侯鵬飛，李林高，王 琦，白建云，印 江

(山西大學(xué)自動化系,山西 太原 030013)

0 引言

直接空冷機(jī)組具有節(jié)約水資源、建設(shè)周期短、占地面積小等優(yōu)點，在北方地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。直接空冷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)很大程度取決于周圍環(huán)境，不同的溫度、風(fēng)速不僅影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，而且會造成停機(jī)事故。因此，對空冷島空氣側(cè)出口溫度和出口風(fēng)速進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，對于研究空冷島凝汽器換熱、分析空冷島空氣側(cè)的場分布、進(jìn)行防凍和背壓控制研究具有十分重要的實際意義。通過對現(xiàn)場空冷島的溫度場和風(fēng)速場進(jìn)行監(jiān)測，工作人員可以了解空冷島實時的狀態(tài)，為直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)整提供數(shù)據(jù)依據(jù)，在出現(xiàn)問題時能夠及時定位故障，便于處理。

直接空冷系統(tǒng)的規(guī)模過于龐大，換熱面積大，溫度分布存在差異，現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)空冷凝汽器溫度和風(fēng)速的大規(guī)模監(jiān)測[2]。為了解決這一問題，設(shè)計了一套實時移動的監(jiān)測裝置，用于測量空冷島任意測點的溫度和風(fēng)速。選取IFIX組態(tài)軟件開發(fā)空冷島動態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。IFIX實時獲取空冷島的動態(tài)參數(shù)，將獲得的數(shù)據(jù)存儲并顯示在監(jiān)控畫面上，使得整個監(jiān)控過程可視化?，F(xiàn)場工作人員能夠輕易地通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并解決故障，確保整個空冷島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 空冷島動態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用移動監(jiān)測裝置測量空冷島空氣側(cè)出口溫度和出口風(fēng)速，通過在空冷島的清洗裝置上安裝一套帶有電機(jī)的移動裝置，并在上面配置熱線風(fēng)速儀，測量空冷島的溫度和風(fēng)速。移動監(jiān)測裝置監(jiān)測現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過PRFIBUS-DP總線傳輸?shù)絊IMOTION 控制器中。控制器通過PRFIBUS-DP 總線把數(shù)據(jù)傳輸給裝有IFIX5.0組態(tài)軟件的上位機(jī)系統(tǒng)。IFIX組態(tài)軟件通過OPC技術(shù)讀取現(xiàn)場空冷島的風(fēng)速和溫度，并將這些數(shù)據(jù)存入自身的過程數(shù)據(jù)庫中，通過監(jiān)控畫面來監(jiān)測空冷島的溫度值和風(fēng)速值。對每個測點的溫度值設(shè)置上下限，在超過限制的情況下進(jìn)行報警，以此監(jiān)測和保障空冷島的安全運(yùn)行。同時，在監(jiān)控畫面上控制電機(jī)的上下左右移動，使監(jiān)測裝置能到達(dá)測點，并在監(jiān)控畫面上顯示監(jiān)測裝置的位置?？绽鋶u動態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 空冷島動態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 空冷島測點方案布置

空冷島換熱面積大，表面溫度和風(fēng)速分布不均，所設(shè)計的移動監(jiān)測系統(tǒng)在空冷島動態(tài)參數(shù)測量過程中，測點存在一定的時間差。為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對測點進(jìn)行優(yōu)化布置[3]。

某電廠的300 MW循環(huán)流化床機(jī)組，整個空冷凝汽器共分為6列，每列分為4個冷卻單元。其中：1#、3#、4#單元為空冷凝汽器的順流區(qū)，2#單元為空冷凝汽器的逆流區(qū)。

通過對空冷島的實際溫度值和風(fēng)速值進(jìn)行密集式測量，即每個冷卻單元豎向以及橫向以1 m間距為采樣點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)分析表明，空冷島底部靠近風(fēng)機(jī)中心的區(qū)域空氣流量大，其余位置空氣流量相對較小。翅片管束上下部的空氣流量分配也不均勻，下部空氣流量過大，氣流速度較大，而中部、上部空氣流量相對不足，氣流速度也較低。同時，在翅片管束底部空氣溫度分布也極不均勻，翅片管束中部附近位置氣流速度較低，對應(yīng)的翅片管束出口空氣溫度較高；上部氣流速度則較高，對應(yīng)管束出口空氣溫度較低。溫度分布與速度分布情況相反，管束中間位置溫度較高，兩側(cè)溫度較低，在冬季容易出現(xiàn)局部凍結(jié)情況。因此，整個逆流區(qū)和順流區(qū)的中下部是監(jiān)測重點。流場計算表明，在順流區(qū)和逆流區(qū)的上、下部區(qū)域布置壁溫、風(fēng)速測點，中部布置空氣溫度、風(fēng)速測點使其能夠覆蓋到所有區(qū)域，達(dá)到監(jiān)測的最佳效果。最終得出在空冷島“A”字型結(jié)構(gòu)兩側(cè)各布置五排測點測量風(fēng)速和溫度值最為合理。橫向上，結(jié)合空冷島測點布置原則和原有的布置方案，最終按順流單元和逆流單元分別確定各冷卻單元的測點布置。單元測點布置如圖2所示。一個順流單元的測點個數(shù)為21個，一個逆流單元的測點個數(shù)為25個。圖2中：●表示壁溫、風(fēng)速測點；○表示空氣溫度、風(fēng)速測點。

圖2 單元測點布置圖

3 硬件系統(tǒng)

3.1 SIMOTION D

空冷島移動監(jiān)測裝置的控制器采用西門子新一代運(yùn)動控制產(chǎn)品SIMOTION。SIMOTION D是基于SINAMICS S120驅(qū)動平臺、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制統(tǒng)[4]。SIMOTION D作為系統(tǒng)控制器，實現(xiàn)對電機(jī)的快速精準(zhǔn)控制，使移動監(jiān)測裝置在空冷島Λ型架構(gòu)上下和左右移動，以此對空冷單元測點處的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量。通過軟件編程對伺服電機(jī)和三相異步交流電機(jī)分別進(jìn)行控制，可實現(xiàn)機(jī)械裝置在空冷單元斜面縱軸和水平方向上的自由移動，進(jìn)而實現(xiàn)了對空冷島上溫度和風(fēng)速的測量。

3.2 熱線風(fēng)速儀

空冷島測量裝置選用熱線風(fēng)速儀，測量空冷島翅片管束溫度、空氣側(cè)出口溫度和出口風(fēng)速的數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)了一表多用，在縮短測量時間的同時，既減少了測量設(shè)備的投資，又降低了移動系統(tǒng)的載荷。熱線風(fēng)速儀是一種將流速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕臏y量儀器，可以同時測量流速和測量溫度。熱線風(fēng)速儀上的風(fēng)速溫度探頭由兩根熱線單絲組成。一根用于測量溫度，另一根用來測量風(fēng)速。測量出口側(cè)空氣溫度使用時，將探頭伸入到翅片管束面的正上方，測量翅片管束壁溫時則需要將探頭插入翅片管束之間的空隙中，以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4 軟件系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)傳輸

IFIX組態(tài)軟件本身沒有提供直接與 SIMOTION 通信的驅(qū)動器，控制器無法直接和IFIX組態(tài)軟件通信。SIMOTION 的編程軟件 SCOUT 可以將控制器中的變量表生成標(biāo)準(zhǔn)的 OPC 文件，被計算機(jī)上的SIMATIC NET軟件所加載，而 SIMATIC NET 又提供了標(biāo)準(zhǔn)的OPC通信接口，可以通過OPC技術(shù)來實現(xiàn)IFIX與SIMOTION之間的數(shù)據(jù)通信。IFIX作為OPC通信的客戶端，SIMATIC NET 又作為OPC通信的服務(wù)器，而 SIMOTION 通過自身生成的標(biāo)準(zhǔn)的 OPC 文件與IFIX的I/O驅(qū)動器進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

空冷島動態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖3所示。首先，測量裝置將現(xiàn)場的溫度值，風(fēng)速值的信號經(jīng)過PROFIBUS DP總線傳輸給SIMOTION D控制器，同時把電機(jī)目前的狀態(tài)發(fā)送給SIMOTION D控制器?？刂破鱏IMOTION D在收到這些信號后，把信號發(fā)送給SIMATIC NET上。然后，由SIMATIC NET通過OPC技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給IFIX的I/O驅(qū)動器，I/O驅(qū)動器把信號發(fā)送到過程數(shù)據(jù)庫中。最后，過程數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測畫面。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸框圖

4.2 監(jiān)測畫面

上位機(jī)監(jiān)控軟件選取GE公司的 Proficy HMI/SCADA-IFIX中文版軟件。利用 IFIX 組態(tài)軟件實時監(jiān)控和管理空冷島的運(yùn)行狀態(tài)，同時組建空冷島動態(tài)參數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。IFIX的編輯畫面有很多功能，可以滿足用戶編輯圖形、腳本、使用其他程序的有效控件[5-6]。根據(jù)需求制作了空冷島動態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。畫面主要有三個，分別為移動監(jiān)測裝置位置畫面、空冷島風(fēng)速畫面和溫度畫面。用戶也可以通過屏幕切換按鈕來進(jìn)一步了解任一屏幕的具體情況。

移動監(jiān)測裝置位置畫面如圖4所示。畫面清晰顯示移動監(jiān)測裝置的位置，操作員也可以通過這個人機(jī)接口控制裝置的上下、左右移動，使之到達(dá)期望測點，以此來對空冷單元測點處的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。圖4中：●表示空冷島的壁溫和出口風(fēng)速測點；○表示空冷島的出口溫度和風(fēng)速測點。

圖4 移動監(jiān)測裝置位置畫面

5 結(jié)束語

空冷島動態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)使用IFIX作為上位機(jī)的組態(tài)軟件，使監(jiān)控系統(tǒng)具有豐富的實時監(jiān)控功能，為用戶提供了一個安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、使用方便的操作平臺[7-12]。系統(tǒng)對全面準(zhǔn)確把握空冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、深入分析空冷凝汽器的換熱效果、提高電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和管理水平具有重要意義。系統(tǒng)具有以下特點。

①采用移動監(jiān)測的方式實現(xiàn)了空冷島動態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，移動監(jiān)測裝置安裝在空冷島上，設(shè)備安裝簡單。

②監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的釆集、處理和監(jiān)控，基本滿足了整個系統(tǒng)的監(jiān)控要求，提高了電廠生產(chǎn)自動化程度，為空冷島設(shè)備的安全監(jiān)視、及時處理故障，以及保證生產(chǎn)提供了重要安全保障。