工艺，在此基础上详细分析了燃气轮机的控制要求。在本章的后一部分，对PLC的发展现状做了概述，同时对此次课题所采用的西门子PLC400、STEP7以及PROFIBUS做了简要说明。第三章 燃气轮机方案的设计3.1 燃气轮机顺序控制系统3.1.1 起动程序控制起动程序控制也就是燃气轮机整个起动过程的顺序逻辑控制。从起动起动机、带动燃机转子转动、燃机点火、转子加速直至达到额定转速。起动程序安全地控制燃机从零转速加速到额定运行转速，在这个过程中要求燃机热通道部件的低周疲劳为最小，既保证较迅速的起动又不能产生太大的热应力。起动程序还涉及到一系列辅机、起动机和燃料控制系统的顺序控制命令。因为安全、迅速的起动还取决于燃气轮机各有关设备的适时运作，所以程序必须及时地查验各有关设备所处的状态。这些程序的顺序逻辑不仅与实施控制的设备有关还要和保护电路有关。起动程序发出的各种控制指令首先要依赖于现时燃机转子的转动速度。因而转速的正确检测在起动过程中是至关重要的。轮机用电涡流式磁性传感器测量转速。当转速达到一系列关键值时将发出一系列控制指令使相应电磁阀和泵动作。这些关键的转速级常用的有下列四个：14HR零转速(约0.31额定转速)：当轴转速低于L14HR(启动信号)释放值或在没有转动时L14HR触发(故障保安)，逻辑允许信号使离合器开始带电，开始轮机的盘车程序。14HM最小转速(约16额定转速)(9E约10额定转速)：最小转速逻辑表示燃机达到了允许点火的最小转速，在火花塞点火之前需完成清吹周期，然后点火。在停机过程中L14HM(清吹、点火指令)最小转速逻辑置“0”则提供了燃机停机后再起动的几个允许逻辑。14HA加速转速(约50额定转速)：L14HA(加速信号)的触发值为TNKl4HAl(典型值为额定转速的50)，释放值为TNKl4HA2(控制常数典型值为额定转速的46)。L14HA触发主要用于开始FSR加速控制，关闭事故润滑油泵。L14HA的释放主要用于热停机过程中使FSR箝位到零，从而使轮机熄火。14HS运行转速(约97额定转速)：L14HS(启动完成信号)的触发值为TNKl4HSl(典型值为97)，释放值为TNKl4HS2(控制常数典型值为95)。L14HS的触发为“真”主要用于表示起动程序已完成，从而开启压气机进口可转导叶，关闭压气机放气阀；L14HS的释放为“假”主要用于关闭压气机进口导叶，开启压气机放气阀、开动交流润滑油泵。继续下降转速基准直到最小值。火焰一直保持到转速下降到L14HA释放或者停机计时器时间到(5分钟)，FSR箝位置零，切断燃料为止。燃气轮机的起动过程是由起动程序控制和主控制系统中起动控制共同作用的结果。前者从起动开始给出顺序控制逻辑信号，后者从燃机点火开始控制燃料命令信号FSR值。起动控制作为开环控制是用预先设置的燃料命令信号FSR来操作。这些预设的FSR值为：“最小”、“点火”、“暧机”、“加速”和“最大”值。具体数值由控制技术条件根据现场考虑给出适当的值。这些FSR值存储在SPEEDTRONIC的起动控制系统。起动控制FSR信号通过最小值门来起作用，以保证其他控制功能按要求限制FSR。燃料命令信号都是由SPEEDTRONIC模块控制起动软件发出的。除了3个起动值(点火、暖机、加速)外，软件还设置最大和最小FSR，并提供手动控制FSR。按下“MANUAL CONTROL”(手动控制)开关和“FSR GAG RAISE OR LOWER”(FSR升或降)开关，就可以在FSR MIN(FSR最小)和FSR MAX(FSR最大)之间手动调整FSR给定值。当燃机停转时，由燃料控制阀和相关部件及电源构成校验系统。如果CRT显示出“SHUT DOWN STATUS”(停机状态)。点击主选择(MASTER SELECT)区的某个起动字段(CRANK、FIRE、AUTO及SER REM使主选择L43的逻辑从OFF转到工作状态。于是触发了准备起动电路，如果所有的保护电路和遮断闭锁都具备了“准备起动允许条件”，则CRT上STATUSFLD：READY TO START(准备字段：起动已准备就绪)。燃机就可以接受起动命令。在主控(MASTER CONTROL)区点击START(起动)并点击“EXECUTE COMMAND”字段，起动命令就进入逻辑顺序，也就是说开始执行起动程序。起动信号激励主控和保护回路以及起动所需的辅助设备。L4逻辑使遮断油压增压，使起动离合器啮合，随之起动电机开始转动带动主轴开始转动。CRT上显示出STARTING。当轮机开始转动时，L14HR信号使起动离合器线圈20CS失电，停止液压棘轮的工作。于是保持离合器啮合所需要的扭矩由起动电机提供。轮机转速继电器14HM指出轮机在清吹和燃烧室点火要求的转速下运转。还有一个清吹计时器L2TV清吹时间以使整个机组换四次空气(通过四倍机组通道容积的空气)为准，以保证任何可燃混合物吹出系统。K2TV正常的设定是1分钟。用L14HM信号开始计算，起动设备将保持转速直到L2TV起作用，就完成了这个周期。L14HM信号或清吹周期完成(L2TV=1)就给出燃料流量，点火过程设置了点火FSR和点火计时器L2F开始点火计时。当火焰检测器输出信号(L28FD)指出燃烧室中已建立火焰、暖机计时器L2W开始计时，燃烧命令信号降到FSR的暖机值。暖机是为了起动开始阶段轮机热通道部件的热应力减到最小。如果火焰没有建立，L2F计时器时间到(一般为60秒)，可以再给机组另一个点火信号，但将通过L2TV计时器延迟点火以避免燃料逐次积累。即使在不需要最初的L2TV清吹的机组上也要有此顺序。在完成暖机(L2WX)周期时，起动控制FSR以预定的速率斜升到“加速极限”的给定值，把起动周期设计成使加速周期所产生的工作温度适中。这是通过FSR缓慢地增长来完成的。由于燃料增加，轮机开始进入加速阶段，只要起动机还向燃气轮机提供扭矩，离合器就仍然保持啮合。当轮机转速超过起动机转速时，离合器就脱开，起动机就停车。转速继电器14HA指出轮机正在加速。当程序完成即L14HS触发，起动程序就结束了。FSR就由转速控制回路控制，辅助系统就停机。起动期间，起动控制软件建立最小允许的FSR值。如前所述，其他控制回路也可以减少和调节FSR以完成他们的控制功能，在起动的加速阶段这是可能的。但是如果达到温度控制限制，则是不正常的。CRT上将显示正在进行控制的FSR。燃机控制系统中的最小FSR限制是为了避免FSR的过分降低，以致在过渡期间熄火。例如，轮机突然甩负荷，燃机控制系统回路要把FSR信号迅速压低，而最小FSR给定值则建立了避免熄火的最小燃料流量值。3.1.2 正常停机程序控制正常停机亦称热停机，既不同于燃机点火前(冷拖时)停机又区别于紧急停机。当主控制选择停机并开始执行时将产生一个L94X信号。此时如果发电机线路断路器在闭合状态则转速负荷给定点TNR开始下降。以正常速率减少FSR和负荷。一旦逆功率继电器动作则立即断开发电机断路器。随之转速基准TNR继续下降，转速也逐渐下降直到额定转速的46左右，即14HA释放，FSR箝位到零，关闭燃料截止阀切断燃料供应。3.2 燃气轮机主控系统子系统燃气轮机设置了下列几种改变轮机燃料消耗率的主控制系统：(1)起动控制系统(Start up)；(2)转速控制系统(Speed)；(3)温度控制系统(Temperature)；(4)加速控制系统(Acceleration)；(5)停机控制系统(Shut down)；每个系统输出的燃料行程基准(指令)FSR(Fuel Stroke Reference)如下：(1)起动控制燃料行程基准FSRSU；(2)转速控制燃料行程基准FSRN；(3)温度控制燃料行程基准FSRT；(4)加速控制燃料行程基准FSRACC；(5)停机控制燃料行程基准FSRSD；此外还设置了手动FSR控制，输出FSPMAN。6个FSR量进入“MIN”一最小值选择门，选出6个FSR中的最小值作为输出，以此作为该时刻实际执行用的FSR控制信号。因而虽然任何时候6个系统各自都有输出，但某一时刻只有一个系统的输出在起控制作用。图3.1为燃料冲程基准计算示意图： 起动控制系统转速控制系统停机控制系统加速度控制系统温度控制系统最小值选择FSR手动控制系统FSRSUFSRNFSRSDFSRACCFSRTFSRMAN图3.1 燃料冲程基准计算示意图3.2.1 燃气轮机起动控制燃机起动过程是在程序控制系统和起动控制系统共同完成的。前者在上一节已说明，其要点是：通过操作接口选择操作指令键下达起动命令后，程控系统(及有关保护系统)检查准备起动允许条件、遮断闭锁的复位、开动辅助设备(如液压泵、燃料供给等)，根据程序去开关相应的阀、马达、使起动机把轮机带到点火转速、继而点火、再判断点火成功与否。随后进行暖机、关闭起动机等一系列动作，直到轮机达到运行转速才完成起动程序。而起动控制仅控制从点火开始直到起动程序完成这一过程中燃料供给(在燃气轮机系统中通过起动控制系统输出FSRSU)。燃机起动过程中燃料需要量变化范围相当大。其最大值受压气机喘振 (有时还要受透平超温)所限，最小值则受零功率所限。这个上下限随着燃机转速大小而变，在脱扣转速时这个上下限之间的范围最窄。沿上限控制燃料量可使起动最快，但燃机温度变化剧烈，会产生较大的热应力，导致材料的热疲劳而缩短使用寿命。对重型燃气轮机尤为重要。对用于发电的重型燃气轮机，其起动时间要求并不太高。因此对重型燃机起动过程中燃料控制的目标一般偏低，变化偏缓以求较小的热应力减轻热疲劳。燃气轮机以开环方式控制起动过程中FSR。当燃机被起动机带转到点火转速(约16额定转速，L14HM=I)并满足点火条件时，起动控制系统把预先设置的FSR点火值作为FSRSU输出。若点火成功，FSRSU立刻降到暖机值进行暖机，在暧机期间FSRSU保持暖机值不变，轮机的转速则在逐渐上升，实际燃料流量Gr，也在增加，通常完成一分钟暖机后，FSRSU以预先设置的变化率随时间斜升到加速值，随后再以另一个预先设置的速率继续斜升。3.2.2 转速控制转速控制系统是轮机最基本的控制系统，燃气轮机系统备有有差转速(Droop Speed)控制方式和无差转速（Isochronous Speed）控制方式二种控制算法。可根据需要分别选用。带动交流发电机时应选用有差转速控制方式，驱动压缩机或泵时可选用无差转速控制方式。当轮机处于转速控制时，控制方式“DROOP SPEED”或“ISOCH SPEED”将被显示。有差转速控制遵循比例控制规律，也就是FSR的变化正比于给定转速(即转速给定点Speed Set Point或转速基准Speed Reference)TNR与实际转速TNH之差： (3.1)图3.2 有差转速控制原理图图3.2表示如下关系： (3.2)式中：FSRN有差转速控制的输出FSRFSRN0轮机全速空载的FSR值(在这里作为控制常数存入存储单元)KDROOP决定有差转速控制不等率的控制常数。上式即比例控制规律 (3.3)FSRN=FSRN0时，由上式可知，此时 TNH=TNR，即转速基准 TNR 正好就是空载时的转速TNH。当FSRN由 FSRN0 值变到额定负荷值 FSRNe 时，转速的变化是额定负荷下的（TNR-TNH），它正好就是有差转速控制的不等率。所以有 (3.4)转速基准TNR信号增减时，静态特性曲线作上下平移。若轮机尚未并网，则轮机转速TNH随之变动（此时TNH=TNR）。若轮机已经并网，则TNR变化却改变轮机出力，TNR升，出力就增加，TNR降，出力就减小。所以TNR又称为转速负荷基准。3.2.3 加速控制加速控制信号将转子角加速度信号与给定值比较，若角加速度实测值超过了给定值，则减小加速控制FSR值FSRACC，以减小角加速度，直到该值给定值为止。若角加速度值小于给定值，则不断增大FSRACC，以此使加速控制系统自动退出控制。由此可见加速控制系统其实质是角加速度限制系统。角加速度为正值时就是转速增加的动态过程，加速控制系统仅限制转速增加的动态过程的加速度，对稳态(静态)不起作用，对减速过程也不起作用。加速控制系统主要在二种加速过程发挥作用。(1)在轮机突然甩去负荷后帮助抑止动态超速。轮机甩去负荷后的过渡过程中，初期转速还未上升多少，FSRN减少也不多，但此时加速度却很大，FSRACC可能更小，这种就能在此期间更快地减小FSR、减小动态超速。(2)在起动过程中限制轮机的加速率，以减小热部件的热冲击。前已阐明，起动过程中，暖机完成以后，起动控制系统输出FSRSU，在暖机值FSKSUWU(14.4FSR)的基础上以FSKSUIA(0.5FSR/S)的速率斜升到FSKSUAR(30.6FSR)的基础上以FSKSUIM(5FSRs)继续斜升。而转速控制系统在起动过程中以TNKR10 (9TNH/M)的速率斜升TNR(直到TNH到达95)。转速控制系统输出FSRN： (3.5)式中FSKRN1=14.7FSR轮机全速空载时的FSR值。若TNH完全跟随TNR的变化，则FSRNFSKRN1。实际由于转子的惯性，TNH总是落后于TNR。因此起动过程中FSRN总是大于FSKRN1。在到达运行转速(97)附近，由FSRSU或FSRN经最小值选择后的FSR可能超过FSKRN1较多，因此温度将比空载值高较多，也具有较大的加速度。而到达运行转速，TNR起动斜升立即停止。FSR回到全速空载值，温度相应下降。这个温度变化较剧烈造成热冲击。加入加速度控制则通过限制加速度延缓到达运行转速前的加速过程，间接地抑制了这个过程中的温度上升，缓和了起动结束阶段的温度变化。3.2.4 温度控制燃气轮机的透平承缸及转子在高温下工作，它们承受热应力的巨大变化。叶片及其密封材料的强度随着温度的上升显著降低，对于燃气轮机来说，这些受热部件的强度余量本来就不大，所以运行中必须对透平的工作温度加以限制。温度控制就是根据透平温度来调节燃气轮机燃料量，防止高温通道部件烧坏。 由于燃气轮机透平初温较高（1100以上），检测其温度较困难，所以利用容易检测的排气温度来控制燃气轮机的工作温度。燃气轮机方案设置温度控制系统，根据轮机排气温度信号与温控基准（Temperature Control Reference）比较的结果去改变FSRT温度控制FSR。当排气温度超过温控基准时，去减小FSRT，当它小于FSRN时，温度控制系统便进入控制，直到排气温度降到温控基准为止。当排气温度低于温控基准时，去增加FSRT，使FSRT超过FSRN，温度控制系统便退出控制。所以温度控制系统实为最高温度限制系统。图3.3为燃气轮机温度控制系统简化原理图 图3.3 温度控制系统简化原理图代表燃气轮机燃烧状态的排气温度反馈信号TTXM与温控基准TTRX在减法器相减，输出信号 (3.6)这个差值与FSR在加法器中相加之和作为中间值选择的一个输入，通常就是这个输入作为中间值通过中间值选择成为 FSRT中间值选择的另外两个输入 FSRMAX 和FSRMIN为中间值选择设置最大和最小值极限。 排气温度超过温控基准时，T0，这时 FSRTFSR，温度控制系统进入控制，每一个采样周期 FSR便减小一个T的绝对值，同时排气温度便不断降低。T的绝对值不断减小，直到排气温度降低到温控基准， T=0为止。排气温度低于温控基准时，T0，这时FSRTFSR，FSRT便被最小选择门所阻挡，使温度控制系统退出控制。轮机排气温度随负荷增加而升高，通常在运行工况的最大功率附近进入温度控制。在并网发电时，升高转速基准 TNR增加出力(功率)，到一定值时，排气温度升到温控基准，就开始进入温度控制的限制。从此若再升高TNR(由于FSRN 为最小选择门所阻挡，转速控制系统退出控制)也无法提高出力。温控基准为燃机设置了运行工况(功率、温度等)的上限。3.2.5 停机控制正常停机是通过接口机的主显示选择STOP目标字段而给出停机信号L94X。如果发电机断路器是闭合的，一旦给出L94X信号，数字给定点开始以正常速率下降以减少FSR和负荷。直到逆功率继电器动作使发电机断路器开路18。此时FSR将逐步下降到最小值FSRMIN。所给定的最小值FSRMIN应做到在34分钟内让燃机下降到L14HA失电值(约46TNH)。当L14HA失电将导致FSR被箝位于零，从而关闭燃料截止阀切断燃料。在停机过程中由于燃料的减少和切断使得燃机的热通道部分受到温度变化的冲击而产生应力。犹如其起动过程一样，升温和降温速度过快同样影响了机组部件的使用寿命。因此要通过控制系统来控制停机过程中FSRSD的递减速率来合理控制热应力的大小。在主控系统中由FSRSD作为停机过程中FSR控制是在最近几年中新增的。3.2.6 手动控制操作者可以通过操作接口手动控制FSR。一般是在控制器故障或调试时才用。手动控制燃料行程基准FSRMAN也将作为最小值选择门MIN SEL的诸项输入之一。3.2.7 FSR最小值选择6个控制系统分别控制其相应的燃料行程基准是：(1)FSRSU起动控制系统；(2)FSRACC加速控制系统；(3)FSRT 温度控制系统；(4)FSRN转速控制系统；(5)FSRSD 停机控制系统；(6)FSRMAN 手动FSR控制系统。这6个燃料行程基准输到FSR最小值选择门，选出其中最小值赋给FSR作为选用的燃料行程基准。同一时刻仅有一个系统的燃料行程基准通过最小值选择门，进入控制。FSR最小值选择门保证了上述各控制系统的协同配合。例如轮机点火时，FSR=FSRSU，处于起动控制。而其他控制系统都处于退出控制状态。这是由于：(1)转速远低于转速基准(虽然此时转速基准设置为起动最小值)，FSRN=FSRMAX；(2)转子尚由起动装置驱动，转速增加不会太快，加速控制系统不可能进入控制，FSRACC=FSRMAX；(3)燃机点火排气温度还很低，温控系统不可能进入控制，FSRT=FSRMAX；(4)在起动过程没有停机信号，当然停机控制退出控制，FSRSD=FSRMAX；(5)非手动情况下FSRMAN=FSRMAX，手动控制退出。起动过程中，暧机阶段转速低，加速度也低，只有起动控制系统可能进入控制。嗳机后的加速过程中转速控制系统，起动控制系统最有可能介入控制，温度控制和加速控制只是后备限制。点火、暧机都由起动控制系统控制。暖机以后，开始仍由起动控制系统按起动加速速率提升FSR。排气温度TTXM和转速TNH随之上升。到200秒左右，TNH达到40左右，转速控制介入，TNR按起动上升速率上升。因此TNH也近似于直线上升。但FSR上升速率已较起动控制系统起动加速FSR上升速率低，起动控制系统由此时起退出控制。再以后可能是转速控制或加速控制的复杂过程，起动程序完成转速便停在1003，加速立即停止，所以FSR降下来，稳定在全速空载值上，等待并网。并网运行时，起动控制、加速控制都处于FSRMAX，因而处于退出状态。可能进入控制的是转速控制和温度控制。在功率不太高的情况下，排气温度达不到温控基准，温控系统退出控制，由转速控制系统控制运行19。升降转速基准就可以增减功率。功率增加到一定程度，排气温度升到温控基准，温控系统便进入控制，此时FSRT减小，直到低于FSRN，转速控制系统便退出控制，功率便被温控所限，再增加转速基准也不能增加功率(同时程序也禁止调节器增加转速基准)。如果运行选择由“基本”负荷转向“尖峰”负荷，则温控线向上提高一挡，温控系统就退出控制，重新由转速控制接管。这时便又可以通过升TNR进一步提高功率，直到排气温度到达尖峰温控线。最小值选择门选出6个控制系统要求的FSR的最小值，作为执行控制的FSR送往燃料控制系统。3.3 燃料控制系统主控系统中任何一种方式都是确定燃料行程基准FSR输出量。燃料控制系统则是根据FSR确定进入燃烧室的各种燃料的总量。燃料总消耗率应为： （千克/秒） (3.7)大部分的燃气轮机通常配备有双燃料系统即气体燃料系统和液体燃料系统。燃机运行时可以采用其中一种燃料也可以采用气/液混合燃料。因而燃料控制系统还应包括把总燃料消耗率分解为两种燃料的适当比例。 (3.8) (3.9)FSR1液体燃料行程基准 FSR2气体燃料行程基准 液体燃料系统使液体燃料流量按式3.10变化 (3.10)气体燃料系统使气体燃料流量按式3.11变化 (3.11)3.4 硬件设计3.4.1 燃气轮机主要输入输出在硬件设计的开始，详细分析了系统的输入输出信号，如图3.4为部分符号表的截图：系统的主要输入输出有：START启动按钮：触发启动逻辑信号，检查保护系统，使系统做好启动准备。STOP停机按钮：触发停机逻辑信号，令保护系统、辅助系统等做好停机准备。L14HM(清吹、点火指令)：检测轮机转速状态，若转速达到TNKL14HM，则发出清吹、点火信号L14HM，先后触发清吹和点火程序，并使起动控制系统输出点火FSR信号。L14HA(加速信号)：检测轮机转速状态，若转速达到TNKL14HA，则发出加速信号L14HA，开始FSR加速控制，使起动控制系统输出加速FSR信号。L14HS(启动完成信号)：检测轮机转速状态，若转速达到TNKL14HS，则发出启动完成信号L14HS，表示启动程序已结束，取消启动逻辑信号，系统随之进入转速控制系统。最小FSR值：存储在系统内的预设值，是在系统运行过程中避免系统熄火的最小FSR值。点火FSR值：存储在系统内的预设值，启动时，系统判定转速达到点火转速时，调用该FSR值。加速FSR值：存储在系统内的预设值，启动时，系统判定转速达到加速转速时，调用该FSR值。图3.4 部分符号表截图燃气流量输入：在燃气管路上进行流量检测，以便对燃气流量进行控制。压气机空气流量输入：在进入压气机的空气管路上进行流量检测，以便对流量进行控制。燃机转速输入：顺序控制系统中的启动、停机系统以及主控系统中的转速控制子系统都是根据转速的判定而逐步运行的。额定转速值：作为一常量存储在系统内，系统通过比较额定转速和转速采样值而控制系统的加速或平稳运行。排气温度输入：在透平的排气口出进行检测，用以控制透平内部的温度，防止温度超限；如果发生故障温度严重超限就会发出报警信号，以便工作人员及时对故障进行处理。转子角加速度信号：系统通过对燃机转速的处理得到转子角加速度信号，加速控制信号通过将转子角加速度信号与给定值比较，然后差值信号进入加速度控制系统。FSRSU：作为起动控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRACC：作为加速度控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRT：作为温度控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRN：作为转速控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRSD：作为停机控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRMAN：当燃机进入手动控制系统时，作为手动控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制，在非手动控制状态下，FSRMAN=FSRMAX.。燃烧室压力输入：检测燃烧室内气体的压力，以便控制燃烧室的压力在正常的范围内。压气机入口阀、燃气入口阀位置反馈：对相关阀门的位置进行检测，防止由于相关阀门的故障而影响燃气轮机的控制。3.4.2 控制系统硬件实现3.4.2.1 模块的选择本系统中的输入输出包括数字量输入、模拟量输入、数字量输出和模拟量输出。在模拟量输入中有用以测量排气温度的TC-K的传感器24对，用以测量转速的电涡流式磁性传感器若干个。远程机架采用的是IM153-1。数字量输入选用的是DI32*DC24V 6ES7 321-1BL00-0AA0。数字量输出选用的是D032*DC24V/0.5A 6ES7 322-1BL00-0AA0.模拟量输入选用的是AI8*TC 6ES7 331-7PF10-0AB0和AI8*13Bit6ES7 331-1KF00-0AB0。模拟量输出选用的是AO4*12Bit 6ES7 332-5HD01-0AB03.4.2.2 PROFIBUS概述本次设计采用的是西门子PLC400的主站，然后利用PROFIBUS连接了4个远程机架。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在9.6kbaud12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP（ Decentralized Periphery）PROFIBUSPA（Process Automation ）PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。PROFIBUSDP: 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式IO的通信。使用PROFIBUSDP可取代办24VDC或420mA信号传输。PORFIBUSPA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。PROFIBUSFMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络(Open System Interconnection-OSI)作为参考模型的。该模型共有七层。(1)PROFIBUSDP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为。(2)PROFIBUSFMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范(Fieldbus Message Specification FMS)和低层接口(Lower Layer Interface LLI)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。(3) PROFIBUSPA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUSDP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC11582标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三六层末使用，第七层为应用层。3.4.2.3 PLC硬件组态本系统选用的是PLC400的主站，然后利用PROFIBUS连接远程机架，机架选择的是IM153-1，PLC系统按功能分为4个站，启动、停机各一个站，主控系统占用1个站，温度、监测等安全保护一个站。PLC硬件组态如图3.5：图3.5 PLC硬件组态图3.5 本章小结本章对燃气轮机的控制系统做了详细分析。简要的叙述了顺序控制系统的控制过程。对燃气轮机的主控系统按功能分别进行了叙述。给出了主控系统的主要输入输出，并且根据IO表选择了PLC的模块，对控制系统进行了硬件设计。第四章 软件设计及仿真4.1 燃气轮机主控系统软件设计4.1.1 STEP7模块概述在SIEMENS S7-300/400系列PLC中有多种程序块，如下图(在管理器右边的空白区域点击右键)，主要有：组织块(OB)，功能块(FB)，功能(FC)，数据块(DB)及系统功能(SFC)和系统功能块(SFB)等。这几种程序块的功能简要说明如表4.1：表4.1 程序块功能简要说明程序块功能简要概述组织块(OB)是CPU操作系统与用户程序的接口，被操作系统自动调用。系统函数块(SFB)与系统函数(SFC)SFB、SFC集成于S7 CPU中，通过调用可以访问一些重要的系统功能，如CPU时钟，CPU诊断缓冲区。函数块(FB)FB可以使用户编写的函数带有“存储区”。函数(FC)FC可作为子程序，也可作为经常调用的函数使用。背景数据块(Instance DB)背景DB块与FB、SFB调用相关，在调用时自动生成，存储FB、SFB中所有的数据，并作为它们的“存储区”。数据块(DB)DB块存储用户数据，与背景DB相比，DB块格式由用户定义。OB由系统自动调用，并执行用户在OB块中编写的程序，所以OB的基本作用是调用用户程序。在OB块中编写程序的最大容量，S7-300是16KB，S7-400是64KB。除主程序循环OB1外，其它OB均是由事件触发的中断16。函数FC有两个作用：(1)作为子程序用；(2)作为函数用，函数中通常带形参。函数中程序的最大容量，S7-300是16KB，S7-400是64KB。FC的形参通常也称为接口区，参数类型分为输入参数，输出参数，输入/输出参数和临时数据区。在编写函数FC的输出参数时，应避免没有直接输出(否则，可能输出一个随机值，影响程序的判断)。可以在函数的开始，将字输出参数清0，位输出参数复位。FB与FC相比，FB每次调用都必须分配一个背景数据块，用来存储接口数据区(TEMP类型除外)和运算的中间数据。其它程序可以直接使用背景数据区中的数据。FB中程序的最大容量，S7-300是16KB，S7-400是64KB。FB的接口区比FC多了一个静态数据区(STAT)，用来存储中间变量20。程序调用FB时，形参不像FC那样必须赋值，可以通过背景数据块直接赋值。由于FB带有背景数据块，输出参数不会输出随机值，可以不在FB中编写初始化程序。DB用来存储用户数据及程序的中间变量，为全局变量。DB的最大容量，S7-300为32KB，S7-400为64KB。DB可分为共享数据块(Share DB)、背景数据块(Instance DB)和用户自定义数据(UDT)类型的数据块21。共享数据块可作为所有程序使用的全局变量，在CPU允许的条件下，一个程序可创建任意多个DB，每个DB的最大容量为64KB。默认条件下，共享数据块为掉电保持，在其属性菜单中选中“Non Retain”可以更改为掉电数据丢失。如CPU中无足够的内部存储空间保存数据，可将指定的数据保存到共享数据块。存储在共享数据块中的数据可被其它任意一个块调用(全局变量)。这一点和背景数据块不同，背景数据块只能被指定的功能块(FB)使用，保存在背景数据块中的数据只能在这个功能块中有效。背景数据块与FB和SFB关联，也是全局变量。背景数据块和共享数据块相比，只保存与FB或SFB接口数据区(Temp)相关的数据。背景数据块中有一种比较特殊的数据块，称为多重背景数据块。基于UDT的数据块为全局变量，提供一个固定格式的数据结构，便于用户使用。SFC和SFB集成在CPU中，相当于系统提供的可供用户程序调用的FC或FB，实现与CPU系统相关的一些功能，如读写CPU时钟等功能。调用SFB需要背景数据块。4.1.2 程序结构设计PLC选用西门子的400PLC，根据西门子的编程软件STEP7的编程规则，将程序按功能分为若干块，每块分别建立相应的FB、FC，在建立若干数据块DB与程序块相对应。由OB1统一调用，程序的结构图如图4.1：在STEP7编程时需要建立相应的特殊模块，以保证PLC在出现一些故障时能继续正常的运行，比如OB82、OB85、OB121等。各个模块的功能分别为：OB1：主循环执行程序，基本组织块，它被循环扫描执行，当PLC从STOP状态切换到RUN 状态时，首先调用OB1一次，为用户主程序的运行准备环境变量或参数，其后操作系统开始周而复始地调用OB1，调用OB1的时间间隔称为扫描周期，扫描周期的长短主要由OB1 程序所需的时间决定。为防止程序陷入死循环，CPU设有监视定时器WDT，WDT的定时间隔可由软件设置，它确定了主循环扫描周期的最长时间，一般扫描周期应小于WDT的定时间隔，如果扫描周期大于设定的最大允许循环时间，操作系统调用循环时间超时的中断处理程序OB80，如果OB80没有编写处理程序，则CPU将进入停止状态。图4.1 程序结构框图OB35:定时中断程序。OB35是一个以固定时间循环运行的定时中断组织模块，其调用周期要长于其内部程序的执行时间，否则会造成出错。本系统中OB35调用FC4，FC5，FC11进行数据处理。OB80 时间故障组织块。执行时出现故障CPU 的操作系统调用OB80。这样的故障包括：循环时间超出、执行OB 时应答故障、向前移动时间以致于跃过了OB 的启动时间、CiR 后恢复RUN方式。OB81 电源故障组织块。OB81与电源(仅对S7-400) 或后备电池(当到来和离去事件)有关的故障事件发生时，S7-300CPU的操作系统调用OB81。OB82 诊断中断组织。如果模块具有诊断能力又使能了诊断中断，当它检测到故障时，它输出一个诊断中断请求给CPU(到来和离去事件)。于是操作系统调用OB82。OB82 的局部变量中含有故障模板四个BYTE 的诊断数据(见下表)。如果OB82 未编程，CPU 变为STOP方式。OB100 暖启动。其间所有的过程映像区和非存储的存储位、计时器、计数器全复位仅执行一次。OB121 编程故障组织块。当有关程序处理的故障事件发生时CPU 的操作系统调用OB121。FC1 起动程序控制。当按下启动按钮后，OB1运行调用FC1，FC1调用启动顺序逻辑控制，启动完成后结束该程序。FC2 停机程序控制。当按下停机按钮后，OB1运行调用FC2，FC2调用停机顺序逻辑控制。停机后该程序随之结束。FC3 主控系统的起动控制。在启动过程中，当燃机转速达到预设的加速转速时，OB1运行调用FC3，FC3通过对转速的判定，调用相对应的FSR值，从而实现对燃机启动过程中的FSR控制。FC4 主控系统的转速控制。当OB运行时调用FC4，FC4通过有差转速控制和PID调节，从而得出一个FSRN信号，该信号输出到最小值门选择，参与系统控制。FC5 主控系统的加速控制。当燃机加速度值高于系统的限制值时，减小FSRACC的值，使得加速度控制子系统的输出成为最小值选择门的输出量。FC6 主控系统的温度控制。当燃机排气温度高于系统的限制值时，减小FSRT值，使得温度控制子系统的输出成为最小值选择门的输出量。FC7 主控系统的停机控制。在停机过程中，程序运行时调用FC7，FC7对燃机的FSR进行控制，逐步减小FSR值，直到熄火时关闭燃料。FC105 数据类型转换。功能FC105是数据类型转换功能，INT型转换为REAL型。是STEP7自带的功能，将INT型数据转换为REAL型数据。FC106 数据类型转换。功能FC106是数据类型转换功能，REAL型转换为INT型。是STEP自带的功能，与FC105功能相反，是将REAL型数据转换为INT型数据。FB1 最大值限制程序。FB1控制是将系统的输入值(温度或加速度)与系统的预存最大值进行比较，然后返回相应的控制系统，改变对应的FSR值。FB41 PID调节模块。FB41是STEP7系统自带的连续理PID调节模块，相对于FC功能块，FB 是一种“带记忆”的逻辑功能块，在调用FB 时需要有一个数据结构与功能块的变量声明表完全相同的背景数据块附属于它，该数据块随FB 的调用而打开，随FB 的结束而关闭，数据可以保存在DB 背景数据中。FB41是STEP7向用户提供的通用功能块。在STEP7中所建立的工程程序块如图4.2 图4.2 STEP7工程程序块4.1.3 软件设计以下是部分控制回路的软件设计。起动控制：燃机的起动过程是由起动程序控制和主控系统中的起动控制共同作用的结果，前者从起动开始给出顺序控制逻辑信号，后者从燃机点火开始给出控制燃料命令FSR信号。当按下启动按钮后，程序开始运行，FC1开始控制系统并发出顺序起动逻辑信号，使机组依次进行启动前检查、盘车、起动起动电机及有关辅助设备、冷拖、清吹、点火、暖机、加速、起动电机脱扣等一系列指令。同时，主控系统的起动控制系统通过判定燃机的转速，得知燃机起动过程中所处的状态，配合起动程序控制，输出相应的燃料FSR值。当燃机的转速达到额定转速时，FC1和FC3得到该反馈值之后，将结束程序退出控制。图4.3为燃机起动程序框图：图4.3 燃机起动程序框图转速控制：程序运行时，FC4段调用FB41即PID控制器对转速进行控制，系统先对转速控制回路的各个模块进行故障检测，如果出现故障则切换到手动控制状态。若果传感器正常，程序先将PID的输出（即额定转速TNR）输送到手动的给定位，以便在出现故障时手动进行控制。之后读取工作人员所设定的给定，再与电涡流式磁性传感器所检测的即时转速TNH进行比较，然后把差值进行PID运算，经过数据转换之后，再进一步处理，得到相应的FSRN燃料基准信号，然后将该信号输出到最小值选择门，进而控制燃气流量，从而达到调节转速的目的。转速控制程序流程图如图4.4：图4.4 转速控制程序流程图温度控制：温度控制过程与加速度控制过程相似，图4.5为温度控制