基于WinCC的某糖厂汽轮机组监控系统设计

广州广重企业集团有限公司 陈广辉 徐晓嘉 杨冬竹 江夏莲 刘敏杰

1 引言

本系统是以巴基斯坦某一糖厂小型汽轮机组为研究背景，从项目的技术要点和需求等多角度进行分析，设计出适用于本项目的汽轮机监控系统。对于单台汽轮机监控系统的设计，可以探讨适用到其他汽轮机系统，为国内外中小型汽轮机组的监控系统设计上提出一些可借鉴的方法。

2 系统控制简述

2.1 汽轮机组监控系统简述

汽轮机是以蒸汽为工质的将热能转变为机械能的旋转式原动机，主要与压缩机、风机、发电机等设备结合，用于现场工业生产。中小型汽轮机系统主要包括了汽轮机本体系统（DEH调节系统、TSI监测系统、ETS遮断保护系统），以及汽轮机辅助系统（汽水系统，油路系统）等[1]。本系统主要是对上述的几大系统进行实时在线监视和控制。

2.2 项目分析

生产工艺。本项目汽轮机是一台背压式汽轮机，一个进汽调节阀HP，汽轮机转子通过蒸汽做功旋转后，连轴齿轮箱减速，从而带动糖厂的撕解机工作。辅助的系统主要是汽水系统和油路系统，油路系统较为复杂，其需要维持轴系的润滑和控制回路油压的稳定。糖厂的撕解机运行时负荷波动可能使得转速波动较大。

工作环境。汽轮机组为整个糖厂的一部分，项目现场的各类生产设备较多，有高低压变频器、水泵、电机等容易产生干扰的电气设备。

控制要求。汽轮机本体自动运行，保护连锁以及与汽轮机相关的汽水控制流程监控，油系统的控制流程监控等。

硬件要求。控制器需要采用国际知名产品，设计前期需要提供相关品牌供选择，监控系统需要设置相关冗余措施。

2.3 监控系统分析与优化

针对项目环境特点以及项目需求，设计前进行了监控系统的分析和优化。

一是如客户提出使用woodward的505D型控制器，经过分析对比，Peak200新型控制器是基于Peak150和505D升级而来，其采用了新的OPtiTune PID，具有双动态控制，可分析汽轮机的动态系统响应，稳定转速波动功能强，也可通过以太网连接和自带触摸屏，性价比高，基本功能不仅可以实现，且投入低于505D，因此设计中提出建议使用peak200，通过讲解了其功能属性后，业主同意选择使用peak200新型控制器。

二是如客户需要国际知名品牌的控制器，可选欧姆龙、三菱、ABB等知名PLC，在与客户沟通中，介绍了西门子PLC与同品牌WinCC搭配使用，对编程、通信方案设计、组态、使用、维护等优点，客户考虑后最终选择了西门子S7-300。

三是考虑现场运用时抗干扰问题，设计中采用性能优良的电源，抑制外部引入的干扰，控制器和I/O系统分别由各自的隔离电源供电，并与主电路电源分开。PLC模块的24V直流电源不对外围的各类传感器供电，以减少外围传感器内部或供电线路短路故障对PLC控制器的干扰[2]。TSI探头比较灵敏，易受到干扰，所以对于系统中功率较大的直流器件并接续流二极管，尽可能地减少干扰。

3 汽轮机监控系统的硬件设计

3.1 系统主要硬件

PLC：CPU:6ES7 315-2EH14-0AB0；WINCC：6AV63812BN075AV0；Peak200：8200-1501；HMI：cMT3160X；TSI:A6500。

3.2 编程/组态环境

SIMATIC STEP7，WinCC7.5；EasyBuilder pro V6.04；Woodward Remote View；Emerson Machine Studio。

4 汽轮机组监控设计

4.1 系统功能

根据项目的技术协议，统计的测量点和信号类型以及项目的工艺流程，设计了本项目所需的系统监控方案。

4.1.1 系统数据显示

汽轮机TSI轴系信号、水汽系统温度压力信号、各调节阀开度信号、辅机电流信号等。

4.1.2 危急遮断系统

系统接收TSI停机保护开关量信号，就地压力开关，急停开关及其他系统的停机信号，当系统出现下列极限参数时，系统能实现停机保护（汽轮机轴向位移过大，轴瓦振动过大， 轴承温度过高，润滑油压力过低，排汽压力过高，汽轮机转速过高，DEH系统故障，DCS系统故障，遮断油压力过低；油箱油位过低）。

4.1.3 汽轮机辅机系统控制

数字量接收辅机远程控制、过载、运行；模拟量接收电机电流信号，各类状态经程序逻辑判断，通过数字量输出控制辅机运行，控制对象包括交流辅助油泵、直流应急油泵、抽油烟机控制、主蒸汽阀控制、油箱加热器、主汽阀、1#2#轴封风机、盘车电机等。

4.1.4 数据记录

系统接收各类信号指令，如报警信号、故障信号、停机信号经内部逻辑判断，将数据归档，可通过WinCC系统查询显示。

4.1.5 DEH控制

升降负荷控制，控制使能，状态检测记录，故障报警连锁等。

4.2 系统各模块设计

4.2.1 PLC设计

使用西门子S7-300小型可编程控制器，满足了本项目汽轮机的系统监控功能。在PLC程序中，对信号的识别处理采用模块化设计，如热电阻热电偶模拟量输入，电机水泵控制等，使用FB功能块，根据需要在FC中进行调用，在各类数据中，对数据处理时，汇总至相应的DB数据块中，使得在WinCC或者触摸屏中能够更好地进行数据解析。模块化的设计可以提高程序编辑，调试效率，并且可以供后续类似机组移植使用。

4.2.2 Peak200设计

由于其自带操作屏幕，安装在DEH控制柜面板上，在汽轮机开机前组态检查、冲转阶段时，可方便现场操作人员使用。使用远程软件即可对控制器进行组态，将本机组的各项参数输入到控制器中后，Peak200可按照预设程序控制汽轮机运行。

4.2.3 触摸屏设计

WinCC作为中控室操作站，考虑到现场设备辅机需要监控状态及操作，在项目中PLC柜搭配了一个触摸屏，一方面可以实时与Peak200控制器搭配使用，另一方面触摸屏是以WinCC为模板，设计了一整套汽轮机监控系统，因此可以在WinCC有主机故障或通信故障时，作为备份控制面板接替WinCC使用。对涉及的控制柜均采用双电源进线方式，一路UPS，一路备用电，保证系统用电。

4.3 系统网络结构设计

针对所选择的产品，项目的特点及技术协议控制功能，考虑到可能与其他设备扩展通信等，设计了本套汽轮机的控制系统网络结构图如图1所示。

图1中，PLC控制器为西门子S7-300，PLC采用模块化结构，CPU使用315-2EH14系列，带有PN接口，使用IM360，IM361进行模块扩展。DEH控制单元为Woodward的PeaK200，TSI使用艾默生A6500系列，通过硬接线方式传输信号。触摸屏使用威纶通cMT3160X系列，带以太网接口，上位机系统为WinCC7.5，搭配一台西门子工控机，作为为RC工程师站，根据项目的IO统计数量，确定了RC512授权点。WinCC、触摸屏、PLC、PK200四者之前的数据通过以太网—交换机进行实时传输交换。交换机预留接口，当项目需要时，糖厂的DCS系统可以对本套系统进行通讯。

5 WINCC监控系统设计实现

5.1 通信配置

一是WinCC本身集成了常用的通讯驱动程序，在系统中，选用的CPU带有PN接口支持以太网通讯，因而对S7-300的通讯中，选择了TCP/IP通讯方式，连接的网络IP地址设置为192.168.9.xxx，机架号和插槽号与PLC端相对应即可。

二是在对Peak200控制器的通讯配置中，查询到控制器支持通讯方式有串口232/485以及MODBUS TCP/IP，而WinCC也有MODBUS TCP/IP的通讯驱动，WinCC可以作为主站，控制器作为从站，因此配置了对应远程控制器IP地址，端口，远程从站的地址。

三是在配置的工控机中，支持两个以太网口，因此可以设置两套IP地址，WinCC与Plc，WinCC与控制器两个通讯互不干扰。

5.2 系统页面组态

自动化系统中，人机交互界面作为第一印象至关重要。其不仅是显示界面，更是功能接口，在汽轮机的运行系统中，某些重要的操作按钮或重要的参数设定需要使用权限进行保护，具备相应权限的用户才能操作这些按钮或者进行参数设定，WinCC系统中组态了用户管理，对不同的使用者分配了登录账号密码，并为用户分配了相应的权限[3]，项目设计中，设置了三个登录等级，分别是工程师级，管理员级和操作员级。在对本套系统设计时，由于是外方使用，因此在设计时，使用了双语设计，即中文和英文，通过按钮点击切换即可。鼠标移动到测点上时，可以提示出相应测点名称。

5.3 DEH控制组态设计

DEH系统为汽轮机的调节系统，本系统的调节单元为Peak200，设计了MODBUS TCP/IP通信方式，将Peak200的主要参数和WinCC进行单独数据通信，在DEH自动运行和手动调节时，通过界面的显示，可以快速直接监测到Peak200的内部数据。汽轮机调节过程中，WinCC上可以通过通信方式进行指令下达，也可以通过界面按钮硬接线方式下达，在这两种方式中，设计了使能按钮，可在紧急情况（通信故障或硬接线故障）下切换，保证系统可靠控制。

5.4 油路控制系统设计

汽轮机油路系统主要有交流/直流润滑油泵、抽油烟机、油箱加热器、盘车控制等。操作控制时，只需要移动鼠标至对应的控制对象上，当鼠标箭头变成闪电图标，点击鼠标后界面将弹出操作窗口，系统界面中可以同时点击，弹出全部的控制窗口，或者关闭单一的窗口。每个控制对象都设计了远程控制状态、故障状态、运行状态、自动/手动运行切换等，满足系统控制需求。

5.5 ETS系统设计

ETS为汽轮机的保护系统，对汽轮机的紧急保护停止起到了非常重要的作用，汽轮机运行前需要对所有停机信号进行确认，系统设计时，在ETS界面上对每个停机信号进行了闪烁显示，首出常亮显示（唯一灯亮），当有停机信号进入系统时，对应的指示灯亮起，提醒操作人员需要将停机信号确认去除后方可启动汽轮机。系统在每个停机信号上串联投入/切除按钮，点击ON按钮时，停机信号有效，界面中对应的开关将处于闭合状态，反之点击OFF则开关打开，此时停机信号无效，即使有停机信号进入也不会进行停机，这样可以方便对已知可控的停机信号进行切除。在汽轮机发生停机状态时，对应的电磁阀灯会显示此时的得电/失电，得电时为常亮，失电时为灰色。投入/切除开关和信号的状态简单，使得操作方便。

5.6 TSI设计

TSI监控界面上以柱形图和数值的方式显示在画面上，并在柱形图上标注了对应报警和停机的红线，在界面上还有汽机轴瓦的温度示数，包括主副推轴瓦温度、前后径向轴瓦温度、气缸法兰温度、上下气缸温度、齿轮箱轴瓦温度等，汽轮机内部的各项参数都显示在了同一界面上，整个轴系一目了然。

5.7 在线趋势

在WinCC监控系统中，设计上调用了WinCC online table，online trend，Ruler Control控件，因此可以使用表格和趋势的形式输出当前过程值和已归档的过程值。设计WinCC归档时，使得数据有一致性，长期有效性和可追溯性、高效性，可靠的实时历史数据对项目后期维护提供保障。

5.8 汽水系统设计

汽轮机水汽系统涉及的设备主要有进汽、排汽、盘车、漏气冷凝器、轴封系统等，将PI图显示在屏幕上，方便运行人员识别和操作。

5.9 报警系统设计

在报警视图中，对消息界面组态了日期、时间、编号、消息、状态、报警回路、报警确认、持续时间。

通过已组态好的报警系统，用户可以用于处理并显示本控制系统运行过程中发生的报警和事件，能够快速定位参数的故障或者控制系统本身的错误，从而能够快速地排除故障，除此之外，可以对重要的报警消息进行归档，方便以后查询。

6 结语

本监控系统涉及的多个控制器的组态编程均可分开进行，人机界面程序面向对象的设计，良好的交互界面设计，使得本监控系统程序可移植性好，操作简单灵活，维护、扩展方便，提升了汽轮机机组运行的安全性稳定性和经济性。该设计经过运行表明，系统以较高效率可靠地运行着，满足了用户的系统监控需求，运行效果显著。