（机械工程专业论文）小型热电机组监控系统的设计与开发.pdf

摘要 随着计算机技术、控制技术、通信技术和电力电子技术的不断发展，“电力系 统自动化”无论其内涵或外延都发生了巨大的变化。如今电力系统已经成为计算 机、控制、通信和电力电子的统一体。自动化设备在系统投资中所占的投资比例虽 然不大，但其重要性越来越显著，先进的自动装置可以改善一次主设备的运行状况， 提高其运行效率。 以计算机技术、控制技术、通信技术和电力技术为基础，中型电力企业、尤其 是大型电力企业自动化处于较高水平。但是，为数众多的、机组容量在1 2 m w 以下 的小型电力企业或热电联产企业，监控系统仍然处在常规仪表显示，手动操作控制 的较低水平，计算机技术、网络通讯技术没有或很少在其监控系统得到利用。因此， 在小型热电机组进行监控系统的设计与开发，有着现实指导作用。 本文结合唐钢热电联产3 号机组热控自动化改造工程，叙述了国产抽汽式汽轮 发电机组原汽轮机控制系统存在的问题，汽轮机控制系统自动化改造的必要性，以 及汽轮机控制系统改造的方案。通过自动化改造的实施，显著改善了机组性能，提 高了机组可靠性和经济效益，实现了机组的自动发电控制( a g c ) 。该方案采用工 业以太网结构，p l c 作为下位机，两台工作站作为上位机，基本的控制功能由p l c 来完成，系统容易扩展。 考虑到企业内部管理信息系统的建设，本文讨论了网络环境中数据的采集和传 送问题，并利用以太网技术初步实现了热电机组控制系统与企业管理信息系统的连 接。 。 为进一步提高热电机组控制系统运行的可靠性，本文讨论并在实际系统中采用 了双机热备( 冗余) 的技术方案。 关键词：热电联产监控系统t c p i p 套接口可编程控制器客户n 务器 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y , a n d c o m m u n i c a t i o n s a n de l e c t r o n i c s ，t h e e x t e n s i o na n di n t e n s i o no ft h ew o r d “t h e a u t o m a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m h a sc h a n g e dg r e a t l y n o w a d a y se l e c t r i cp o w e r s y s t e m h a sb e c o m et h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e ra n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dc o m m u n i c a t i o n , a n de l e c t r o n i c s ，a n de l e c t r i cp o w e r a l t h o u g ht h er a t i oo fa u t o m a t i o ne q u i p m e n ti s n t v e r yl a r g ei nt h es y s t e mi n v e s t m e n t ，a u t o m a t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ， a d v a n c e da u t o m a t i o nd e v i c e sc a ni m p r o v er u n n i n gs t a t u so f t h ep r i m a ld e v i c e ，a n dr a i s e i t sr u n n i n g e f f i c i e n c y b a s e do n c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r i c i t ya n dp o w e rt e c h n o l o g y , b o t h m e d i u ms c a l ea n dl a r g e s c a l ep o w e r p l a n t sw o u l d b ei na u t o m a t i o no f h i g hd e g r e e h o w e v e r , f o ral a r g en u m b e ro f s m a l l e rp o w e r p l a n t s e q u i p p e d w i t hm a c h g rw h i c h p o w e r i sb e l o w1 2 m w , t h ec o n t r o la n dm o n i t o rs y s t e m i ss t i l li nal o wl e v e l ，u s i n gt r a d i t i o n a ld e v i c ef o rd i s p l a ya n dm a n u a lc o n t r o lf o r o p e r a t i o n , s e l d o mu s i n gc o m p u t e r a n dn e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s ot h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi st h er e a l i t yw ef a c e ，a n di t a l s oh a st h e f u n c t i o no f g u i d a n c e c o m b i n e dw i t ht h er e c o n s t r u c t i o no ft h e h e a t i n g a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h e t h e r m o e l e c t f i c i t yc o r p o r a t i o nm a n u f a c t u r i n g3 “m a c h g r i nt a n gs h a ni r o n s t e e l c o m p a n y , t h et e x t e l a b o r a t e st h ep r o b l e m so ft h eh o m e m a d em a c h o r ( e x h a u s t e d t u r b i n ea n de l e c t r i c g e n e r a t o r ) i nt h e t u r b i n ec o n t r o l s y s t e m ，a n dt h en e c e s s i t y o f a u t o m a t i cc o n t r o lt r a n s f o r m a t i o no ft h et u r b i n e ，a n dt h es c h e m ea b o u ti t w i t ht h e a u t o m a t i cr e c o n s t r u c t i o n ，t h em a c h g rp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t ya r e i m p r o v e d o b v i o u s l y , t h ee c o n o m i c b e n e f i ti s g r o w i n gu p ，a n dt h ea g co ft h em a c h g ri s r e a l i z e d c o n s i d e r i n ga b o u tm i sc o n s t r u c t i o ni nt h ee n t e r p r i s e ，t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ep r o b l e m o fd a t u m sa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ni nt h en e t ，a n db yu s i n ge t h e r n e tt h ec o n n e c t i o n b e t w e e nt h ea u t o m a t i o nh e a t i n gc o n t r o ls y s t e ma n dm i si se m p l o y e d i n i t i a l l y i no r d e rt oi n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ea u t o m a t i o nh e a t i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h eh e a t i n g b a c k u pe q u i p m e n t o ft h ed o u b l em a c h i n e si sa l s oa d a p t e d k e y w o r d s ：c o r p o r a t em a n u f a c t u r i n go f t u r b i n e g e n e r a t o r ，m o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e m ， t c p i p ，l o o pi n t e r f a c e ，p l c ，c l i e n t s e r v e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗苤兰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。 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 ， 6a f t 本学位论文作者完全了解叁生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权玉壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进彳亍检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期护k 三年月乡oe t 翮始缁喝 签字f | 期出u z 年夕月，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1电厂热工系统自动化技术的发展现状 随着我国电力事业的快速发展，电厂热工系统自动化水平也有了明显的提高， 尤其计算机技术及网络技术的突飞猛进，为企业实现生产、管理全局自动化提供了 技术支持。目前，我国电厂热工系统自动化水平具有以下特点： 1 ) 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 在国内大型电厂得到广 泛应用。 2 ) 基于p c 监控( p c b a s e d ) 的系统得到发展。 3 ) 可编程控制器( p l c ) 以其高可靠性被广泛使用。 4 ) 新型智能仪表大量使用。 5 ) 局部现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 开始使用。 6 ) 常规单元组合仪表在小型电厂仍被使用。 7 ) 现场一次仪表多为模拟型，自动化水平不高。 总体来说，我国电厂热工自动化具有多系统并存，各厂之间差距较大的特点。 1 2自动化技术在电厂热工系统的发展趋势 随着高科技的飞速发展，世界进入信息时代，自动化技术在电力领域得到了广 泛的普及和应用。火电厂的生产与管理也随着不可抗拒的网络化潮流加速进入信息 网络时代。火力汽轮发电机组的热工自动化作为保障设备安全、提高机组经济性、 减轻劳动强度及改善劳动条件的重要技术措施得到了高度重视。展望2 l 世纪，电 厂热工自动化预计将会朝着下面几个方向发展 1 2 1 电气控制将纳入计算机系统 自从火电厂采用d c s ( 集散控制系统) 和p l c 后，汽轮机和锅炉的控制水平 有明显的提高。但作为单元机组中的重要一个环节，即发电机变压器组和厂用电系 统的控制，大多数仍保留了传统的控制方式，控制盘台上装设很多模拟仪表光字牌 和开关按钮。电气控制纳入计算机系统的范围主要为发电机系统和主厂房内的厂用 电系统，包括发电机变压器线路组、高压厂用工作变压器、低压厂用工作变压器等 第一章绪论 的控制和信号测量。直流系统和不停电电源系统也要纳入计算机进行监视，如微机 绝缘监察装置等。另外，发电机励磁系统、自动准同期和厂用电快速切换更要优先 考虑纳入计算机系统。将部分电气控制纳入d c s ( 或p l c ) ，电气控制与汽轮机、 锅炉控制形成一个整体必然使火电厂自动化水平有一个质的飞跃。 1 2 2 现场总线取代集散控制 采用现场总线( f c s ) 取代集散控制( d c s ) 比采用d c s 取代模拟仪表具有 更大的经济效益，可节约大量电缆；控制功能下放到现场，使控制信号传输的准确 性、实时性、快速性和可靠性大为提高。就工业生产过程来说，现场总线( f i e l db u s ) 是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。 现场总线的突出优点在于它克服了d c s 系统中通信由封闭的专用网络系统实现中 所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案，同时 把集中与分散相结合的d c s 集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功 能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。 现场总线的特点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 以数字信号完全取代传统d c s 的4 2 0 m a 模拟信号，且可实现信号的 双向传输。 ( 2 ) 相对于传统的d c s 三层结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操 作管理站两个层次，将传统d c s 的i o 控制站并入现场智能设备。 ( 3 ) 总线网络系统是开放的。现场总线通信协议国际标准化后，可使不同厂 家的产品互相连接和操作，解决了自动化系统的兼容性问题；也将省去i o 端予柜 和控制柜，使控制室占地面积大大减少并使系统简化，带来了系统设计、安装、调 试和维护费用的降低及工作量的大大减少。 机组主要模拟参数完全由自动控制装置在全负荷( 或全程) 范围自动维持在 晟佳区域内。炉、机、电实现全c r t 监控，完全取消常规后备监控设备( 包括传统 控制盘) 。生产过程按功能区或功能组划分，操作人员只需干预每个功能组，基本不 用再直接向单个驱动对象( 风机、水泵及阀门等) 发出起、停( 或开、关) 命令。如 汽轮机自起停功能组，只需操作人员按一下起动或停止按钮，汽轮机就会自动进行 暖管、升压、冲转、升速、暖机、定速、并网和接带负荷，完全不用人来干预。机 组紧急事故处理也完全依靠完善的保护系统自动完成，不但防止了人为误操作，而 且还能快速、正确地处理事故，保护了人身和设备安全，大大提高了机组运行的安 全性和经济性，也使操作人员能更快、更好地胜任大机组参数多、变化快和控制复 杂的运行要求。 2 第一章绪论 1 2 _ 3管理系统和控制系统一体化将实现 控制系统将与管理信息系统( m i s ) 互相渗透，彼此结合，形成一个多层次、 网络化的，融控制、管理、调度和决策一体化的综合自动化系统，如图1 - 1 所示。 在未来工程建设阶段全面配置厂级管理信息系统，该网络的基础就是单元机组d c s 或f c s 。厂级管理信息系统从单元机组级监控网络提取必要的信息，加_ 成厂级监 控和管理信息，向上通过远动计算机系统向调度系统发送它所需要的信息，并接受 调度命令。由厂级监控信息系统主要处理全厂实时数据，完成厂级生产过程的监控 和管理，故障诊断和分析，性能计算、分析和经济负荷调度等；厂级管理信息系统 主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务。完成设备维修管理、生产经营管理 等。监控信息系统和管理信息系统是设置在一个网络中的2 个功能模块，共用计算 单元和数据服务器。也可以将两个网用网关或其它接口分隔成2 个网，分别设置相 应的计算单元和数据服务器，以提高厂级管理系统的安全性。 图i - l 综合自动化示意图 1 3 本课题的来源及实际工程意义 唐钢南区热电联产主体设备由三台3 5 吨锅炉、两台汽轮发电机组和一台减温 减压器组成，承担南区工业生产和内部生活用汽，同时承担系统内部分电力负荷。 由于一炼钢炉外精炼和薄板坯连铸连轧的要求，拟对2 拌、3 捍锅炉进行扩容改造使每 小时产汽量增加至4 5 吨，并增加一台6 0 0 0 k w 的抽汽式汽轮发电机组和一台减温 减压装置。随着冶金系统自动化水平的不断提高，公司对动力供应的安全性和稳定 性也提出了更高的要求。汽轮发电机组由于采用高温、高压蒸汽，金属材料所受热 第一章绪论 应力很大，运行中如果超过材料的允许范围，就可能造成汽轮机的损坏，或减少使 用寿命。另外汽轮机转子和定子间的间隙很小，运行中如果控制不当，容易发生转 子和定子问的摩擦而发生更大事故。因此一个完善的自动检；n - d 监控系统是保障汽 轮机安全运行的必不可少的条件。 唐钢南区动力系统部分区域已实现计算机的监控，包括3 5 吨锅炉基于s t d 总 线的计算机监控，煤气加压站的计算机监控和l l 万变电站的综合自动化监控系统。 考虑到唐钢系统内部管理信息系统( m i s ) 的推广和应用，本次改造要为并入m 1 s 网留有接口，网络技术将的到有效的应用。热电联产汽轮发电机组作为本次改造的 主体设备其热工自动化将成为保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强度及改 善劳动条件的重要技术措施。因此拟将汽轮机部分的所有电控及仪控设备、以及发 电机的部分仪控设备纳入计算机控制系统，而取代传统的常规仪表监控系统。下位 机采用可编程序控制器( p l c ) ，完成对现场数据的采集及各种机电设备联锁控制， 通过工业以太网将实时数据传送到各计算机工作站完成对整个系统的监控和管理 功能。 1 ，4 本论文的主要工作 本文结合唐钢热电联产3 号机组热控自动化改造工程，着重进行以下工作： ( 1 ) 在小型热电机组中，使用p l c 和p c 监控相结合的方法，实现热电机组 的自动控制。 ( 2 ) 针对工业控制系统的可靠性问题。提出双枫热备( 冗余) 的解决方案， 并加以实施。 ( 3 ) 将热电机组控制系统，通过网络和接口并入工厂信息管理系统，为进一 步实现计算机集成制造系统( c i m s ) 奠定基础。 4 第二章系统方案及设计 第二章系统方案及设计 2 1 本工程的主要工艺装置 唐钢热电联产监控系统设计与开发的任务主要包括两部分： ( 1 ) 汽轮机部分 包括主蒸汽系统、轴系系统、抽汽及减温减压系统、凝汽器系统、润滑油系统、 汽轮机连锁保护系统和低压配电系统。 ( 2 ) 发电机部分： 包括发电机本体、高压系统连锁保护、低压配电系统、直流系统和空冷器系统。 2 1 1 控制系统现状 原来投产的两台机组的汽轮机控制系统，由于受当时的产业政策和技术水平的 限制，大都采用纯液调控制系统，已运行多年，据国外统计资料表明，一般主机寿 命为3 0 年，而控制系统的有效寿命为】5 年左右，而且其液调控制系统普遍存在如 下问题： 1 ) 调节性能差，晃动大，汽压、负荷调整困难。 2 ) 为了克服晃动，拆除了微分器，但却增加了迟缓率，汽压、负荷仍难调控。 3 ) 滑阀水平安装易导致磨擦、卡涩，改为旋转滑阀效果不明显。 4 ) 随动滑阀输出油压低，动态特性差，滞后时间长。 5 ) 同步器调控负荷的实际行程仅有2m m 左右，加之与控制滑阀不同心，无论 是增负荷还是减负荷，都会产生振荡，汽压随之上下波动，动态过渡过程时间长。 6 ) 由于液调存在许多问题，妨碍了协调控制的投入，以及a g c ( a u t o m a t i c g e n e r a t i o nc o n t r o l ，自动发电控制) 功能的实现。 7 ) 凝汽器液位由f 采用单阀控制，液位不稳定。 由于液调存在许多问题，有些电厂在液调的基础上改为电液并存方式。不论是 液调还是电调运行，都是通过中间滑阀和油动机去控制阀门，仍使用原系统的凸轮 配汽机构，易卡涩的弊病仍然存在，制约了汽轮机控制系统调节品质的提高。总之， 不管是液调还是电液并存方式，都存在以下问题：负荷适应性差、控制精度低、响 应速度慢、可靠性差、经济效益低、维护量大、自动化水平低，不能满足现代电网 对机组的要求。 第 二章系统方案及设计 此外，从供电、供热整体调度控制技术来讲，调度自动化的重要内容之一是把 控制和管理作为一个整体来考虑，实现信息采集，安全监控，直接调度，可根据各 台机组的经济性能指标，实现经济调度，给出各台机组的最佳、最经济的负荷分配 指令，这些指令通过调度系统去控制汽轮机控制系统和锅炉控制系统，实现机、炉、 电协调控制，既能保证机炉在最佳状态下运行，又能满足电网对负荷变化的需求。 2 2 控制系统功能分析 2 ，2 1 汽轮机自动控制系统的任务 汽轮机的自动控制包括以下内容： 1 ) 自动检测 汽轮机系统自动检测项目包括：新蒸汽的压力、温度及流量、凝汽器真空度、 段抽汽压力、润滑油压、转速、转子轴向位移、汽轮机振动、主轴挠度、轴承温度 与润滑油压、推力瓦温度、油箱油位等许多项目。对于抽汽机组还要增加抽汽压力 和抽汽流量等检测项目。汽轮机检测系统对上述参数进行实时检测、显示、报警和 打印制表。 2 ) 自动保护 汽轮机是处在高温高压下的高速旋转机械，为了在故障时保护设备安全，完善 的保护系统必不可。当参数超过机组安全允许范围时，保护装置及时动作，使机组 自动停机，避免事故的进一步扩大。机组的自动保护装置的主要内容有：超速保护、 低油压保护、低真空保护、振动保护等。另外还有和发电机的联锁保护。 3 ) 自动调节 电力用户要求汽轮发电机提供足够的电力和保证供电的质量。电的频率是供电 质量的重要标志之一，为了使电频率维持在一定的精度范围内，要求汽轮机具有高 性能的转速调节系统。热电联产属即供电又供热的汽轮机，除了保障供电的质量外 还必须保障向热用户提供足够数量和一定质量( 压力) 的蒸汽。这样的机组还要有 一个压力自动调节系统。除了转速和压力调节系统外，还应具有凝汽器水位、汽封 气压等的自动调节。 4 ) 程序控制 汽轮机的程序控制主要指汽轮机的自动启动和自动停止，整个汽轮机辅助系统 的机电设备的联锁控制功能也将全部纳入计算机系统，使操作更趋于安全可靠，降 低设备的故障发生率。 第二章系统方案及设计 2 2 2发电机机组的自动检测功能 发电机机组的检测项目主要包括：发电机的有功功率、无功功率、功率因数、 电流、电压、定子温度、轴承温度及冷却系统的风温；高压系统主要设备的运行状 态；系统辅助水系统的压力、流量等。机电之间的连锁保护功能也纳入计算机监控 系统。 2 3 控制系统的总体方案 2 3 1网络结构 监控中心室的网络结构采用工业以太网，该结构符合国际标准化组织提出的 开放型结构，具有标准、灵活、多供应商软硬件支持、易扩展、安全可靠等特点。 通讯网络结构采用以太网和m p i ( 多点传输) 总线互为备用的网络结构，符合t c p i p 通讯规程，网络上任何一个节点设备的断开与接入都不影响网络上其他设备的正常 运行。 2 3 2 系统硬件配置 1 ) 主机 主机采用d i g i t a l 3 2 位微机，1 2 8 m 内存，c p up i i l 6 6 0 ，1 5 g 硬盘。负责完成数据的 运算及存储功能。 2 ) 计算机工作站 监控室工作站采用h pv i e 8 0 0 工作站( p i l l5 5 0 、1 2 8 m 内存、1 0 g 硬盘、配置多 媒体) ，值班室工作站实现双机热各并入以太网，完成工艺过程数据采集及工艺过 程的实时监控功能。 3 ) 下位机 下位机采用西门子可编程序控制器s 7 3 0 0 系列产品实现现场数据的采集和设备集 控，机架间通过i m 3 6 0 、i m 3 6 1 通讯模块进行扩展连接。 4 ) 打印设备 工作站配e p s o n 1 6 0 0 打印机，可以打印历史数据、实时数据、事件及各种报 表。 5 ) 监控室系统配置如图2 - 1 所示 6 ) 局域网一l a n l a n 支持调度中心所有设备的数据交换，同时可以连接到i n t r a n e t 上。各工作 站配置3 c o m 网络适配器，通过h u b 组态成以太网。 第二章系统方案及设计 操作员站 撩作员站 图2 - 1监控系统结构示意图 2 3 - 3 系统软件配置 汽轮机主控室工作站采用基于w i n d o w s n t4 0 操作系统的监控软件w i n c e5 0 实现数据的实时显示、趋势记录、报警及报表打印功能。 下位机采用s t e p7 编程软件来实现与s 7 3 0 0 可编程序控制器( p l c ) 的通讯。 s t e p7 作为一种模块化的组态软件承担管理设备、项目和文件：配置p l c 硬件设 备与参数赋值：生成数据块：配置c p u 间的通讯等。网络模式采用工业以太网。 下面对w i n c e 做简单介绍。 通常w i n c e 为用户提供三种解决方案来进行组态： 1 ) 使用w i n c e 标准工具( 本文采用即采用此方案) 。 2 ) 通过d d e ( d y n a m i c d a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 、o l e ( o b j e c t l i n k i n g a n de m b e d d i n g ，对象的连接与嵌入) 、o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放数 据库互连) 和a c t i v e x ( 控件) ，使用现有带w i n c e 的w i n d o w s 应用软件。 3 ) 使用v i s u a lc + + ( 本文采用) 或v i s u a l b a s i c 编程语言来开发嵌入w i n c e 中 的用户自己的应用软件。 w i n c c 是世界上三个最成功的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 监控与数据采集) 系统之一，支持西门子以外的控制器产品，是可以无限延伸的系 统平台。w i n c e 的模块性和灵活性给用户提供全新的能力来计划和执行自动任务。 w i n c c 的模块结构见图2 2 。w i n c e 由系统开发环境( c s ) 和系统运行环境( r t ) 两大部分组成。系统开发环境由图形界面组态程序，内部变量、过程数据变量管理 程序，脚本处理程序，消息处理程序，测量值用户归档程序，访问保护程序等功能 模块程序组成。通过一定工作量的组态和调试，生成最终的图形目标应用程序。在 系统运行环境下，目标应用程序被装入内存并投入实时运行。系统运行环境由图形 第二章系统方案及设计 界面运行程序，测量值归档运行程序等组成。w i n c e 能够与s 5 ( 西门子p l c 较早 系列产品) ，s 7 ( 西门子p l c 系列产品) ，及其它控制器进行过程数据交换处理。w i n c c 为过程数据的可视化、信息传送、采集和归档以及为用户定义的应用程序的协调集 成提供系统模块。用户也可以集成自己的模块。 w i n c c 的接口见图2 3 。 图2 - 2w i n c e 结构框图 图2 - 3w i n c e 接口框图 l o 第二章系统方案及设计 w i n c e 对添加的所有用户完全开放。它的开放性通过w i n c e 的模块结构及其强 大的编程接口来完成。可将外部应用软件集成到w i n c e 中，w i n c e 为用户提供选项， 将其他应用软件和应用软件模块统一集成到过程的操作员接口内。w i n c e 的功能模 块对数据库的存取对用户是透明的，其它应用程序可使用标准的o d b c s q l 接u 1 访问w i n e c 数据库，也可以使用d d e 接口访问w i n c e 数据库，通过o l e ，其它的 应用程序可集成到过程画面上，并与w i n c e 交换相关的数据。 w i n c e 通过数据库系统来进行数据维护，见图2 - 4 。利用功能强大的s y b a s e s q l a n y w h e r e 标准数据库保存了所有组态的表( 如变量和消息文字的表) ，同时所 有的运行过程数据也是利用该数据库归档的其它应用程序通过o d b c s q l 或开放 型编程接1 2 1 ( c a p i ) 来访问数据库。所有w i n d o w s 的应用程序，不管是运行在同一 台计算机上还是在一个网络终端上，都可以直接访问w i n c e 数据库。 2 4 系统功能实现 图2 - 4w i n c e 数据库系统 2 4 1 p l c 系统硬件选型 c p u ：选用中规模型c p u 3 1 5 2 d p ，集成m p i 接口。 通讯模块：t c p i p 协议的以太网通讯模块。 a i 模块：8 点输入，可输入4 - 2 0 m a ，1 - 5 v ，热电偶电势，热电阻( 4 点) ，本 第二章系统方案及设讨 系统选用4 - 2 0 m a 输入与变送器配合测量压力、液位，流量。 r t d 模块：8 点输入，与热电阻配合测量温度。 a o 模块：4 点输出，4 - 2 0 m a 输出。 d i 模块：8 点交流2 2 0 v 开关量输入。 d o 模块：8 点开关量输出。d i d o 模块用来处理汽机联锁。 2 4 2p l c 编程 通过s t e p 7 编程软件在计算机l 实现硬件组态、程序设计、离线或在线编程、 离线仿真和在线调试等。s t e p 7 是基于w i n d o w s 平台的应用软件，它支持 w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s n t 使用环境。 1 建立和管理项目 使用s i m a t i cm a n a g e r ( s i m a t i c 管理器) 启动s t e p 7 ，建立新项目，如图 2 - 5 所示。新建项目下包含一个s i m a t i c3 0 0 主站，项目结构见图2 - 5 。 图2 - 5 新建项目结构图 2 硬件组态 硬件组态功能为自动化项目的硬件作组态和参数赋值，如图2 - 6 。 丑态可编程控制器，从电子目录中选择一个机架并在机架中将选中的模板安排 在所需要的槽上。 组态分布式i o 与组态中央i o 一致，也支持以通道为单位的i o 。在给c p u 赋值参数的过程中可以通过菜单的指导设置属性。比如启动特性和循环扫描时间监 控。支持多处理方式，输入的数据保存在系统数据块中。 在向模板作参数赋值过程中，点击该模板打开对话框，所有可以设置的参数都 是通过选择对话框中的提示条目来设置的。例如，输入信号类型，对话框下拉菜单 中提供了1 5 v ，4 2 0 m a 等多种类型，只需从中选择所用信号类型即可，如图2 7 。 第二章系统方案及设计 没有任何设置使用d i p 开关。参数赋值向模板的传送在c p u 启动过程中自动完成 的。 图2 - 6 组态和参数赋值界面 图2 - 7 选择参数赋值 第二章系统方案及设计 功能模板( f m 和通讯处理器c p s ) 的参数赋值与其模板的方法一样，也是在 硬件组态工具中完成的。对每一个f m 和c p 都有模板指定对话框和规则( 包括在 f m c p 功能软件包范围内) 。 网络组态通过m p i ： 选择通讯的站 输入数据源和数据目标：要下载的所有块( s d b s ) 自动生成并且自动地完整 地下载到所有的c p u 中。 事体驱动的数据传送也是可以实现的： 设置通讯连接 从集成的块库中选择通讯或功能块。 以选择的编程语言为所选的通讯或功能块赋值参数。 3 建立符号表，定义变量及地址 使用符号编辑器管理所有的共享符号，为过程信号( 输入输出) 、位存储和块设 定符号名，地址和注释，从向其他的w i n d o w s 程序导入导出，如图2 8 。以后程 序中可以直接使用符号名。 图2 - 8 符号编辑界面 第二章系统方案及设计 4 程序设计 用于s 7 3 0 0 和$ 7 4 0 0 的编程语言梯形逻辑、语句表和功能块图是标准软件包 的一个集成部分。梯形逻辑( l a d ) 是s t e p 7 编程语言的图形表达方式。它的指令 语法与一个继电器梯形逻辑图相似，当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线 圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。语句表( s t l ) 是s t e p 7 编程语言的文本表达方式。为使编程更容易，语句表己扩展到包括一些高层语言结 构( 例如结构数据的访问和块参数) 。功能块图( f b d ) 是s t e p 7 编程语言的图形 表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。复合功能( 如数学功能) 可用逻辑框相连直接表达。 采用分块结构程序设计方式，建立主程序o b l 块和子程序f c 、f b 块。f c 块 采用主程序调用方式，分别完成输入输出处理，流量温压补偿，联锁处理等功能。 f b 块( 使用f b 4 1 ) 进行p i d 调节，被时钟中断子程序o b 3 5 调用。o b l 2 2 为系统 初始化子程序，只在系统上电时执行一次。o b l 主程序循环执行，同时条件满足时 调用响应的子程序。 ( 1 ) 控制与调节数学模型 站控s 7 3 0 0 是用于控制和信息处理的高速处理器，具有强大的顺序控制功能和 数据处理功能，可以高效的完成各控制回路的调压、调温、计量、量程切换、历史 记录、报警及处理等任务。s 7 3 0 0 拥有丰富的过程控制指令，通过软件组态p i d 算 法，实现对各支路调节量的p i d 控制。图2 - 9 为p i d 功能模块示意图。 ( 2 ) 模型功能描述 1 ) 输入 s p1 n t ：输入个浮点数作为设定值。 p vi n ( p vp e r ) ：反馈值( 过程值) 2 ) 模块c r p i n 模块c r p i n 的功能将p v - p e r 转换成一1 0 0 + 1 0 0 之间的浮点数，其计算 公式为： 0 u to f c r p 一1 n = p v p e r + 1 0 0 2 7 6 4 8 3 ) 模块p v - n o r m 模块p v - n o r m 的功能是将模块c r p i n 的输出线性化，其模型为： o u to f p v - n o r m = ( o u to f c r p i n ) + p v f a c - i - p v o f f 式中默认值p vf a c = 1 ；p vo f f = 0 。 4 ) 死区处理模块d e a d b w 第二章系统方案及设计 为了避免小的扰动而导致异常，死区处理模块d e a d b w 用于处理错误信号 如果d e a d b w = 0 则死区关断。 5 ) p i d 算法模块 图2 - 9p 1 d 功能模块 1 6 第二章系统方案及设计 p i d 算法作为位置算法，比例、积分、微分是并行的，三种功能可以独立的激 活或屏蔽。根据控制需要配置p 、p i 、p d 、p i d ，p - s e l 、i - s e l 、d s e l 为p 、i 、 d 设置，l 有效，0 取消。单纯的积分或微分也是可以的。 i n t 为积分模块，t i 为积分时间；d i f 为微分模块，t d 为微分时间。 6 ) 切换模块m a n ，o n 手自动操作方式由m a n o n 切换，1 为手动，0 为自动，手自动切换时要注意 将当前阀位值付给阀位输出，以防出现扰动。 7 ) 限值模块l m n l i m i t l m n l i m i t 模块限定输出值的范围，当输出值溢出时标志位置o n 。 8 ) 线性化处理模块l m n n o r m 模块对l m n l i m i t 模块的输出进行线性化处理，其算法如下： l m n = ( o u to f l m n l i m i t ) + l m n f a c + l m n o f f 9 ) 浮点数输出模块c r p o u t 模块c r p o u t 将浮点数转换成为外部输出，其算法如下： l m n p e r = l m n 2 7 6 4 8 1 10 0 示例：汽轮机凝汽器热井液位自动调节效果见图2 1 0 。 图2 一l o 热井液位自动调节效果图 第二章系统方案及设计 2 4 3 监控与管理 w i n c c 作为一个高性能、模块化的监控网络系统。它是基于c l i e n l j s e r v e r 的网 络结构。由w i n c e 服务器来维护一个高性能的实时数据库。该数据库可将生产实时 数据提供给就地工作站或与网络连接的远程操作员工作站上的电子表格或关系数 据库。所采用的数据库服务器和双局域网的高性能结构可大大地提高系统的安全 性。其网络采用标准的t c p i p 通讯协议，具有强大的连网能力。 w i n c c 采用了模块化的软件结构。系统主要包括：网络应用、过程运算、打印 报表、历史数据采集、人机接口、报警和数据管理及应用程序等。通过一个公共的、 协议的服务器进程来访问该实时数据库。当需要集成其他应用时，应用接口库提供 一个标准、可支持本地用户或网络用户的访问。 1 图形系统操作员界面 在已经组态完毕的操作环境中，就可以进行监控画面的编程。图2 1 l 是显示画 面的一部分，用于模拟量点的显示。 图2 - 1 1w i n c e 图形界面 w i n c c 标准显示和功能包括 报警汇总显示 第二章系统方案及设计 事件汇总显示 操作组显示 报表汇总 记事本信息显示 操作站状态显示 通讯通道状态显示 控制器状态显示 组态菜单 复合点细节显示 系统故障显示 2 报警管理 w 1 n c c 具有综合报警管理功能，可及时地将生产过程的非正常情况和系统运 行的异常情况及时通知操作员。在操作站的屏幕上有专用的报警显示栏和报警汇总 显示画面来显示各种报警情况。可对测量点的越限或系统故障进行报警。每个点可 以规定最多四种报警条件，同时对每个报警情况可设置不同的优先级。主要的报警 类型包括：过程变量p v 高限、过程变量p v 低限、过程变量p v 高高限、过程变量 p v 低低限、偏差值高限、偏差低限、变化速率等。有四种报警优先级：定时、高、 低、紧急。所有处于报警和返回正常状态的报警情况都记录在系统报警数据日志文 件中，以便检索。此外，所有的低、高和紧急报警都自动进入报警汇总显示中。同 时还可以对报警信息按照优先级进行过滤。这样操作员就可以首先处理优先级高的 报警信息，而次要的报警信息可以稍后处理。 3 历史数据及趋势图 w i n c c 实时数据库维护一个庞大的过程点和系统点的历史数据记录。历史数据 按照不同时间间隔采集数据。而报警事件信息和操作员的修改都自动地记录在报警 事件日志记录中，以备曰后检索。用户可采用事件汇总显示或打印报警事件报表 来进行检索。在采集历史数据后，w i n c c 提供非常灵活的历史和实时趋势图显示画 面，如图2 - 1 2 ，可以使用户及时准确地对过程点和系统点的历史数据进行分析。历 史数据可以以多种形式来显示： 单点趋势图( 棒状图) 双点趋势图( 棒状图) 三点趋势图( 棒状图) 多点趋势图( 曲线图) 多量程趋势图( 曲线图) x y 趋势图( 点图) 第二章系统方案及设计 图2 1 2 历史和实时趋势图 数字趋势图( 表格) 标准趋势图包括可组态采样密度( 每个趋势图记录可多达9 9 9 个采样点) ，每 个趋势图最多可同时扫描八个参数，可滚动显示、放大和缩小显示，用瞄准线来读 出某一时刻历史数据值。在趋势图中的参数可以自动生成实时趋势记录，不采集它 的历史数据。 4 报表及自由报表生成 w i n c e 提供了各种打印报表。采用标准格式报表模板，就可生成各种运行报表。 基本类型如下： 报警事件查询列出报警事件 操作员跟踪列出指定操作员的动作 点跟踪列出一个或多个点事件 报警时间计算所选的报警时间 存档将历史数据文件存档 点属性打印数据库状态 o d b c s q l 结构开放式数据库连接等 d d e e x c e l 数据交换功能，读写系统数据库 使用自由报表功能就可自动生成用户化报表，可以直接读取w i n c c 实时数据库 中的数据或历史数据库中数据。而且自由报表生成器还可以完成实时数据或历史数 据的计算，包括统计计算如：平均值、标准偏差、最大值最小值等。因此在组态报 第二章系统方案及设计 表是非常灵活。 5 用户应用程序生成 采用应用程序接口库将指定的应用集成w i n c e 系统中。集成应用程序接口库具 有v c + + ，可提供与w i n c c 实时数据库之间一个可靠的接口库。将用户事先定义的 数据库段用于语处理应用数据，在标准的显示构造器上显示这些数据或通过报表子 系统来存取这些