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（申请工学硕士学位论文） 汽轮机汽轮机 DCS 系统的设计系统的设计 与研究与研究 培养单位培养单位 ：自动化学院：自动化学院 学科专业学科专业 ：电力电子与电力传动：电力电子与电力传动 研 究 生研 究 生 ：任俊闯：任俊闯 指导教师指导教师 ：罗惠谦 副教授：罗惠谦 副教授 2010年 5 月 汽轮机DCS系统的设计与研究 任俊闯 武汉理工大学 分类号分类号 密密 级级 公开 UDC 学校代码学校代码 10497 学学 位位 论论 文文 题 目 汽轮机 DCS 系统的设计与研究 英 文 题 目 Design and Research on DCS System of steam turbine 研究生姓名 任 俊 闯 姓名 罗惠谦 职称 副教授 学位 学士 单位名称 武汉理工大学 邮编 430070 申请学位级别 硕士 学科专业名称 电力电子与电力传动 论文提交日期 2010.5 论文答辩日期 2010.5.22 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 2010.6 答辩委员会主席 徐华中 评阅人 徐华中 教授 张素文 教授 2010 年 5 月 指导教师 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明， 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 学位论文使用授权书学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息 服务。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 研究生（签名） ： 导师（签名） ： 日期 I 摘要 汽轮机主要分为电站汽轮机、船舶汽轮机和工业汽轮机，工业汽轮机广泛用 于石化、电力、冶金、建材、环保、能源综合利用等工业领域，具有转速高、热 力参数、功率及转速变化范围大的特点，是大型工业装置中的关键动力设备。传 统方式下，汽轮机的启停过程是由运行人员按照运行规程完成的，运行过程中的 状态监视和数据管理也多依赖于运行人员的经验； 而其控制系统多采用机械液压 控制系统，这种结构组成造成了调节精度低和自动化程度低的缺点；汽轮机在运 行过程中，当运行参数发生变化危及系统安全时，安全有效的保护措施也是必要 的。因此，为保证汽轮机运行的安全性、可靠性、经济性，必须设计出具有良好 的通用性、可靠性和性价比优越的集散控制系统。 本文致力于汽轮机的控制和管理，以汽轮机 DCS 系统为核心，重点讨论了 汽轮机的控制过程，保护原理和数据管理，并详细介绍了其实现方法，很好的实 现了控制的有效性，系统工作的稳定性以及保护系统的可靠性，是实现工厂智能 控制和管理的重要一步。文中综述了汽轮机以及 DCS 系统的发展，确立了以可 编程逻辑控制器（PLC）为控制核心，对汽轮机的控制系统做了总体设计，包括 调速系统和汽轮机设备控制，然后对汽轮机的保护原理进行分析，并设计出了汽 轮机紧急跳闸保护系统（ETS） ，实时根据现场工况判断系统的工作状态，在有 危险状况时，能及时有效的保护汽轮机的安全；根据 DCS 系统的需要，对现场 测点分布和信号处理给出了详细分析， 并给出了现场测点的分布和对数字量信号 的冗余处理和模拟量信号的校正处理，提高系统工作的可靠和稳定；以工业组态 软件 WINCC 和 OPC 技术为基础，设计了友好的上位机人机接口。 结果表明，本汽轮机 DCS 系统有效的起到了分散控制和集中管理的作用， 其控制性能良好，精度高，响应速度快；ETS 系统能在发生危险状况时及时有效 的停机保护系统；上位机监控系统能及时准确的显示实时数据，报警信号，并提 供方便的操作按钮。本系统工作稳定，运行可靠，维护方便，软件功能完善，具 有良好的工作特性。 关键词关键词 汽轮机； DCS 系统； ETS； WINCC II Abstract Steam Turbine includes steam-turbine for power plant, turbine for marine propulsion and industrial steam turbine; industrial steam turbine is widely used in industrial areas, such as petrochemical, electric power, metallurgy, building materials, environmental protection and comprehensive utilization of energy. It has high speed and a large range of thermal parameters, power and speed characteristics, is key power equipment in the large industrial plant. Under the traditional way, turbine start-stop process is run by the operating personnel In accordance with operating standard. The status monitoring and data management during operation mostly depend on the experience of operating personnel. And mechanical hydraulic control system is used in its control system, adjust the composition of this structure resulted in low precision and the shortcomings of low degree of automation; Turbine during operation, when the operating parameters change and endanger security of the system, safe and effective protection measures are necessary. Therefore, to ensure the turbine operating safety, reliability, economy, the distributed control system with good versatility, reliability and cost advantages must be designed. In this paper, the control and management of steam turbine are valued, DCS system of steam turbine as the core, the process of the turbine control, protection principles and data management are focused on, introduced in detail its implementation methods, achieved the effectiveness of control, The stability of the system work, reliability of Protection system, it is an important step for the realization of intelligent control and management of the factory. The development of steam turbine and the DCS system is reviewed; Programmable Logic Controller (PLC) is established as the control center, the control system of steam turbine is designed, including the speed control system and turbine device control, then the principle of the steam turbine protection is analyzed, and designed Emergency Trip System, according to the site conditions, the working state can be determined , when the danger occurred, the turbine can be protected timely and effectively. According to the needs of DCS system, distribution of measuring point and signal processing are analyzed. Based on industrial configuration software WINCC and OPC technology, friendly man-machine interface is designed. The results show that the DCS system has played an effective role in Decentralized control and centralized management. It has good control performance, III high precision, fast response; ETS system can protect the system timely and effectively in the event of dangerous conditions; PC monitoring system can display real-time data and alarm signals accurately and timely, and provide convenient buttons. The system is stable, reliable operation, easy maintenance, software functional. Keywords Steam Turbine; DCS System; ETS; WINCC IV 目录 摘要.I ABSTRACT.II 目录.IV 第 1 章 绪论.1 1.1 课题研究的背景和意义.1 1.2 汽轮机及 DCS 系统的发展概况.2 1.2.1 工业汽轮机的发展.2 1.2.2 DCS 系统的发展.3 1.3 论文的研究内容.4 第 2 章 汽轮机 DCS 系统总体方案设计.5 2.1 DCS 系统结构设计.5 2.2 系统硬件设计.6 2.3 DCS 系统冗余设计.7 2.2.1 CPU 冗余.8 2.2.2 I/O 冗余 .9 2.2.3 网络冗余.9 2.2.4 电源冗余.10 2.3 DCS 系统通信网络.11 2.4 本章小结.11 第 3 章 汽轮机 DCS 系统过程控制方案的设计.13 3.1 汽轮机结构.13 3.2 汽轮机过程控制方案设计.14 3.3 汽轮机调速系统.15 3.3.1 调速原理.15 3.3.2 调速方案设计.17 3.4 热井水位调节系统.20 3.4.1 凝汽设备工作原理.20 3.4.2 热井水位调节实现.21 3.5 设备控制.25 3.6 本章小结.27 第 4 章 汽轮机 DCS 系统保护方案的设计.28 4.1 ETS 系统.28 4.1.1 超速保护.28 4.1.2 轴向位移保护.29 4.1.3 排汽室真空低停机保护.29 4.1.4 轴瓦回油温度高停机保护.29 4.1.5 轴承轴瓦温度高停机保护.29 V 4.2 ETS 方案设计.30 4.2.1 电源回路.30 4.2.2 信号输入回路.31 4.2.3 信号输出回路.31 4.2.4 执行回路.31 4.3 ETS 实现.32 4.4 汽轮机启动安全.34 4.4.1 汽机启动准备.34 4.4.2 启动前的实验方法.35 4.5 系统接地保护.35 4.6 本章小结.36 第 5 章 汽轮机 DCS 系统现场检测设计.37 5.1 DCS 系统现场测点分布.37 5.2 模拟信号处理.38 5.2.1 温度信号.38 5.2.2 电流信号.42 5.3 本章小结.44 第 6 章 汽轮机 DCS 系统人机接口的设计.45 6.1 监控级人机接口设计.45 6.1.1 WINCC 概述 .45 6.1.2 WINCC 应用开发 .46 6.1.3 WINCC 数据存储管理.51 6.2 管理级人机接口设计.52 6.2.1 OPC 技术概述.52 6.2.2 软件实现.53 6.3 本章小结.58 第 7 章 总结.59 致 谢.60 参考文献.61 作者在攻读硕士学位期间发表的论文.64 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 汽轮机是将蒸汽的热能转换成旋转机械的动能的设备，与其它热力发动机， 如燃气轮机、内燃机一样，使目前世界上最重要的原动力之一。主要用作发电 用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，前者也被 称为发电汽轮机，后者称为工业驱动汽轮机。工业驱动汽轮机广泛用于石化、 电力、冶金、建材、环保、能源综合利用等工业领域，具有转速较高、热力参 数、功率及转速变化范围较大，应用广泛，品种繁多等特点，是大型工业装置 中的关键动力设备。其控制系统承担着转速和负荷调节及工况控制的任务，直 接影响着机组运行的安全性、可靠性、经济性以及自动化程度。近几十年来， 随着工业的发展，工业汽轮机为各类工业部门提供动力，形成了一个新兴的工 业部门，在国民经济中起着重要的作用。 不同用途对汽轮机提出了不同的要求，发电用汽轮机必须使其输出电力的 电压、电流和频率达到要求，这要求汽轮机必须具有负荷调节的手段；工业用 汽轮机，其驱动的风机、泵类等的出口压力必须满足工艺要求，这些都要求汽 轮机有调节转速的能力；供热用汽轮机必须保证提供的蒸汽参数满足用户要求， 这就要求汽轮机具有压力调节的功能。在不同的运行方式下，这些参数之间可 能相互制约，互相影响，同时，为了满足汽轮机安全、稳定、经济运行的需要， 这就要对汽轮机其它参数，设备进行控制和调节。但是当这些参数，超过调节 系统能够控制的范围而危及汽轮机安全时，必须紧急停止汽轮机的运行，所以 必须配备保护系统，我们一般称保护系统为 ETS（Emergency Trip System） 1。 传统方式下，汽轮机的启动、停机过程是由运行人员按照运行规程，通过 人为设定转速、负荷、压力等目标值和变化速率来完成的，这种启动方式多依 赖于运行人员的经验。随着自动化技术的发展，自动化装置已经成为工业生产 过程中的重要组成部分，DCS 分散控制系统（Distributed Control Systems）是以 微处理器为基础，全面融合计算机技术、测量控制技术、网络数字通讯技术、 显示与人机界面技术而成的现代控制系统。DCS 系统是一种集中管理、分散控 制的控制系统，它包括四个最基本的组成部分：现场控制站、工程师站、操作 员站和系统网络。工业汽轮机多采用机械液压控制系统，而其结构组成决定了 武汉理工大学硕士学位论文 2 其自身难以克服的缺点，即调节精度低，自动化程度低，难于与 DCS 等控制系 统通信，工作特性固定，调节功能少；而适用于工业汽轮机的性能优良、可靠 性高、通用性好、性价比高的电液控制系统，能很好的克服液压控制带来的不 便。所以本系统为满足各方面要求，集控制、保护和管理为一体，适合现代化 生产要求 2。 1.2 汽轮机及DCS系统的发展概况 1.2.1 工业汽轮机的发展 汽轮机设计与制造技术已经取得了飞跃的发展。 1883 年，瑞典工程师拉伐尔（Laval）创造出第一台轴流式汽轮机，3.7kW 单级冲动式汽轮机； 18841894 年，英国工程师巴森斯（C.A.Parsons）相继创造出了轴流式多级 反动式汽轮机、辐流式汽轮机、和背压式汽轮机； 1900 年前后，美国工程师寇蒂斯（Curtis）创造出了通常所谓的寇蒂斯（复 速级）单级汽轮机； 1903 年至 1907 年间，出现了热电联合生产的汽轮机，即背压式与调整抽汽 式汽轮机； 1920 年左右，随着蒸汽动力循环装置的改进，出现了给水回热式汽轮机； 1925 年，汽轮机技术取得了进一步的发展，出现了第一台中间再热式汽轮 机； 如今汽轮机技术已经经过了一百多年的发展历程，技术不断进步的同时， 也给世界工业发展做出了巨大的贡献。在国外，工业汽轮机的生产厂家主要集 中在美国、欧洲、日本、俄罗斯等国家，工业汽轮机是整个汽轮机行业的一部 分， 大部分企业以生产电站汽轮机为主， 兼生产工业汽轮机， 如美国的 GE 公司， 日本的三菱重工等。再 20 世纪，世界工业迅速发展，随着石油化工业的进步， 有些企业成立汽轮机的专业制造厂，如德国的 SIEMENS 公司、意大利的新比隆 公司、俄罗斯的卡鲁加汽轮机厂等 3。 国内汽轮机制造工业起步较晚，诞生于 20 世纪 50 年代，经过 50 年的艰苦 努力，已发展成装备业的支柱产业，目前国内的主要汽轮机生产商主要有哈尔 滨汽轮机厂、上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、北京重型电机厂、南京汽轮机厂、 杭州汽轮机股份有限公司、青岛捷能动力集团、无锡叶片厂、广州汽轮机厂、 武汉理工大学硕士学位论文 3 中州汽轮机厂、青岛汽轮机配件厂等制造企业。其中哈汽、上汽、东汽等大型 汽轮机制造厂主要生产 300MW、600MW 的大型电站汽轮机。而工业汽轮机主 要是杭汽、青汽等制造厂生产。 工业汽轮机在现代工业企业中得到广泛应用，主要原因是：在所有既需 动力又需热量，或者有副产热能的各种生产流程中，合理配置工业汽轮机，可 提高能源利用率，达到节能的目的。工业汽轮机有较高的转速和较大的功率 适用范围，转速可高达 20000 转分以上，功率可从几千瓦到十万千瓦以上。 它能直接驱动生产流程中的泵、鼓风机和压缩机等机械，并可平稳、灵敏地与 这些被驱动机械相互协调地变速运行，以适应生产流程工况条件的变化。这是 其他动力机械所不能比拟的。汽轮机具有轴对称的高速旋转部分，因而运行 平稳、磨损微小、连续运行时间长，能满足现代生产流程的要求 4。 1.2.2 DCS 系统的发展 目前 DCS 系统在企业生产过程的实时控制层得到了非常广泛的应用，例如 发电厂机、炉、电辅机及共用系统的一体化控制以及钢铁、化工、造纸等生产 过程自动控制都普遍采用 DCS 系统。 DCS 自 1975 年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年 中，DCS 虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和 完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS 正在向着更加开放， 更加标准化，更加产品化的方向发展。 国内外在这方面的研究也经历了很长时间。直到 20 世纪 70 年代，微处理 器和固态存储器的出现，才使 DCS 系统得到了发展。1975 年 Honeywell 公司将 计算机技术（Computer） 、控制技术（Control） 、通讯技术（Communication）和 显示技术（CRT）相结合，创造性的推出了 TDC-2000 分散控制系统，为其它的 制造厂商指明了方向。80 年代中期，出现了第二代分散控制系统，其特点是系 统的功能扩大或者增强，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量控制相 结合等。进入 90 年代，进入了分散控制系统的第三代，它的主要改变是在局域 网方面，在符合开放系统的各制造厂产品间可以相互连接、相互通讯和进行数 据通讯，第三方应用软件也能在系统中应用，从而使分散控制系统进入了更高 的阶段。第四代 DCS 的最主要标志是：信息化（Information）和集成化 （Integration） ，信息化体现在各 DCS 系统已经不是一个以控制功能为主的控制 系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台；集成化体现在两个方面， 武汉理工大学硕士学位论文 4 功能的集成和产品的集成 5。 从电力行业看，我国电力行业在 20 世纪 80 年代末期随引进大型火电机组 开始应用 DCS，到今天 DCS 已经成为电站控制的标准装备。大到 600MW 的主力单 元组，小到几十兆瓦的循环流化床热电联产机组，都有 DCS 在保障其安全运行。 1.3 论文的研究内容 本文主要是设计研究出工业驱动汽轮机的 DCS 系统，方便用户控制和数据 的管理，同时为了满足用户对汽轮机的自动控制和实时保护，本 DCS 系统也包 括汽轮机的自动控制系统和 ETS 紧急跳闸保护系统，主要的研究内容包括： 1. 汽轮机 DCS 系统过程控制的设计，包括转速调节，为方便与 DCS 系统 的融合，以及调节精度和自动化程度上考虑，本系统采用电液控制系统；以及 热井水位调节，确定控制策略，保证热井安全水位。 2. 汽轮机 DCS 系统保护方案的设计， 包括实时采集和监视汽轮机重要危险 信号，确定保护策略，当有危险情况发生时，能够及时紧急停机，保护汽轮机 安全。 3. 汽轮机 DCS 系统现场级的设计，包括传感器信号处理，传感器与控制器 的连线和检测点的分布。 4. 汽轮机 DCS 系统的人机接口的设计，主要包括监控级：有工程师站和操 作员站；和管理级：为方便与其他数据一同管理，采用计算机高级语言，对 DCS 系统数据进行操作和管理。 武汉理工大学硕士学位论文 5 第 2 章 汽轮机 DCS 系统总体方案设计 本系统采用可编程逻辑控制器作为主控制器，为方便远程分散控制的要求， 采用了两个远程 I/O 设备站和一个 S7-200 的 PLC 作为从站，两个 I/O 设备站主 要由模拟量模块和数字量模块和通讯模块组成，主要完成对现场模拟信号和开 关量信号的采集和输出控制，S7-200 从站主要从主控制器接收控制命令，对变 频器实现单独控制，以及向主控制器返回数据，方便主控制器管理和控制；上 位机主要由操作员站和工程师站，负责完成对汽轮机整体状态数据的显示和管 理，以及人员操作命令的发出点，主要由工业组态软件设计。 2.1 DCS系统结构设计 本汽轮机 DCS 系统主要完成对汽轮机的远程控制和集中管理，需要对汽轮 机控制调节之外，也包括了汽轮机的安全保护策略，以及对汽轮机运行中产生 的数据进行处理和分析，帮助用户管理生产，所以在控制策略上要求准确、安 全、经济，在现场人员的应用上要做到，通俗易懂，操作简单，所以本系统采 管理计算机 CPU 414-4H 操作员站工程师站 CPU 414-4H ET 200MET 200MS7-226变频器 交换机交换机 Ethernet PROFIBUS 图 2-1 系统总体设计方案 武汉理工大学硕士学位论文 6 用计算机作为上位机，工业组态软件作为操作人员的人机接口，过程控制 级采用可编程序控制器，在工厂环境中有很好的适应能力，保证控制的安全可 靠，现场工况复杂，设备繁多，采用 I/O 设备站与现场物理参数测量传感器、变 送器、操作控制器等连接，能很好的达到分散控制的目的，本系统的总体设计 方案如图 2-1 所示， 上位计算机选择研华工控机 IPC-610，配以 Samsung17 英寸纯平面显示器， 激光打印机。下位机控制器选择 SIMENS S7-400 可编程序控制器作为主站， S7-200 作为从站复杂对变频器的控制，其配置主要包括 CPU 模块、通讯模块、 数字量输入模块（DI） 、数字量输出模块（DO） 、模拟量输入模块（AI） 、模拟 量输出模块（AO）以及电源模块。 工业汽轮机的启动、停止，转速，热井水位的设置，汽轮机辅助设备的远 程控制等所有的控制按钮和开关都集中在上位机界面上，采用集中远控方式， 由操作人员在主控室里即