汽輪發電機在線監測系統的設計與分析

王浩浩 董云云 孫玉梅 蘇鳳 楊海利

1.煙臺南山學院，山東煙臺 265713；2.東海熱電有限公司，山東煙臺 265713

一、引言

汽輪發電機就是與汽輪機配套的發電機[1]，它將熱能轉換成動能，再將動能轉換成電能，在各種熱電廠和核電站中得到了廣泛的應用，不僅可以用于直接驅動各種機械[2]，還可以利用其來滿足人們的供熱需要。

汽輪發電機具有可靠性高、運行時間持久、使用價格低廉等優點，能夠滿足現代生產運行的要求。雖然汽輪機有著很多的優點，但是一旦發生故障，將會造成很大的經濟損失，對汽輪發電機監測的目的是對發電機運行狀態進行科學的預知，從而消除各種故障隱患，使其能夠保持安全經濟的運行[3]。最近幾十年來，隨著科學技術的發展，各種各樣的在線監測裝置和監測技術層出不窮，并且被應用在汽輪發電機上，取得了比較突出的成績。

本文設計的汽輪發電機在線監測系統主要應用于電力工業，系統由各種傳感器（如振動傳感器、局放傳感器、轉速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器等）、西門子PLC以及觸摸屏為主構成，通過裝在生產線和設備上的各類監測儀表，對生產及設備的運行中的各種信號進行連續自動監測并上傳至接收端，實現了汽輪發電機的在線監測，保證了汽輪發電機能夠最大限度地提高電廠的運行效益[4]。

二、總體設計

在線監測系統是汽輪發電機正常安全運行必不可少的設備，通過振動、局放、轉速、壓力、溫度、位移等各種傳感器以及變送器將現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中經過計算、轉換之后，PLC與觸摸屏通信，觸摸屏對數據進行顯示，從而實現對汽輪發電機運行狀態的監測。在線監測流程圖如圖1所示。

三、系統硬件設計

汽輪發電機在線監測系統是通過傳感裝置實施監測，保證汽輪發電機的正常運行，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合的方案，PLC技術比較成熟，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

汽輪發電機在線監測需要的PLC應該能夠接收到各種數字量信號和模擬量信號，能夠進行運算，輸出電量信號，還能夠實現與觸摸屏的通信，及時將各種監測信號和數據傳遞到觸摸屏上，同時觸摸屏的設定參數也要及時送到PLC中，所以選擇使用西門子公司的SMIATIC S7-300 PLC。

S7-300 PLC邏輯結構圖如圖2所示，主要由導軌（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、高轉速的特點，所以監測系統必須具有較高的可靠性和適應性，S7-300 PLC具有模塊化結構，使用靈活方便，循環周期短，處理速度快，可靠性高等優點，甚至可以在露天的惡劣環境中使用，能夠滿足監測的需求。

2、人機界面選擇

該設計需要的人機界面需要能夠實時監測汽輪發電機運行過程中的轉速、壓力、溫度、軸向位移等參數，并且能與PLC實時通信，把設定的參數及時傳送給PLC，同時從PLC獲取汽輪機運行時的各種數據。

西門子TP1200觸摸屏，功能強大，控制靈活，反應靈敏，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，內存為128MB，能夠滿足需求，因此在線監測系統使用威綸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、系統軟件設計

汽輪發電機在線監測選定西門子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。軟件設計是本設計的重點所在，PLC編程時將各種信號進行傳輸、數據處理和轉換，而EB8000編制的程序則是對經過轉換后的數據進行顯示、存儲和管理，在線監測的流程圖如圖4所示。

1、PLC編程設計

PLC的用戶程序是根據控制要求通過PLC編程語言編制，按照實際需求來設計的。使用相應的編程語言，在控制系統中，實現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中計算和轉換，該軟件就是對其進行設計編程。

2、程序設計

在S7-300 PLC中寫在組織塊（OB）模塊里的是主程序，而子程序寫在功能（FC）、功能塊（FB）。組織塊（OB）是操作系統和用戶程序的接口，由操作系統調用，決定用戶程序的結構，負責調用其他模塊。不同類型的CPU支持不同的OB，用于循環處理。

功能塊（FB）或功能（FC）可以說是用戶子程序，兩者的主要區別是FB有存儲區，FC無存儲區，他們可以被其他的功能塊、組織塊調用，在FB中可以定義靜態變量，每個FB可以定義多個背景數據塊，來代表同種類型的不同設備。這樣只通過一個功能塊就可以完成多個設備的變程。在此監測中可以分為轉速監測、溫度監測、壓力監測和軸向位移監測等功能塊。

數據塊（DB）是存儲用戶數據的數據區域，可以打開或關閉。數據塊分為共享數據塊和背景數據塊，DB可以是某個FB的背景數據塊，也可以供所有塊共享。數據塊是一組按順序連續排列在一起的幾組記錄，是主存儲器與輸入、輸出設備或外存儲器之間進行傳輸的一個數據單位。是數據的物理記錄，與數據的邏輯記錄（邏輯上有聯系，在存儲器上占有一組鄰接單元的數據單位）之間的對應關系有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。數據塊的大小可以是固定的或是可變的，塊與塊之間有間隙。設計數據塊大小，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用特點等。

使用STEP7軟件進行編程，對傳感器監測來的模擬量經過數據采集后，對輸入量進行換算和比較，在程序中除了啟動、停止外，主要程序是將現場采集到的信號在PLC中進行數據轉換，然后再與設定值在比較器中進行比較，確定是否發出報警信號，是否需要停機。

五、系統調試

本監測系統采用的威綸MT8070IE觸摸屏，屏大小合適，操作靈活方便，界面友好，可進行參數設定，實時監測汽輪發電機運行狀態。威綸MT8070IE觸摸屏一般是用EB8000軟件進行程序設計，通過EB8000提供的各種圖形控件、功能控件等，可以組態出各種動態功能和控制功能，實現在線監測，顯示各種運行時的數據。

根據監測系統的要求和觸摸屏的存儲用量以及屏幕尺寸，設計界面。直接在觸摸屏上監測汽輪發電機的運行狀況，監測轉速、壓力、位移、溫度、空氣間隙、振動以及局部放電等參數的變化。汽輪發電機在線監測觸摸屏頁面如圖5所示。

PLC與觸摸屏通信，調節各種參數，與設定值比較，如果發出報警信號，則在報警條上顯示出發生的時間、日期以及事件的信息。

六、結論

利用PLC和觸摸屏相結合的方案設計了汽輪發電機的在線監測系統。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中經過計算和轉換，PLC與觸摸屏通信，觸摸屏對各種信號存儲、顯示和管理。本設計可靠性高、靈敏性好、工作環境多樣化，具有實用性，此監測能夠間接地為電廠創造更高的經濟效益，受到人們的歡迎。