（电力电子与电力传动专业论文）汽轮机dcs系统的设计与研究.pdf

a b s t r a c t s t e a mt u r b i n ei n c l u d e ss t e a m t u r b i n ef o rp o w e rp l a n t ，t u r b i n ef o rm a r i n e p r o p u l s i o na n di n d u s t r i a ls t e a mt u r b i n e ；i n d u s t r i a ls t e a mt u r b i n ei sw i d e l yu s e di n i n d u s t r i a la r e a s ，s u c ha sp e t r o c h e m i c a l ，e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g y , b u i l d i n gm a t e r i a l s ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fe n e r g y i th a sh i 曲s p e e d a n dal a r g er a n g eo ft h e r m a lp a r a m e t e r s ，p o w e ra n ds p e e dc h a r a c t e r i s t i c s ，i sk e y p o w e re q u i p m e n ti nt h el a r g ei n d u s t r i a lp l a n t u n d e rt h et r a d i t i o n a lw a y , t u r b i n e s t a r t - s t o pp r o c e s si s r u nb yt h eo p e r a t i n gp e r s o n n e li na c c o r d a n c ew i t ho p e r a t i n g s t a n d a r d t h es t a t u s m o n i t o r i n ga n dd a t am a n a g e m e n td u r i n go p e r a t i o nm o s t l y d e p e n do nt h ee x p e r i e n c eo fo p e r a t i n gp e r s o n n e l a n dm e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mi su s e di ni t sc o n t r o ls y s t e m ，a d j u s tt h ec o m p o s i t i o no ft h i ss t r u c t u r er e s u l t e d i nl o wp r e c i s i o na n dt h es h o r t c o m i n g so fl o wd e g r e eo fa u t o m a t i o n ；t u r b i n ed u r i n g o p e r a t i o n ，w h e nt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sc h a n g ea n de n d a n g e rs e c u r i t yo ft h es y s t e m , s a f ea n de f f e c t i v ep r o t e c t i o nm e a s u r e sa r en e c e s s a r y t h e r e f o r e ，t oe n s u r et h et u r b i n e o p e r a t i n gs a f e t y , r e l i a b i l i t y , e c o n o m y ，t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 、析协g o o d v e r s a t i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dc o s ta d v a n t a g e sm u s tb ed e s i g n e d i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to fs t e a mt u r b i n ea r ev a l u e d ，d c s s y s t e mo fs t e a mt u r b i n ea st h ec o r e ，t h ep r o c e s so ft h et u r b i n ec o n t r o l ，p r o t e c t i o n p r i n c i p l e s a n dd a t am a n a g e m e n ta r ef o c u s e do n ，i n t r o d u c e di nd e t a i l i t s i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，a c h i e v e dt h ee f f e c t i v e n e s so fc o n t r o l ，t h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e mw o r k ，r e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i o ns y s t e m ，i ti sa ni m p o r t a n ts t e pf o rt h er e a l i z a t i o n o fi n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h ef a c t o r y t h ed e v e l o p m e n to fs t e a m t u r b i n ea n dt h ed c ss y s t e mi sr e v i e w e d ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i s e s t a b l i s h e da st h ec o n t r o lc e n t e r , t h ec o n t r o ls y s t e mo fs t e a mt u r b i n ei sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h es p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dt u r b i n ed e v i c ec o n t r o l ，t h e nt h ep r i n c i p l eo f t h es t e a mt u r b i n ep r o t e c t i o ni sa n a l y z e d ，a n dd e s i g n e de m e r g e n c yt r i ps y s t e m ， a c c o r d i n gt ot h es i t ec o n d i t i o n s ，t h ew o r k i n gs t a t ec a nb ed e t e r m i n e d ，w h e nt h e d a n g e ro c c u r r e d ，t h et u r b i n ec a n b ep r o t e c t e dt i m e l ya n de f f e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h e n e e d so fd c ss y s t e m ，d i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n ta n ds i g n a lp r o c e s s i n ga r e a n a l y z e d b a s e do ni n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c ca n do p ct e c h n o l o g y , f r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed c ss y s t e mh a s p l a y e da n e f f e c t i v er o l ei n d e c e n t r a l i z e dc o n t r o la n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t i th a sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ， i i h i g hp r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s e ；e t ss y s t e m c a np r o t e c tt h es y s t e mt i m e l ya n d e f f e c t i v e l yi nt h ee v e n to fd a n g e r o u sc o n d i t i o n s ；p cm o n i t o r i n gs y s t e mc a nd i s p l a y r e a l t i m ed a t aa n da l a r ms i g n a l sa c c u r a t e l ya n dt i m e l y , a n dp r o v i d ec o n v e n i e n tb u t t o n s t h es y s t e mi ss t a b l e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，e a s ym a i n t e n a n c e ，s o f t w a r ef u n c t i o n a l k e y w o r d s s t e a mt u r b i n e ；d c ss y s t e m ；e t s ；w i n c c h i 独创性声明 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：趁焦i 翌日期：2 2 1 ：2 墨 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c ：铮族闾导师c ：掺夕抄) ? 武汉理工大学硕士学位论文 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1 2 1 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e t s ( e m e r g e n c yt r i ps y s t e m ) “。 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，d c s 分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) 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。d c s 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 武汉理工人学硕上学位论文 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d c s 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”。 1 2 汽轮机及d c s 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。 1 8 8 3 年，瑞典工程师拉伐尔( l a v a l ) 创造出第一台轴流式汽轮机，3 7 k w 单级冲动式汽轮机； 1 8 8 4 1 8 9 4 年，英国工程师巴森斯( c a p a r s o n s ) 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； 1 9 0 0 年前后，美国工程师寇蒂斯( c u r t i s ) 创造出了通常所谓的寇蒂斯( 复 速级) 单级汽轮机； 1 9 0 3 年至1 9 0 7 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； 1 9 2 0 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； 1 9 2 5 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g e 公司， 日本的三菱重工等。再2 0 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s i e m e n s 公司、意大利的新比隆 公司、俄罗斯的卡鲁加汽轮机厂等“。 国内汽轮机制造工业起步较晚，诞生于2 0 世纪5 0 年代，经过5 0 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、 2 武汉理t 火学硕士学位论文 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3 0 0 m w 、6 0 0 m w 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2 0 0 0 0 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、连续运行时问长，能满足现代生产流程的要求”。 1 2 2d c s 系统的发展 。目前d c s 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d c s 系统。 d c s 自1 9 7 5 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，d c s 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n t 巨大的提高。总的来说，d c s 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2 0 世纪7 0 年代，微处理 器和固态存储器的出现，才使d c s 系统得到了发展。1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司将 计算机技术( c o m p u t e r ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 、通讯技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和 显示技术( c i 玎) 相结合，创造性的推出了t d c 2 0 0 0 分散控制系统，为其它的 制造厂商指明了方向。8 0 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9 0 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问可以相互连接、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d c s 的最主要标志是：信息化( i n f o r m a t i o n ) 和集成化 ( i n t e g r a t i o n ) ，信息化体现在各d c s 系统已经不是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， 3 武汉理工大学硕士学位论文 功能的集成和产品的集成 别。 从电力行业看，我国电力行业在2 0 世纪8 0 年代末期随引进大型火电机组 开始应用d c s ，到今天d c s 已经成为电站控制的标准装备。大到6 0 0 m w 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d c s 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d c s 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d c s 系统也包 括汽轮机的自动控制系统和e t s 紧急跳闸保护系统，主要的研究内容包括： 1 汽轮机d c s 系统过程控制的设计，包括转速调节，为方便与d c s 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d c s 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d c s 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d c s 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d c s 系统数据进行操作和管理。 4 武汉理工大学硕卜学位论文 第2 章汽轮机d c s 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s 7 2 0 0 的p l c 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，s 7 2 0 0 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 d c s 系统结构设计 本汽轮机d c s 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 图2 - 1系统总体设计方案 5 武汉理| t 大学硕士学位论文 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i p c 6 1 0 ，配以s a m s u n 9 1 7 英寸纯平面显示器， 激光打印机。下位机控制器选择s i m e n ss 7 4 0 0 可编程序控制器作为主站， s 7 2 0 0 作为从站复杂对变频器的控制，其配置主要包括c p u 模块、通讯模块、 数字量输入模块( d i ) 、数字量输出模块( d o ) 、模拟量输入模块( 越) 、模拟 量输出模块( a o ) 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可进行控制。 2 2 系统硬件设计 系统的硬件设计主要是根据系统功能来实现，其硬件接线图如图2 2 所示。 系统主要包括汽轮机控制，汽机保护、信号采集和上位机监控几部分组成。 电源 c p u 上位机 ，1 通讯 h 。n， 徊幂，毋机等j 数字量输入模块 限位行程习 l i 数字量输出模块 ，r l 一 u _ 蒸髓鹰! 抽 模拟量输入模块 抟速僮多： 模拟量输入模块 一 图2 - 2 系统硬件接线示意图 6 武汉理工大学硕j t 学位论文 汽轮机d c s 系统的汽机控制部分：汽机控制主要分为调速系统和设备控制 两部分，调速系统是汽轮机控制的主题，本文采用p i d 控制算法，转速设定值 在上位机人机界面直接输入，通过工业以太网网络将参数传送给控制器，控制 器从模拟量输入模块读入实际转速值与转速设定值进行比较，经过p i d 运算， 通过模拟量输出模块输出相应的差值电流，经电液转换器控制汽机转速w 。；汽 机设备控制部分主要实现汽轮机凝汽设备，油泵，风机和盘车等设备的控制， 凝汽设备的控制主要实现热井水位的调节，采用变频器控制水泵电机转速，以 达到控制出水量的多少，从而实现水位的调节，也采用p i d 算法控制，变频器 频率的给定由控制器通信传输；泵类，风机和盘车的控制是由操作人员根据现 场工况需要，通过上位机运控按钮，操作汽机设备的运行停止，当操作人员在 人际界面按下按钮时，上位机通过网络将信号传递给控制器，由控制器根据控 制逻辑得出操作结果，由数字量输出模块实现输出，控制远程设备的启动停止。 汽轮机d c s 系统的汽机保护部分：汽机保护部分是汽轮机运行的重要保证， 本为主要阐述e t s 系统的实现，其主要是针对汽轮机t s i 系统的各个重要参数， 以及其它有关汽机安全的重要参数，当操作人员按下急停按钮或汽机故障停机 时，根据程序设计，p l c 数字量输出模块输出数字量控制电磁阀泄掉高压油关 断主汽阀而停机，并由e t s 面板记录和显示停机状态。 汽轮机d c s 系统的数据采集部分：数据采集是本系统工作的依据，有数字 量( d i ) 输入参数，数字量( d o ) 输出参数，模拟量( a i ) 输入参数，模拟量 ( a o ) 输出参数。通过转速、压力、温度和位移传感器及变送器将信号输入给 p l c 的模拟量输入模块。所有输入信号在p l c 里计算、变换后，通过网络系统 实时传送给上位计算机，计算机对数据进行存储、显示和管理，实现对整个工 业汽轮机控制系统的运行参数的集中监控和管理。 汽轮机d c s 系统上位机监控部分：此部分主要是人机接口的设计，上位机 部分是人机交互的重要手段，必须保证通讯可靠，操作方便等，本系统主要采 用工业组态软件w i n c c 来完成设计工作，实现其数据归档，报警处理等数据管 理工作，以及远程控制的实现，是现场工作的主要操作手段。 2 3d c s 系统冗余设计 在现代工业的各个领域，要求拥有一种能够满足经济、环保、节能的高度 自动化系统，同时，具有冗余及故障安全功能的可编程控制器是针对最高等级 7 武汉理下大学硕士学位论文 的控制需求。使用冗余系统的目标是减少因一个错误或系统维护而导致的产品 损失。停车成本越高，越值得采用冗余系统。通常投资冗余系统较高的费用会 因避免的产品损失而很快地返还。 2 2 1c p u 冗余 在许多应用场合，对于工厂单元的冗余质量和控制范围并不完全必要使用 一个专用的冗余系统来执行，例如切换时间较长或丢失部分信息，但并不影响 控制过程。通常来说，简单的软冗余机制就可将因一个错误事件导致的故障控 制过程切换到一个备用系统上而继续进行，这样配置的软冗余系统可用于能够 容忍切换延迟在秒级的控制过程。 本系统采用性能更高，效果更好的硬件冗余h 系统，避免由于单个c p u 故 障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。h 系统采用事件同步方式进 行同步。保证同步的有效性的同时又不会增加c p u 的运算负担。其冗余软件框 图如图2 3 所示： 主c p u 读输入信号 处理非冗余程序 判断从c p u 状态 处理冗余程序 从c p u 读输入信号 处理非冗余程序 判断主c p u 状态 不处理冗余程序 拷贝数据到从c p uyn 拷贝数据到主c p u 输出处理结果jl 输出处理结果 图2 3c p u 冗余框图 8 武汉理工人学硕士学位论文 c p u 故障后，替换的备份c p u 与主c p u 同步连接自动建立，备份c p u 发 出l i n k u p 请求，主站在禁止删除、拷贝和生成块功能后将所有数据发送给备份 c p u 。备份c p u 执行自测试，然后向主站发出更新请求。主站在终止已组态连 接的通讯和禁止低级别的报警后，拷贝动态数据给备份c p u 。主站运行用户程 序，在禁止所有报警和中断后向已l i n k u p 的备份c p u 发送上次更新后发生改 变的动态数据。备份c p u 接收主c p u 的输入、输出、定时器、计数器和内存位 信息，主c p u 使能报警中断和通讯，主、备c p u 进入到冗余、同步操作过程 7 2 2 2i o 冗余 当两个单独的模块被组态并以冗余对方式使用时，则采用冗余i o 。这种方 式能够得到最高的可靠性，因为系统可以忍受单个c p u 和单个信号模件发生故 障。本系统i o 冗余主要针对具有停机作用的数字量信号。出于成本和运行效果 的考虑，本系统采用信号转换模块，来完成冗余效果，一路停机信号经信号转 换模块，变成两路分别送入两个数字量输入点，当任一信号有效时，即认为停 机信号有效，这样做能很好的保证当其中一模块发生故障时有效停机，保护汽 轮机安全。 2 2 3 网络冗余 9 武汉理t 大学硕士学位论文 本系统的网络冗余主要是控制器与上位机之间的冗余，控制器与i o 站之间 的冗余，采用冗余网络的主要目的是当一条网络链路损坏时，系统可自动切换 到另外一条网络链路。其中上位机与控制器h 系统之间冗余如图2 4 所示：h 系统每个机架上插两块c p 4 4 3 1 ，上位机p c 站上插两块c p l 6 1 3 ，这样当其中 任一链路出现故障时，不影响整个系统的正常通信，或者当任一通信模块c p 故 障时，不影响整个系统的正常通信。 控制器与i o 设备站之间的冗余是指控制器和i o 设备站组成双网，从而达 到通信的安全性，控制器每个机架都集成有一个d p 口，每个i o 设备站都有两 个i m l 5 3 2 ，保证控制器与下面的i o 模块的安全通信”。 2 2 4电源冗余 电源冗余分为交流和直流两部分。 图2 5 交流冗余电源 出 交流电源冗余是指系统柜的供电电源部分，分为两路供电电源，其中一路为 u p s 电源，另一路为市电供电，当其中任一路故障时，不影响系统的正常稳定 工作，如图2 5 所示，两路输入电源为a 路和b 路，分别经过空开q f ，为手动 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 控制接通或断开电源，电源隔离器t c ，电源滤波器l p ，通过接触器k m 实现 电源的自动切换工作，接触器k m 的线圈与a 路电源连接，k m 的常开触点连 接到a 路电源，常闭触点连接到b 路电源，其工作原理是，当a 路通电时，接 触器k m 线圈通电，常开触点闭合，常闭触点断开，电源输出接通a 路，断开 b 路，达到正常供电的目的；当a 路不通电，b 路电源输入正常时，接触器k m 线圈失电，常开触点断开，常闭触点闭合，电源输出接通b 路，断开a 路，达 到正常工作的目的。 直流电源冗余是指系统内部通讯模块供电部分，e t 2 0 0 m 远程i o 设备站供 电部分，其中通讯模块的供电采用的是两块s i t o p 电源，s i t o p 电源的输出经 过电源转化模块，当其中一个s i t o p 电源故障，能自动转换输出另外一路s i t o p 电源，保证通讯模块的供电正常，i o 设备站的供电电源采用普通开关电源，输 出2 4 v 直流电，主要为模拟量模块和数字量模块提供供电电源和参考电压，同 样采用电源转化模块，保证供电稳定。 2 3d c s 系统通信网络 本d c s 系统通信主要分为两部分，一为控制器与上位机之间的通信，采用 工业以太网；一为控制器与i o 设备站以及从站之间的通信，采用p r o f i b u sd p 。 工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准，该技术 基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实 效性。本系统采用s i m a t i cn e t 工业以太网，其传输速率快，可达10 0 m b i t s ， 在控制器端，采用通讯模块c p 4 4 3 1 ，上位机端采用c p l 6 1 3 模块，中间采用两 台交换机，组成上网冗余网络，有效的保证通讯的可靠性和快速性， p r o f i b u sd p 是用于过程控制级的高速传输网络，主站周期地读取从站的输 入信息并周期地向从站发送输出信息，采用r s 4 8 5 双绞线，传输速率可达1 2 m b i f f s 。本系统网络连接采用r s 4 8 5 中继器，其上安装有终端电阻开关，在总线两 端要加入终端电阻。在控制器端集成有d p 接口，i o 设备站端采用i m l 5 3 2 ， 同样采用双路网络，保证数据的可靠性。 2 4 本章小结 本章主要介绍了本系统总体方案的设计，给出了系统总体框架结构，系统 的功能连接，重点分析了系统冗余的设计，其中主要包括c p u 冗余，i o 冗余， 武汉理| t 大学硕 ：学位论文 网络冗余和电源冗余的设计；并且进一步分析了本系统的通信网络，以及本系 统网络通信的快速性和可靠性。 1 2 武汉理工大学硕：l 学位论文 第3 章汽轮机d c s 系统过程控制方案的设计 本系统过程控制系统的设计主要是汽轮机转速的控制，同时调节凝汽设备 的热井水位，以及对汽轮机各个设备的控制，主要由油泵，风机，盘车等。 3 1 汽轮机结构 汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，由锅炉 中来的蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，从而热能转变为动能。 汽轮机主要有两部分，由转动部分( 转子) 和固定部分( 静体或静子) 组成；其中转 动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件，固定部件 包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套( 或静叶持环) 、汽封、轴承、轴承座、 机座、滑销系统以及有关紧固零件等”。 汽轮机在正常工作时，有很多附属设备为其正常运行提供帮助，为了保证 汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机 及其附属设备的组合称为汽轮机设备。汽轮机的工作流程是来自蒸汽发生器的 高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机，由于汽轮机排汽1 2 1 的压力大大低 于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低， 部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽1 2 1 排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发 生器构成封闭的热力循环。乏汽在凝汽器中会产生热量，为了吸收乏汽在凝汽 器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供 应冷却水。由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界 大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。若任空气在凝汽器内积 累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有 用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环 效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。凝汽设备由凝汽器、凝结水 泵、循环水泵和抽气器组成，它的作用是建立并保持凝汽器的真空，以使汽轮 机保持较低的排汽压力，同时回收凝结水循环使用，以减少热损失，提高汽轮 机设备运行的经济性，图3 1 为汽轮机设备组成图，其中l 为主气阀，2 为调 节阀，3 为凝汽器，4 为抽汽器，5 为循环水泵，6 为凝结水泵，7 为低压加热器， 8 为除氧器，9 为除水泵，1 0 为高压加热器。 1 3 j f ；c 汉理t 大学硕士学位论文 图3 - 1 汽轮机设备组成图 3 2 汽轮机过程控制方案设计 本系统中工业驱动汽轮机过程控制系统采用p l c 作为控制系统的核心，控 图3 - 2 汽轮机控制系统总体方案 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 制系统中的运算处理工作都有p l c 来完成。本控制系统主要包括调速系统和热 井水位调节系统两个部分。工业汽轮机控制系统总体方案如图3 2 所示： 汽轮机的动力来源为热能，热能由锅炉来的蒸汽产生，蒸汽通过汽轮机调 节气阀进入汽轮机，在汽轮机内部通过机械装置传递能量，汽轮机输出能量的 功率大小和进入汽轮机的蒸汽量的多少有关，而通过调节汽轮机的进气阀开度 可以控制进去汽轮机的蒸汽量，本系统此部分的控制任务主要是将汽轮机转速 差信号放大后去控制调节阀的开度，从而达到控制汽轮机转速的目的。其工作 原理是：由测速传感器给控制器送入一个4 2 0 m a 的电流信号，经控制器转换 处理得到汽轮机转速信号，再将此信号和转速设定值比较，由p i d 程序计算得 出控制信号，从模拟量输出模块输出4 - 一2 0 m a 控制电流，经过电液转换器转化 得到液压信号，控制油动机行程，从而带动调节阀移动，这样就能控制调节阀 的开度，油动机行程信号由位移传感器测出，此信号再与模拟量输出信号进行 比较，如果两者没有偏差，则认为输出转速与设定转速没有偏差，伺服阀不需 要调节，保持原状态即可，如果两者有偏差，则认为实际转速与设定转速存在 偏差，则进一步调节伺服阀，较少转速偏差直到为零，负载的变化和环境中的 干扰因素可能影响转速，本系统的目的就是再设定转速不变的情况下，克服干 扰和负载变化带来的影响，保持转速的稳定“。 热井水位调节系统主要通过两台凝结水泵控制出水量来实现，凝结水泵由 变频器控制，分为工频和变频两种方式，由p l c 通过p i d 运算得出相应频率发 送给变频器，实现控制凝结水泵的转速，从而达到控制出水量的多少。其中影 响水位变化的一个重要因素就是凝结水的多少，所以在凝结水量不断变化时， 本系统通过两台水泵的调节，保持水位的稳定。 3 3 汽轮机调速系统 工业汽轮机有较高的转速和较大的功率适用范围。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，因此性能优良，高效的调速系统对于工业汽轮机来说显得非常重要”。 3 3 1 调速原理 汽轮机工作时，影响汽轮机转速的因素主要是作用在汽轮机转子上的力矩， 这些力矩主要有蒸汽作用在转子上的主力矩膨；负载的反力矩坛；运行 1 5 武汉理工大学硕：l 二学位论文 中摩擦产生的力矩膨，它是由各种摩擦引起的。在正常稳定的工况下，三种力 矩之和应该等于零，即： 肱一膨一膨= 0 ( 3 1 ) 而相对于蒸汽的主力矩必和负载的反作用产生的力矩坛，摩擦力矩膨很 小，可以忽略不计，这样上面的公式可改为： m t 一彪= 0 ( 3 - 2 ) 在汽轮机运行中，只要作用在转子上的主力矩和反力矩不平衡，就会使转 子产生角加速度，也就是汽轮机的转速会增加或减少。 由主蒸汽引起的主力矩膨是进汽量和汽机转速的函数，如图3 3 所示，曲 线1 和1 是汽轮机转子的主力矩曲线，曲线2 和2 7 是汽轮机负载反力矩曲线，当 汽轮机转速增加，而主汽门进汽量不变时，主力矩就会变小，曲线1 和曲线2 的交点a 就是此时力矩的平衡点；当汽轮机负荷变小时，反力矩曲线就由曲线2 变为曲线2 ，而主力矩不变，依然是曲线1 ，此时汽轮机运行的工作平衡点就变 为b ，汽机转速也由m 变为m 。这种汽轮机自动保持运行平衡状态的能力我们 称之为汽机自平衡能力，可以看出，如果不对汽轮机的进汽量加以调节，汽轮 芝 疑 穴 n 口n tn l 辕疆n 图3 - 3 汽轮机力矩和转速曲线 机的转速会随着负荷的转变变化很大，这样不但不能满足用户的需要，而且会 直接影响汽轮机的运行安全，所以为了保证汽轮机转速的稳定，必须对汽轮机 的进汽量合理控制，就此时情况而言，减少汽轮机进汽量，使主力矩曲线由曲 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 线1 变为曲线1 ，这样汽轮机运行的工作平衡点c 对应的转速n c ，就和转速m 维持稳定1 。 工业汽轮机是通过控制调节汽阀的开度，从而调节进入汽轮机的蒸汽量， 来实现调速的目的。当汽轮机转速升高时，关小调节汽阀的进汽量就可以降低 转速，当汽轮机转速降低时，开大调节汽阀的进汽量就可以提高转速。汽轮机 调速简图如图3 4 所示，其中l 为调速器，2 为滑环，3 为滑阀，4 为油动机，5 为调节阀，6 为汽轮机，7 为负载，本系统为风机，8 为传动齿轮，9 为同步器， 当外界负荷变化时，汽轮机转速随之变化，离心调速器感应到转速变化时，并 带动调速器滑环上下移动，使错油门滑阀失去平衡，打开油门，使高压油进入 油动机油室，油动机活塞在油压差的作用下移动，开大或关小调节阀，改变汽 轮机主蒸汽流量，使汽轮机主力矩和反力矩达到新的平衡状态“。 3 3 2 调速方案设计 图3 4 汽轮机调速系统简图 本系统方案是基于p l c 的p i d 控制算法实现的，由转速传感器测出的汽轮 机实际转速送入控制器，经过p i d 运算，输出电信号，经电液转换器转换成油 1 7 武汉理工人学硕上学位论文 压信号，控制调节阀开度，从而达到控制汽轮机转速的目的。 p i d 控制算法在过程控制系统中应用非常广泛，在各种控制算法不断进步的 同时，p i d 控制算法原理简单，易于实现，适用面广，所以其仍然是大多过程控 制场合的首要选择。本系统主要采用连续模拟p i d 调节器，其控制系统框图如 图3 5 所示： p i d 调节器是一种线性调节器，是闭环控制，通过传感器或变送器将过程中 产生的被控变量反馈给调节器，将给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 的偏差的比例( p ) 、 积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，从而控制执行器，通过操作变量对 控制对象进行控制。p i d 调节器的微分方程为： m p 卜+ 寺f e ( t ) d t + 警l ( 3 - 3 ) 乇 中 p ( f ) = ，( f ) 一c ( f ) p i d 调节器主要由比例，积分，微分三个校正环节，其中： 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差一旦产生，调 节器立即产生控制作用以减小偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分时间常数t i ，t i 越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节：能反应偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号的值变 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减小调节时间“。 本系统在控制转速时，前一个环节需要控制