（检测技术与自动化装置专业论文）燃气发电机组通信及监测子系统的研制.pdf

第一章绪论 1 1 燃气机组的前景 1 1 1 我国的能源现状 第一章绪论 随着社会的进步 工业化进程的发展 能源的消耗也在不断增长 据美国埃克森美孚公 司预测 未来2 5 年全球能源消耗将上升6 0 到2 0 3 0 年能源需求将增长为每天3 3 4 亿桶 石油等价物 按照目前己掌握的埋藏量 地球上的石油仅可以再开采7 0 余年 其它常规能 源资源也逐渐告譬 我国自加入w t o 后 开始步入新一轮的高速增长周期 工业化和城市化进程大大加快 产业结构不断向重型化发展 结果导致我国的能源消费弹性系数和单位产出能耗持续增加 开始频频受到能源瓶颈问题的困扰 特别是2 0 0 2 年以来 我国大部分部分地区开始出现 油 荒 煤荒 电荒 这样的能源紧缺问题 在用电高峰期 有些地区甚至出现拉闸限电的 现象 环境问题也越发严重 巨大的能源消耗所产生的废水 废气 以使环境不堪重负 能 源紧缺和环境问题 引发了专家对我国经济发展模式 能源安全和环境保护的忧虑 专家指 出 我国的能源资源存在以下几方面的问题i lj 1 以煤为主的能源消费结构严重偏离世界能源消费结构的主流 在我国的能源消耗 中 对煤过分依赖 煤燃烧对环境的污染相当严重 并且运输成本相当惊人 据统计 2 0 0 5 年我国消耗原煤2 1 4 4 亿吨 在整个资源消费结构中 其中煤炭占6 8 7 石油占2 1 2 天然气占2 8 水电占7 3 可见煤炭消费所占比例过大 其它资源利用率低 2 能源使用与环境保护之间的矛盾呈恶化趋势 我国巨大的能源消费规模和以煤为 主的能源消费结构引起的污染物的排放 已使环境不堪重负 据统计 目前 我国每年s 0 2 排放量和烟尘排放量均超过1 5 0 0 万吨 目前全国酸雨区面积约占国土总面积的3 0 而 且有逐步蔓延的趋势 据专家估算 全国每年因酸雨造成的直接经济损失约为当年g n p 的 l 2 其潜在的损失有可能在3 以上 能源环境问题的严重性不仅存在于现存的污染 更重要的是未来潜在的能源需求增长对国内环境的巨大压力 3 能源使用率偏低 能源浪费严重 我国能源利用效率很低 节能潜力有待深入挖 掘 目前全国能源利用效率约为3 2 比先进国家约低1 0 考虑开采 输送后 我国 能源系统总效率竟然不足l o 还达不到发达国家的一半 这意味着9 0 左右的能源资源 在生产 加工转换 输送 储存和终端利用过程中损失和浪费掉了 由于技术和工艺相对落 后 国内大多数矿业 石化等支柱产业与发达国家同类行业相比存在高能耗 低能效的特点 单位产值平均要多消耗3 0 9 0 的能源 4 能源分布与需求的不平衡 我国能源产地大部分位于西部和中部 而人口和工业 中心却位于东部沿海地区 东部沿海地区耗用能源占全国年总产量的6 0 0 以上 大量能源 的远距离运输大大增加了使用成本 例如 我国目前仅煤炭的运输就占用了全国4 0 0 的铁 路运输量 1 1 2 能源问题解决方案 进入2 1 世纪 能源问题己上升到国家战略安全高度 并演变成敏感的国际政治 经济 和外交问题 能源甚至成为发动现代战争的根本目的 能源生产和消费所引发的全球性环境 东南大学硕士学位论文 问题已受到世界各国的普遍关注 且纷纷采取了一定的保护措施 我国政府也逐步意识到我 国目前的能源问题 为了保护环境 促使经济的可持续发展 陆续制定了相应的政策 新的 政策 是从经济方面加以引导 从政策方面加以限制 以此来解决我国现存的能源问题p j 新的政策主要从以下几个方面入手 1 提高能源利用率和节能 缓解能源瓶颈制约 增加供给固然重要 但最根本出路 是提高能源利用率和节能 舍此没有别的出路 我国人均资源拥有量远低于世界平均水平 煤炭 石油 天然气 人均剩余可采储量分别只有世界平均水平的5 8 6 7 6 9 和7 0 5 而目前 我国又处于工业化 城镇化发展的重要阶段 能源资源的消耗量高而且在不断扩大 近些年来 我国经济发展取得了举世瞩目的成就 但也付出了不小的能源资源和环境代价 经验证明 靠过度消耗资源和牺牲环境来支撑的经济增长模式 难以持久 经济要想健康发 展 必须走投入少 效益高 可持续发展之路 提高能耗和节能是我国经济可持续发展的必 经之路 也是解决我国能源问题的根本出路 2 开发新型可再生能源 按目前开采能力和以探明储量计算 我国煤炭资源可开采 使用1 5 0 年 然而石油仅2 0 3 0 年 因此可再生能源必将成为中国未来能源结构的基础 可再生能源包括水能 太阳能 风能 地热能 海洋能 生物能等 我国具有丰富的可再生 能源资源 且在开发利用方面取得了一定的成绩 尤其是太阳能和水能的开发利用方面 就 太阳能的开发和应用方面而言 我国已步入先进国家行列 长江三峡工程等水利工程的建设 也将我国水能的应用推进到一个新层次 目前国家正在从政策和经济上大力支持开发核能 风能 太阳能 水能等新型可再生能源来代替传统能源 3 多元化能源结构 解决我国能源问题的最直接办法是调整能源结构 使能源消费 由以煤炭为主的消费模式 变为各种能源综合利用的消费模式 尤其提高天然气和石油的消 费 世界工业化国家的历史经验证明 在各国的重工业达到一个较高水平的阶段时 从能源 消费结构看 都出现过从以煤炭为主向以石油和天然气为主的转变 石油和天然气热值高而 且有害气体排放量少 因此被称为 清洁能源 虽然在重工业达到相当比重后能源消费的 增长率会加速 但对环境的破坏性和影响却不会随着能耗的上升而显著增强 目前 发达国 家的能源结构基本是以石油和天然气为主 大部分发达国家占到6 0 以上 2 0 0 0 年各国能 源消费结构如表 1 1 1 所示 我国政府也意识到过分依赖煤炭所带来得严重社会和环境问题 为了调整能源结构 在十五期间建设的 西气东输 和 西电东送 工程已投入实际运作 可以使我国沿海地区建立起多元化的能源供应体系以及确立合理的能源消费模式 使天然气 在我国能源经济结构中的比重逐步扩大 从而产生巨大的经济和社会效益 表1 1 各国能源消费结构 国家石油天然气煤炭核能水电 中国2 3 6 2 5 6 7 0 o 1 6 9 美国 3 8 02 5 22 4 69 01 2 日本5 1 o1 3 21 8 01 6 21 6 法国 5 4 99 32 0 91 4 60 3 总计4 0 62 4 22 5 07 62 7 纵观我国的能源结构和经济社会发展状况 虽然我国能源现状相比前段时间 取得了很 大的成就 但与世界发达国家相比 与人民生活水平提高的需要相比 与可持续发展战略的 要求相比 还存在巨大的差距 还有许多亟待研究和解决的问题 1 1 3 燃气机组发展前景 我国能源结构调整的一个重点就是扩大天然气的使用比例 与煤炭相比 天然气的燃烧 2 第一章绪论 过程产生的污染物很少 对环境破坏小 属于清洁能源 因此使用天然气代替煤发电符合我 国可持续发展战略目标 我国有着丰富的天然气储各 目前 我国天然气储量大于1 万亿立 方米的地区有1 0 个 这l o 个地区的天然气资源量达3 2 3 6 万亿立方米 并且在海上探明的 天然气储量也有4 2 1 1 亿立方米 我国燃气发电增长速度加快 随着西气东输工程的基本完 工 沿途配套开工建设的燃气轮机电厂将陆续投入商业运行 燃气发电的比重将迸一步上升 在工矿企业的生产过程中 往往会伴生大量的宝贵的 燃烧值很高的气体资源 大部分 厂商没有充分意识到这部分气体所蕴涵的巨大经济效益 大量宝贵气体被直接捧空 一方面 是我国巨大的能源消耗和能源缺口 而另一方面是能源的巨大浪费 大量宝贵的气体资源并 未被人们充分认识和有效利用 例如沼气 伴生天然气 煤矿瓦斯气 水煤气 发生炉煤气 焦化煤气 高炉煤气以及化工生产中释放的如一氧化碳 甲烷 乙炔和氢气等可燃气体 这 些气体的燃烧值都很高 目前大部分工矿企业没有意识到其价值或者因为技术条件落后等因 素的限制 把其对空直接排放或点火燃烧 这样不仅造成巨大的资源浪费和环境污染 而且 存在着严重的安全隐患 燃气发电技术是以上这些可燃气体综合利用的最为经济有效的途 径 不仅可充分利用气体能源 同时燃气发电机组运行所产生的余热还可以提供热水和蒸汽 也可以带动溴化锂机组来进行制冷 构成热 电 冷三联供系统 使资源利用率达到最大 因此拥有广阔的发展空间 市场前景很好 利用气体发电的技术在许多应用领域展现出其巨大的发展潜力 其中应用最多的是天然 气 煤层气 焦炉煤气 高炉煤气和沼气等气体 在油田生产过程中每年都有大量的伴生天 然气被白白放掉 利用这部分天然气进行发电 能很好的解决资源浪费和环境污染问题 还 能作为油田的备用能源供应 另外 我国拥有丰富的煤层气资源 蕴藏量达3 0 3 5 万亿立 方米 居世界第三位 瓦斯发电效益也是相当显著 l 立方米含量1 0 0 的瓦斯 可以发出 3 2 3 3 度电 相对而言浓度为3 0 的1 立方米瓦斯可以发出约l 度电 我国瓦斯抽放量每 年达到4 2 亿立方米 如果全部被利用 相当于增加约5 7 0 万吨标准煤 不但可缓解能源紧 张局势 而且可增加产值1 5 亿元以上 同时还可减少排放二氧化碳6 7 5 0 万吨 极大的减少 大气污染 保护了环境 如果将这笔资金投入到煤矿安全设施改造以及技术研发升级中 则 煤矿安全的现状将会极大地改善 开发利用煤层气具有改善煤矿安全和增加新能源的双重效 益 而且我国煤层气资源在地域分布上与天然气有很好的互补性 可以作为天然气的有力补 充 此外 焦炭制取的副产品 焦炉煤气 属于高热值气体 是优良的燃料 用其发电效 率也相当高 据不完全统计 国内焦炉煤气年产量约2 0 0 3 0 0 亿立方米 接近全国天然气 的总产量 而且还将继续增长 这就为焦炉煤气发电提供了前所未有的机遇 与焦炉煤气相 似 高炉煤气是高炉炼铁生产时的废气 其可燃成份以一氧化碳为主 根据资料显示 国内 高炉煤气可利用的达3 0 0 0 亿立方米 除去很小部分已经民用外 其余大部分被直接排放掉 其发电市场潜力同样巨大 沼气是有机固体垃圾和污水在微生物分解作用下的产物t 其主要 成分是甲烷 目前我国大中城市垃圾填埋场的日处理能力都在千吨以上 总填埋库容达数千 万立方米 同时还有1 0 0 0 多万座沼气池 生活垃圾的处理一直是城市发展的痼疾 随着城 市规模的扩大 不仅需投入巨额资金 同时还占用宝贵的土地资源 不断排放的沼气也是大 气污染源之一 还极易引发安全事故 利用垃圾沼气发电 不仅能将其转换为巨大的经济利 益回馈社会 而且同时解决了环境污染和安全隐患的多重社会问题 采用气体发电 不但有巨大的经济效益 而且以燃气发电机组建站一次性投资小 建站 周期短 功率范围可根据气体产量的大小确定 并且搬迁十分方便 这些特点都非常适合于 中小型企业的运用 致台燃气发电机组不但可并机构建电站 组成一个小电网满足厂矿企业 自身使用 而且可并入大电网 为企业创造更大的价值 燃气发电机建设周期短 正常条件 下 采用燃气机组建设一个总装机容量为2 0 0 0 k w 的电站 建设周期一般在2 0 天左右 企 业自建燃气机组电站能够改善供电条件 实现双回路供电 尤其对处于用电紧张地区的厂矿 3 东南大学硕士学位论文 企业 可以不受外界供电的影响 保证生产的正常运行 利用企业的废气发电 有利于环境 保护 减少因排空或燃烧造成的空气污染 对环境保护工作具有积极的意义 方便搬迁 燃 气发电机组体积小 占地面积小 基础建设投资少 电站能够方便地移走 充分利用以往直接放空的这些可燃性气体 将其作为燃气发电机组的燃料进行发电 这 样不仅有利于我国能源结构的调整 缓解电能紧缺的现状 同时有利于减轻经济发展对环境 的污染 可谓一举多得 此外燃气机组发电较少受运输条件约束 可有利缓解公路 铁路运 输压力 综上所述 燃气发电机组 在我国将有着广阔的应用 业界人士对燃气发电机组的 发展前景十分看好 并且目前国家也从政策和资金上给予了支持 1 2 燃气机组测控系统现状与发展趋势 随着计算机技术的发展 燃气机组测控系统也越来越先进 由最初的人工调节各种参量 向目前最为先进的a g c 自动发电控制 发展 由于各国燃气机组起步差异和政府对其重 视程度的差异 燃气机组测控系统的技术相差较大 发达国家借助于成熟的柴油机和汽油机 技术 使燃气机组测控系统得到飞速发展 如卡特彼勒 瓦克夏 底特律等公司 j 技术水 平已达到相当完善的程度 而我国的燃气机组测控系统技术因发展时间较短 因此整体技术 水平相对落后 燃气机组测控系统的核心是准确的测量机组运行时得各种参数 并建立可靠的控制模 型 对运行状况 进行合理的控制 控制部分主要包括励磁控制 进气控制 电喷点火控制 等 控制的前提是对机组运行参数的准确测量 如气缸温度 气缸爆震 电网电压 电流 转速等 目前国产的燃气机组测控系统大部分是采用d s c 系统构建的 也有部分采用工控 机来构建 控制方式也已由最初的开环控制发展到了闭环控制和自学习控制以及当前更先进 的模糊控制 在开环控制系统中控制系统是单向的 当出现外部扰动或内部扰动时 将使发 动机运行发生波动 闭环控制系统是在开环控制的基础上增加反馈环节构成的 为进一步提 高控制精度 自学习控制系统1 j 在闭环系统基础上再增加对系统组件或发动机有关零部件制 造误差 长期使用后老化等引起的控制特性的偏差自动检测 并能进行及时修正的功能模块 燃气机组控制系统应可以对发电机的运行进行闭环自动控制 自动调节混合气浓度 实现主 燃烧室的稀薄燃烧 最大限度地提高发动机热效率 降低热负荷降低排放 另外还可以实现 机组参数的采集 储存 显示和输出打印等信息自动化功能 实现综合的一体自动化系统 1 3 课题来源与研制目标 1 3 1 课题来源 我国的中小型燃气机组制造企业众多 由于历史原因和投资成本限制 目前绝大多数机 组配套的测控系统相对国外同类产品比较落后 导致机组发电效率低 由于燃气机组制造技 术目前已经比较接近 大多数厂家的机组效率相差甚微 所以机组的测控系统将是目前直接 影响燃气机组的质量和市场竞争力的决定因素 大部分厂家都认识到这一点 并且很多企业 都已经开始燃气机组自动化测控系统的研究开发 希望开发研制出成本低r 精度高 反应快 速 操作简单 使用方便 适应性广 可靠性好 自动化和智能化程度高的燃气机组测控系 统 来满足用户不断扩展的需求 江苏启东宝驹动力机械厂生产的燃气机组 具有先进的完全自主的燃气内燃式发电技 术 创新的气体燃烧理论 采用稀薄燃烧技术和燃料控制技术 与国内外的气体燃烧理论相 比有着独特的先进之处 其燃气发电机组具有以下一系列的优点 首先其安全性能好 先进 的设计模式 杜绝了国内外大多数同类产品存在的回火放炮等危险现象 避免了由此对设备 4 第一章绪论 和操作人员的伤害 机组运行安全 平稳 其次机组发电功率高 热效率高 运行成本低 另外其机组的排气温度低 相比国内外同类机组约低1 0 眦o o 提高了机组可靠性 并且 延长机组运行寿命 该厂生产的燃气机组由于性能优越 使其在国内占据一定的市场份额 但是随着技术的发展 各生产厂商都提高自身设计水平 所生产的机组在各方面都有很大的 提高 性能上直追宝驹的燃气机组 并且在自控测控方面提前入手 集成了自己的测控系统 来加大竞争力 力图抢占更大的市场份额 相比而言 启东宝驹动力机械厂的测控系统过于 简单 而且机组自身的优势也在逐渐的丧失 在市场竞争越来越激烈的情况下 启东宝驹动力机械厂为了确保其市场占有率 提升其 竞争力 要求其合作公司 启东天地宽公司为其生产的1 9 0 系列燃气发电机组 配套研究 专用的信息化 自动化程度高测控系统 由于天地宽公司科研能力有限 特把此项目转交由 我实验室来完成 并提出了更高的要求 1 3 2 研制内容与目标 目前 启东宝驹动力机械厂的1 9 0 系列燃气发电机组有一套简单的测控系统 但其自动 化和信息化程度低 主要集成了发动机的闭环控制功能 但大部分的参数调节仍然采用手动 方式 其配套的现场检测仪表均为没有数据通信能力的指针式模拟仪表 因此难以实现全自 动化运行和无人值守的要求 亦无法实现远程对发电机组的监控 远程故障诊断更不可能实 现 图1 1 是该机组目前配备的部分仪表系统的图片 操作工人根据指针式仪表 和自身的 经验调节发电机的运行 这种调节方式在目前而言是过于简陋的 图1 11 9 0 系列燃气发电机组指针式仪表 为了能提升产品的竞争力 我们设计的测控系统注重其自动化和信息化 所设计的产 品为保证完全自主的知识产权 所有测量仪表软硬件 都是自行开发的 并且所有通信协议 也是根据其情况 自行制定的专用协议 本设计的重点是信息的共享和系统的可扩展性 因 为目前主流的测控系统处于更新换代期 因此所设计的产品应尽量跟踪国际前沿技术和潮 流 同时增强产品的可靠性 并进一步简化机组的操作和维护流程 设计是在现有机组的基 础上 参照原来测控系统 重新设计检测和控制仪表等设备 实现检测和控制的综合自动化 根据整个系统的要求 首先测控系统所包含的内容不仅要包含以往厂家测控系统所包含 第二章系统总体框架 第二章系统总体框架 燃气发电机测控系统是一个复杂的系统 涉及到大量的测控参量 因此良好的总体框架 将是构建一套经济 可靠 方便扩展的测控系统的基础 系统的总体框架是以厂家的需求为 依据 参考目前主流测控系统 井着眼于系统未来的可维护性和可扩展性以及以后测控系统 的发展趋势 来搭建的 2 1 系统需求分析及功能指标 本系统需要实时检测控制的机组参量 经过分类 大致可以分为以下几类检测参量 高温 低温 压力 含氧 转速 爆震和电网参量等信号类型 其中高温参量是各个气缸燃 烧后排气温度 低温包括冷却水的进水 出水 以及环境温度 燃气压缩后温度和空气增压 进气温度 压力检测包括空气增压压力 燃气增压压力 机油过滤前后压力 冷却水压力 以及可归结为压力测量的液位测量包括发动机机油油位 机油箱油位和冷却水箱水位 含氧 测量的是排气口烟气的含氧量 爆震检测是对各气缸点火燃烧是否产生爆震 电网参量的检 测主要是内网和外网的电流 电压 功率 控制可以分为 机组启停 电同合闸分闸 进气 量控制 液位控制等方面 其主要参数如表2 i 所示 表2 1 测量信号信息 信号类型动态范围传感器类型传感器输出信号通道精度 转速信号 0 1 5 0 0 r p m 霍尔传感器正弦波 1 n 硼 高温信号0 8 0 0 删一2 3 6 k 热电偶 5 0 m v 1 6 5 低温温度一2 5 1 2 5 d s l 8 8 2 0数字信号 7 0 5 压力信号 0 1 5 k g 压力变送器4 2 0 m a 电流4 0 1 k g 液位信号 0 l m 压力变送器4 2 0 m a 电流 3 l c m 含氧量 0 2 v 氧传感器p c 4 0 0 0 3 0脉冲序列 1 定性 爆震信号电荷量 r f 0 5 4 9 0 5 3 7 7 谐振信号 压电 1 6 定性 在可靠测量各种参量的基础上 厂商提出了信息共享的原则 所有仪表检测的参数能够 提供共享 即需要该参数的所有控制及显示系统都能够很方便的取得该参数 为方便现场工 人的操作 以及故障分析 所有重要参数均可在监测平台上方便的查询 重要的参数应该实 时的显示 如 气缸温度 转速等 方便的控制 可以通过现场及后端监控平台来控制机组 的启动 停止 并网 拖网 以及对机组的进气量等进行控制 对于特殊数据及情况要及时 处理 如现场声光报警 对于检测的机组故障要及时的进行机组控制 紧急情况要求能够自 动停机并脱网 故障数据要有记录 在仪表上保留没有传送出的故障数据 包括故障数据的 类型 时间 数值 系统应能适应各种现场的恶劣环境 2 2 系统的框架选择 系统的框架是构建整个系统的基础 选择何种框架是整个系统晟为关键的地方 目前 比较流行的 成熟的是d c s 系统 这种系统用的最多的 但是随着技术的发展其表现越来越 难以满足现代测控系统的需要 随着数字通信技术的发展 目前最为先进的系统都开始运用 f c s 系统来构建 f c s 系统在测控系统中正逐渐成熟 预计在不久的将来应该会取代d c s 系 东南大学硕士学位论文 统的地位 成为测控系统的首选 下面分别介绍一下d c s 和f c s 系统 2 2 1d c s 系统介绍嘲 d c s 是集散型控制系统的英文缩写 即d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 其是以多台微 处理器为基础的集中分散型控制系统 它是目前在过程控制中 尤其是大中型生产装置控制 中应用最多 可靠性最高的控制系统 测控系统最早是由模拟仪表组成的 但随着生产规模和复杂程度的不断增加 令其难以 实现复杂的控制规律 另外随着控制仪表数量的增多 使监视 操作费时费力 其更难以实 现各分系统之间的通信以及企业的综合管理等 随之发展产生的d d c 直接数字控制 系统 虽然克服了常规模拟仪表的局限性 但是由一台工控机来控制几十甚至上几百个回路 同时 对成百上千的变量进行监视 操纵 报警 使危险高度集中 一旦工控机发生故障 其直接 结果是整套系统将崩溃 甚至造成严重的生产事故 危险集中成为当时计算机实时控制的一 大难题 7 0 年代初 随着大规模集成电路的问世 微处理器的诞生以及数字通信技术 阴 极射线管 c r t 显示技术的进一步发展 基于 危险分散 的设计思想 世界上第一台实现 集中管理和分散控制的新型计算机控制系统 t d c 2 0 0 0 型集散控制系统于1 9 7 5 年由美国 h o n e y w e l l 公司推出 所谓集中管理 就是把整个生产过程的全部操作 显示集中在同一个 操作站进行 所谓分散控制 就是用多个微处理器分散承担生产过程的控制 每个微处理器 只控制少量回路 网络技术 软件技术等高新技术的发展 促使集散控制系统每隔几年便推 出新一代产品 第二代d c s 产品的一个明显变化是 数据通信系统的发展 从主从式的星形 网络通信转变为对等式的总线网络通信或环形网络通信 美国f o x b o r o 公司1 9 8 7 年推出第 三代d c s 系统 即采用局部网络技术和国际标准化组织 i 的开放系统互连 0 s i 参考模 型 从而克服了第二代d c s 应用过程中的难于互联的多种标准不同的 自动化孤岛 d c s 系统主要具有以下特点 1 标准化的通信网络 开放系统的网络应符合标准的通信协议和规程 在d c s 中已 经采用的国际通信标准有 i e e e s 0 2 局部网通信标准 p r o w a y 过程控制数据通信协议和m a p 制造自动化协议 这些标准使d c s 可以互相联接 可以共享系统的资源 可以运行第三方的 软件等 2 软 硬件资源通用 目前d c s 厂家均采用专业厂家的标准化 系列化的产品 如 在硬件方面 实现了机架 板件的标准化 降低了系统的价格 大大减轻了用户备品备件的 压力和费用 同时将自己的d c s 移植到微软公司推出的w i n d o w sn t 网络平台 加速了d c s 功能软件的开发 使其功能更加完善和增强 3 控制功能更加完善 d c s 依靠运算单元和控制单元的灵活组态 可实现多样控制 策略 如 串级比值 均匀 前馈 选择性 解耦等控制 还可实现先进控制 如 状态反 馈 预测控制 智能控制等 4 安全性能显著提高 d c s 除采用高可靠性的软硬件以及通信网络 控制站和冗余 措施外 还使用了故障检测与诊断工程软件 可对生产工况进行监测 从而及早发现故障 及时采取措施 提高了生产的安全性 2 2 2f c s 系统介绍 f c s 是现场总线系统的英文缩写 即f i e l db u ss y s t e m 现场总线技术是新近发展起来 的通信技术 是一种工业数据总线 是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络 国际电工委员会i e c 6 11 5 8 标准给出其定义 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内 的自动化控制装置之间的数字式 串行 多点通信的数据总线 现场总线技术的核心是它的 一8 第二章系统总体框架 通信协议 这些协议必须符合开放系统互连 o s i 参考模型 所以各国标准化组织都在进行 现场总线标准的研究与制定 国际上几个具有代表性的现场总线标准是c a n p r o f i b u s 和 f f 等 其中在市场上最为流行的是控制局部网络 c a n 目前现场总线形成了多个标准并 存的局面 相信在将来其通信协议最终会有一个统一的 开放的 国际性的现场总线国际标 准诞生 2 2 3f c s 与d c s 相比的优越性嗍 现场总线系统是智能化仪表和计算机网络相结合的新一代产品 与传统d c s 相比较 f c s 具有以下特点 1 信号传输的数字化 使f c s 更具市场竞争力 现场所有传感器或变送器只需共用 一对传输导线连接控制室的计算机 简化了整个系统的布线和设计 较d c s 可大幅度减少电 缆用量 从而可大量节省经费 4 0 左右 同时数字信号传输精度较模拟信号高得多 约l o 倍左右 抗干扰能力强 因此控制质量更好 2 系统结构的彻底分散化 使f c s 的控制可靠性进一步提高 f c s 的最大特点是采 用了全分散的现场控制结构 将过去传统上集中在中央控制系统的控制功能分散下放到智能 型现场设备中 每个现场仪表的c p u 均可独立完成测量 校正 调节 诊断等功能 出现故 障时 只影响本身 而不会影响全局 3 通信协议的开放性 有利于系统网络间的互联 实现网络资源共享 同时 不同 f c s 的现场设备具有互换性和互操作性 使备品备件减少 便于用户的扩展和再开发 f c s 整体结构上是d c s 的继承和发展 它将控制进一步分散到现场 同时又能集中监控和管理整 个生产过程 因此说 f c s 是全数字 全分散 全开放的新一代控制系统 2 2 4 系统总体实现方案 根据系统的需求分析以及对比各种测控系统的优越性 我们选择了f c s 来构建整套系 统 其中通信采用c a n 总线来实现 各个功能仪表都挂接到c a n 总线上来实现 把功能相对 独立的测控单元 分配到一个独立仪表 c a n c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k 即控制器局域网络 属于现场总线的范畴 它是一种 有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络 其最突出的几点特性如下 通信速率高 在 通信距离1 0 米内可达i m b s 出错率低 采用c r c 校验 非破坏性仲裁技术 在严重错 误情况下节点自动关闭等 另外其软硬件的设计相对简单 c a n 通信控制器集成了大部分 功能 如校验 自动关闭等 减轻了设计人员的工作量 由于其卓绝的性能和极高的可靠 性 c a n 总线受到业界的广泛重视 现在c a n 总线已经成为现场总线通信网络的首选 被公 认为极具发展前途的现场总线之一 为了提升燃气发电机组的综合自动化 信息化水平 提 高产品的竞争力 以f c s 系统取代以往的d c s 系统成为必然 鉴于c a n 总线的高速率 高 可靠性 在燃气发电机组测控系统设计中 采用c a n 总线来构建和设计整套f c s 测控系统的 通信网络 图2 1 很清晰的描述了系统的整个实现 系统采用三个层次来实现整个系统 即分为现 场层 电网测控层和网络监控层 现场层主要负责现场的测量控制 电网测控层主要负责电 网参量的检测和自动并网 脱网的控制 网络监控层主要是负责机组总的监控以及数据记录 现场层包括 现场监测平台 现场检测仪表组 现场执行机构等几个部分 电网测控层主要 由电网测量仪表和并网脱网控制仪表组组成 网络监控层由两台监控主机组成 一台正常工 作 另一台作为热备份哑终端 当正常工作的监控主机发生故障时 热备份哑终端立刻切换 到工作状态接管整个系统 9 东南大学硕士学位论文 传感器组 现场执行机构 现场监控平台 现场检测仪表组 l 场层 群嗡w m 嫦 糍蝌黜 辫瓣m 獬 郴 擀 一 料 粼蝌 镕獬锄群 蝴n 网测控层 c a n 总线通信网络 l 电网参量检测 电网控制机构 冬 智能主监控平台 热备份哑终端 图2 1 系统总体框图 2 3 本课题实现方案 由于本系统是一个庞大的监控系统 所以整套系统是由一个开发小组共同研制的 分 工为三大部分 每部分都由一个同学来完成 分工充分考虑了系统组成的特点和难易程度 并且工作量适合硕士毕业论文的要求 三部依据总体框架的三个层来划分的 即现场层 网 络监控层以及电网测控层 本人在整个系统中负责现场层的监测子系统以及与其相关的通信 部分的设计 其它两部分是由另外的同学负责设计研发地 通信协议部分的设计则是我们在 原有通信协议 上界师兄曾制定过一个简单的通信协议 的基础上 由具体负责的同学来具 体制定 其中涉及到总体的部分由三人根据情况 协商制定的 本毕业设计课蹶主要负责的是现场层的设计 主要包括 现场显示 控制 高温检测 低温检测 爆震检测 吉氧检测 压力 转速等的检测和控制 所有这些参量大多是多路检 测 为了使各种参量的检测相对独立 也为使调理电路和程序上 相互有所联系 各种参量 的检测都是独立为一个检测仪表 只有转速和含氧两个参量是一个检测仪表 因为只有这两 个参量的检测量是单路的 并且可以归结为开关量检测 经过分类整理 现场层的检测控制 仪表主要分为以下几个测量仪表 现场监测平台 高温测量仪表 低温测量仪表 压力测量 仪表 爆震测量仪表 开关量测量仪表 下图是本课题的系统框架 1 0 第三章通信软硬件设计及其协议的制定 首先是l l 位标示符的定义 1 l l 位标识符定义 如下表3 1 所示 表3 1 标识符定义 l 标示符位 1 09 87654 l 321o l 功能定义 l i g ti f t r n m g t m e s s a g e 用于定义报文类型 m g t 又分为四种 e i o 紧急数据对象 n m t 网络管理保文1 s d o 协议服务对象 和p d o 过程数据对象 从报文类型可以立 刻分辨出各种报文的优先级 e d o 报文的优先级最高 p d o 报文的优先级最低 谈到优先 级就要说明一下c a n 总线的非破坏性仲裁技术 c a n 总线采用了c s m a c d 技术 载波侦 听多路访问肿突检测 即利用c s m a 技术访问总线 可对总线上信号进行检测 只有当 总线空闲时才发送报文 当两个节点同时发送数据时 就必须通过 无损的逐位仲裁 方法 即非破坏性仲裁 来确保优先权高的报文优先发送 仲裁是根据1 1 2 9 位标识符的大小来决 定优先权的 c a n 总线的状态取决于二进制的 0 而不是 l 即 o 是显性 1 是 隐性 当总线上同时出现 o 和 1 时表现为 o 电子上可表示为一个逻辑上的与关系 c a n 接收器总是监视总线 当发送 1 信号而检测到此时总线为 o 知道有优先权更高 的报文在发送 主动退出发送 优先权高的报文继续发送 而不会受到任何影响 所以优先 权决定的次序是从第l l 位开始的 致字越小代表的优先权越高 在此协议中 e d o 报文设 置为 o o 气而p d 0 设定为 1 1 n m r 设定为 0 l s d o 设定为 1 0 通过数字的大 小 就可以很方便的了解哪种报文需要优先传送 口盯 i i l 胁m m i d p e 用于定义信息类型 不同的报文类型又分为几种信息类型 根 据不同的检测仪表其信息类型定义也不同 如测量数据 仪表状态等 r n a r c n o d e a d 出e 用于定义接收节点地址 每台智能化仪表都有固定的节 点地址 以保证各节点间都能实现数据互联互通 1 1 位的标示符的定义就那么多 后面的8 字节数据的定义和报文类型有着很大的关系 不同的报文类型 其不但信息类型不同 而且其数据帧也不同 下面以报文类型为主线 介 绍各种报文类型的信息类型和数据信息 e d 0 e m 哪蜘dd a i a o b i e c 紧急数据对象 从名字上就可以看出 此种报文负责紧 急事件的处理 在节点发生错误或者出现紧急情况下 对燃气发电机组紧急状况的报告和处 理 紧急事件是指机组工作参数偏离正常值 所有检测到紧急状况的节点设备 采用广播形 式向总线发送以通知其它节点 相应的监测模块和主机接收后 做出相应处理 其报文的定 义格式如表3 2 所示 其中的i f t 表示的是错误类型号 这里的目的地址 确切的说应该是 采用广播形式 在协议中规定 广播的地址采用 0 0 0 0 0 0 表示 紧跟在标示符后面的是 8 字节的数据信息 具体定义如表3 2 所示 这里只运用到8 个字节中的6 个字节 并不是 所有8 字节都需要使用 表3 2 o 报文格式 i 标识符域 数据域 i 报文类型i 错误类型i n o d e i d d od 1 d 2d 3 d 5 e d oo 1 5 目的地址 原节点d故障代码发生时问 n m r n c tm a m g e n n 网络管理报文 是负责对c a n 总线和总线上的设各进行管理 大致功能有 总线初始化 总线实时时钟同步 设备离线 上线管理 主机和备份主机切换 等 这部分随着设备的升级 所需要网络管理的内容也会逐渐增多 n m 陌的1 1 位标示符定 义和e d o 类似 如表3 3 所示 参数类型目前只定义了几种 但留有足够的可扩展的类型 东南大学硕士学位