汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

王浩浩 董云云 孫玉梅 蘇鳳 楊海利

1.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東煙臺(tái) 265713；2.東海熱電有限公司，山東煙臺(tái) 265713

一、引言

汽輪發(fā)電機(jī)就是與汽輪機(jī)配套的發(fā)電機(jī)[1]，它將熱能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，在各種熱電廠和核電站中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅可以用于直接驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械[2]，還可以利用其來滿足人們的供熱需要。

汽輪發(fā)電機(jī)具有可靠性高、運(yùn)行時(shí)間持久、使用價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代生產(chǎn)運(yùn)行的要求。雖然汽輪機(jī)有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但是一旦發(fā)生故障，將會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)的目的是對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的預(yù)知，從而消除各種故障隱患，使其能夠保持安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行[3]。最近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的在線監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)技術(shù)層出不窮，并且被應(yīng)用在汽輪發(fā)電機(jī)上，取得了比較突出的成績(jī)。

本文設(shè)計(jì)的汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于電力工業(yè)，系統(tǒng)由各種傳感器（如振動(dòng)傳感器、局放傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器等）、西門子PLC以及觸摸屏為主構(gòu)成，通過裝在生產(chǎn)線和設(shè)備上的各類監(jiān)測(cè)儀表，對(duì)生產(chǎn)及設(shè)備的運(yùn)行中的各種信號(hào)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并上傳至接收端，實(shí)現(xiàn)了汽輪發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，保證了汽輪發(fā)電機(jī)能夠最大限度地提高電廠的運(yùn)行效益[4]。

二、總體設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)正常安全運(yùn)行必不可少的設(shè)備，通過振動(dòng)、局放、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、位移等各種傳感器以及變送器將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)輸入到PLC的模擬量輸入模塊，所有信號(hào)在PLC中經(jīng)過計(jì)算、轉(zhuǎn)換之后，PLC與觸摸屏通信，觸摸屏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)流程圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過傳感裝置實(shí)施監(jiān)測(cè)，保證汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，并且要有良好的人機(jī)界面。為了滿足以上要求，本文采用的是可編輯控制器和觸摸屏相結(jié)合的方案，PLC技術(shù)比較成熟，可靠性高，梯形圖編程易于掌握[5]；觸摸屏體積較小，易于安裝和使用，而且界面簡(jiǎn)潔，有眾多按鈕、指示燈等控件，可以進(jìn)行靈活的處理，當(dāng)控制功能需要改變時(shí)，只需要修改程序和改變少量的接線。

1、PLC選型

汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)需要的PLC應(yīng)該能夠接收到各種數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)，能夠進(jìn)行運(yùn)算，輸出電量信號(hào)，還能夠?qū)崿F(xiàn)與觸摸屏的通信，及時(shí)將各種監(jiān)測(cè)信號(hào)和數(shù)據(jù)傳遞到觸摸屏上，同時(shí)觸摸屏的設(shè)定參數(shù)也要及時(shí)送到PLC中，所以選擇使用西門子公司的SMIATIC S7-300 PLC。

S7-300 PLC邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要由導(dǎo)軌（Rail）、電源模塊、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊以及通訊處理器等部件組成[6]。S7-300 PLC實(shí)物圖如圖3所示。

因?yàn)槠啓C(jī)具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具有較高的可靠性和適應(yīng)性，S7-300 PLC具有模塊化結(jié)構(gòu)，使用靈活方便，循環(huán)周期短，處理速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，甚至可以在露天的惡劣環(huán)境中使用，能夠滿足監(jiān)測(cè)的需求。

2、人機(jī)界面選擇

該設(shè)計(jì)需要的人機(jī)界面需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、軸向位移等參數(shù)，并且能與PLC實(shí)時(shí)通信，把設(shè)定的參數(shù)及時(shí)傳送給PLC，同時(shí)從PLC獲取汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的各種數(shù)據(jù)。

西門子TP1200觸摸屏，功能強(qiáng)大，控制靈活，反應(yīng)靈敏，但是上萬(wàn)元的價(jià)格，比較難以接受。

威綸MT8070IE觸摸屏，屏幕大小有7寸，雖然反應(yīng)較之西門子TP1200略微有點(diǎn)遲鈍，但是控制功能一樣強(qiáng)大，而且價(jià)格合理，內(nèi)存為128MB，能夠滿足需求，因此在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用威綸MT8070IE觸摸屏作為人機(jī)界面。觸摸屏和PLC之間通過RS232電纜進(jìn)行通信。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)選定西門子S7-300 PLC和威綸MT8070IE觸摸屏，PLC編程使用的是STEP7軟件，觸摸屏則是EB8000編程軟件。軟件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在，PLC編程時(shí)將各種信號(hào)進(jìn)行傳輸、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，而EB8000編制的程序則是對(duì)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和管理，在線監(jiān)測(cè)的流程圖如圖4所示。

1、PLC編程設(shè)計(jì)

PLC的用戶程序是根據(jù)控制要求通過PLC編程語(yǔ)言編制，按照實(shí)際需求來設(shè)計(jì)的。使用相應(yīng)的編程語(yǔ)言，在控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化控制功能。S7-300 PLC是中型PLC，它使用STEP 7軟件進(jìn)行編程，主要是將各種采集到信號(hào)在PLC中計(jì)算和轉(zhuǎn)換，該軟件就是對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)編程。

2、程序設(shè)計(jì)

在S7-300 PLC中寫在組織塊（OB）模塊里的是主程序，而子程序?qū)懺诠δ埽‵C）、功能塊（FB）。組織塊（OB）是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口，由操作系統(tǒng)調(diào)用，決定用戶程序的結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)調(diào)用其他模塊。不同類型的CPU支持不同的OB，用于循環(huán)處理。

功能塊（FB）或功能（FC）可以說是用戶子程序，兩者的主要區(qū)別是FB有存儲(chǔ)區(qū)，F(xiàn)C無(wú)存儲(chǔ)區(qū)，他們可以被其他的功能塊、組織塊調(diào)用，在FB中可以定義靜態(tài)變量，每個(gè)FB可以定義多個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，來代表同種類型的不同設(shè)備。這樣只通過一個(gè)功能塊就可以完成多個(gè)設(shè)備的變程。在此監(jiān)測(cè)中可以分為轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)和軸向位移監(jiān)測(cè)等功能塊。

數(shù)據(jù)塊（DB）是存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，可以打開或關(guān)閉。數(shù)據(jù)塊分為共享數(shù)據(jù)塊和背景數(shù)據(jù)塊，DB可以是某個(gè)FB的背景數(shù)據(jù)塊，也可以供所有塊共享。數(shù)據(jù)塊是一組按順序連續(xù)排列在一起的幾組記錄，是主存儲(chǔ)器與輸入、輸出設(shè)備或外存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳輸?shù)囊粋€(gè)數(shù)據(jù)單位。是數(shù)據(jù)的物理記錄，與數(shù)據(jù)的邏輯記錄（邏輯上有聯(lián)系，在存儲(chǔ)器上占有一組鄰接單元的數(shù)據(jù)單位）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系有3種方式：①一個(gè)塊即為一個(gè)記錄；②一個(gè)塊包含若干個(gè)邏輯記錄；③一個(gè)邏輯記錄占有幾個(gè)塊。數(shù)據(jù)塊的大小可以是固定的或是可變的，塊與塊之間有間隙。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)塊大小，受到多方面因素的影響，包括輸入、輸出效率，存儲(chǔ)空間代價(jià)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)等。

使用STEP7軟件進(jìn)行編程，對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)來的模擬量經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后，對(duì)輸入量進(jìn)行換算和比較，在程序中除了啟動(dòng)、停止外，主要程序是將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)在PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后再與設(shè)定值在比較器中進(jìn)行比較，確定是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)，是否需要停機(jī)。

五、系統(tǒng)調(diào)試

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的威綸MT8070IE觸摸屏，屏大小合適，操作靈活方便，界面友好，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。威綸MT8070IE觸摸屏一般是用EB8000軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過EB8000提供的各種圖形控件、功能控件等，可以組態(tài)出各種動(dòng)態(tài)功能和控制功能，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，顯示各種運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求和觸摸屏的存儲(chǔ)用量以及屏幕尺寸，設(shè)計(jì)界面。直接在觸摸屏上監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速、壓力、位移、溫度、空氣間隙、振動(dòng)以及局部放電等參數(shù)的變化。汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)觸摸屏頁(yè)面如圖5所示。

PLC與觸摸屏通信，調(diào)節(jié)各種參數(shù)，與設(shè)定值比較，如果發(fā)出報(bào)警信號(hào)，則在報(bào)警條上顯示出發(fā)生的時(shí)間、日期以及事件的信息。

六、結(jié)論

利用PLC和觸摸屏相結(jié)合的方案設(shè)計(jì)了汽輪發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過各種傳感器將汽輪機(jī)運(yùn)行中的各種信號(hào)采集并傳送到PLC，各種信號(hào)在PLC中經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，PLC與觸摸屏通信，觸摸屏對(duì)各種信號(hào)存儲(chǔ)、顯示和管理。本設(shè)計(jì)可靠性高、靈敏性好、工作環(huán)境多樣化，具有實(shí)用性，此監(jiān)測(cè)能夠間接地為電廠創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，受到人們的歡迎。