王浩浩 董云云 孫玉梅 蘇鳳 楊海利

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

一、引言

汽輪發(fā)電機就是與汽輪機配套的發(fā)電機[1]，它將熱能轉(zhuǎn)換成動能，再將動能轉(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)動各種機械[2]，還可以利用其來滿足人們的供熱需要。

汽輪發(fā)電機具有可靠性高、運行時間持久、使用價格低廉等優(yōu)點，能夠滿足現(xiàn)代生產(chǎn)運行的要求。雖然汽輪機有著很多的優(yōu)點，但是一旦發(fā)生故障，將會造成很大的經(jīng)濟損失，對汽輪發(fā)電機監(jiān)測的目的是對發(fā)電機運行狀態(tài)進行科學(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)濟的運行[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)測裝置和監(jiān)測技術(shù)層出不窮，并且被應(yīng)用在汽輪發(fā)電機上，取得了比較突出的成績。

本文設(shè)計的汽輪發(fā)電機在線監(jiān)測系統(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)測儀表，對生產(chǎn)及設(shè)備的運行中的各種信號進行連續(xù)自動監(jiān)測并上傳至接收端，實現(xiàn)了汽輪發(fā)電機的在線監(jiān)測，保證了汽輪發(fā)電機能夠最大限度地提高電廠的運行效益[4]。

二、總體設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機正常安全運行必不可少的設(shè)備，通過振動、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)場采集到的信號輸入到PLC的模擬量輸入模塊，所有信號在PLC中經(jīng)過計算、轉(zhuǎn)換之后，PLC與觸摸屏通信，觸摸屏對數(shù)據(jù)進行顯示，從而實現(xiàn)對汽輪發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測。在線監(jiān)測流程圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

汽輪發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)是通過傳感裝置實施監(jiān)測，保證汽輪發(fā)電機的正常運行，并且要有良好的人機界面。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，而且界面簡潔，有眾多按鈕、指示燈等控件，可以進行靈活的處理，當(dāng)控制功能需要改變時，只需要修改程序和改變少量的接線。

1、PLC選型

汽輪發(fā)電機在線監(jiān)測需要的PLC應(yīng)該能夠接收到各種數(shù)字量信號和模擬量信號，能夠進行運算，輸出電量信號，還能夠?qū)崿F(xiàn)與觸摸屏的通信，及時將各種監(jiān)測信號和數(shù)據(jù)傳遞到觸摸屏上，同時觸摸屏的設(shè)定參數(shù)也要及時送到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實物圖如圖3所示。

因為汽輪機具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的特點，所以監(jiān)測系統(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，甚至可以在露天的惡劣環(huán)境中使用，能夠滿足監(jiān)測的需求。

2、人機界面選擇

該設(shè)計需要的人機界面需要能夠?qū)崟r監(jiān)測汽輪發(fā)電機運行過程中的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、軸向位移等參數(shù)，并且能與PLC實時通信，把設(shè)定的參數(shù)及時傳送給PLC，同時從PLC獲取汽輪機運行時的各種數(shù)據(jù)。

西門子TP1200觸摸屏，功能強大，控制靈活，反應(yīng)靈敏，但是上萬元的價格，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略微有點遲鈍，但是控制功能一樣強大，而且價格合理，內(nèi)存為128MB，能夠滿足需求，因此在線監(jiān)測系統(tǒng)使用威綸MT8070IE觸摸屏作為人機界面。觸摸屏和PLC之間通過RS232電纜進行通信。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

汽輪發(fā)電機在線監(jiān)測選定西門子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)計是本設(shè)計的重點所在，PLC編程時將各種信號進行傳輸、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，而EB8000編制的程序則是對經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲和管理，在線監(jiān)測的流程圖如圖4所示。

1、PLC編程設(shè)計

PLC的用戶程序是根據(jù)控制要求通過PLC編程語言編制，按照實際需求來設(shè)計的。使用相應(yīng)的編程語言，在控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)各種自動化控制功能。S7-300 PLC是中型PLC，它使用STEP 7軟件進行編程，主要是將各種采集到信號在PLC中計算和轉(zhuǎn)換，該軟件就是對其進行設(shè)計編程。

2、程序設(shè)計

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有存儲區(qū)，F(xiàn)C無存儲區(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FB可以定義多個背景數(shù)據(jù)塊，來代表同種類型的不同設(shè)備。這樣只通過一個功能塊就可以完成多個設(shè)備的變程。在此監(jiān)測中可以分為轉(zhuǎn)速監(jiān)測、溫度監(jiān)測、壓力監(jiān)測和軸向位移監(jiān)測等功能塊。

數(shù)據(jù)塊（DB）是存儲用戶數(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，是主存儲器與輸入、輸出設(shè)備或外存儲器之間進行傳輸?shù)囊粋€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，在存儲器上占有一組鄰接單元的數(shù)據(jù)單位）之間的對應(yīng)關(guān)系有3種方式：①一個塊即為一個記錄；②一個塊包含若干個邏輯記錄；③一個邏輯記錄占有幾個塊。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，存儲空間代價以及計算機應(yīng)用特點等。

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

五、系統(tǒng)調(diào)試

本監(jiān)測系統(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，可進行參數(shù)設(shè)定，實時監(jiān)測汽輪發(fā)電機運行狀態(tài)。威綸MT8070IE觸摸屏一般是用EB8000軟件進行程序設(shè)計，通過EB8000提供的各種圖形控件、功能控件等，可以組態(tài)出各種動態(tài)功能和控制功能，實現(xiàn)在線監(jiān)測，顯示各種運行時的數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的要求和觸摸屏的存儲用量以及屏幕尺寸，設(shè)計界面。直接在觸摸屏上監(jiān)測汽輪發(fā)電機的運行狀況，監(jiān)測轉(zhuǎn)速、壓力、位移、溫度、空氣間隙、振動以及局部放電等參數(shù)的變化。汽輪發(fā)電機在線監(jiān)測觸摸屏頁面如圖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)出報警信號，則在報警條上顯示出發(fā)生的時間、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)計了汽輪發(fā)電機的在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過各種傳感器將汽輪機運行中的各種信號采集并傳送到PLC，各種信號在PLC中經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，PLC與觸摸屏通信，觸摸屏對各種信號存儲、顯示和管理。本設(shè)計可靠性高、靈敏性好、工作環(huán)境多樣化，具有實用性，此監(jiān)測能夠間接地為電廠創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益，受到人們的歡迎。