1、燃氣輪機控制系統的設計作 者 姓 名：helel指 導 教 師：陳 教授單 位 名 稱：信息科學與工程學院專 業 名 稱：自動化東 北 大 學2010年6月Design of a control system of gas turbine by Helel.YangSupervisor: Professor Chen Northeastern UniversityJune 2010畢業設計（論文）任務書畢業設計（論文）題目：設計(論文)的基本內容：(1)了解燃氣輪機系統的工作原理和發展現狀； (2)燃氣輪機系統的總體方案設計；(3)燃氣輪機控制系統的硬件設計；(4)控制系統編程，實現燃氣輪機系

2、統的控制；畢業設計（論文）專題部分：題目：設計或論文專題的基本內容：學生接受畢業設計（論文）題目日期第 2 周指導教師簽字：2010年3月08日燃氣輪機控制系統的設計摘要燃氣輪機是將燃料燃燒時產生的熱能轉化成機械能的一種熱機，是當前世界上最新和最主要的動力機械。隨著燃氣輪機單機功率的增大，以及以燃氣輪機技術為核心的動力裝置的廣泛使用，燃氣輪機的控制系統性能顯得越來越重要。在一定程度上，燃氣輪機的控制系統性能決定著相應的動力裝置的變工況性能、經濟性和安全性能。所以燃氣輪機自動控制策略是控制領域內一個重要的研究方向。本文總結了燃氣輪機控制技術的發展和現狀，介紹了目前比較常見的燃氣輪機控制手段，對燃

3、氣輪機生產工藝進行了細致的介紹。包括燃氣輪機的結構組成，燃氣輪機的主控及順序控制的要求等。并對燃氣輪機的主要設備進行分析，將燃氣輪機的主控系統按功能進行分塊，根據燃氣輪機的主控系統要求，分別設計了燃氣輪機轉速控制、燃氣輪機溫度控制等控制回路。同時介紹了有關PLC的資料以及利用PLC設計的的自動控制系統，重點介紹了此次課題選用的S7-400。本文介紹了所設計控制系統的主要輸入輸出，有關控制系統的IO表，還詳細敘述了用PLC的編程軟件STEP7選擇模塊，填寫符號表，并進行了硬件設計的過程。然后本文對燃氣輪機的主控系統按功能進行分塊，介紹了各個控制回路的控制原理，根據控制回路的控制要求設計了各個塊的

4、程序框圖。然后在STEP7中創建了相應的程序塊。本文還敘述了有關PID算法的資料，然后簡單介紹了MATLAB的SUMLINK軟件，并利用SUMLINK對相關控制回路算法進行了仿真。最后本文對此次設計做了總結，對燃氣輪機的將來發展做了展望。關鍵詞：順序控制系統；主控系統；燃氣輪機；PLC自動控制Design of a control system of gas turbine AbstractGas turbine is a kind of heat engine that make the thermal energy produced by burning fuel into mechani

5、cal energy, it is currently the world's newest and most important power machinery.With the power of the single gas turbine increases,as well as the widespread use of power plant that use the gas turbine technology as the core, the performance of gas turbine control system become increasingly imp

6、ortant . To some extent, the performance of gas turbine control system determines the design performance, economy and safety of the appropriate power plant.The automation controlling strategy of gas turbine is an important research area of control.This paper summarizes the development and the presen

7、t situation of the automatic control technology of gas turbine, introducing the current common means of gas turbine control and the gas turbine production technology in detail. It includes the structure of the gas turbine, the requirement of the main control and the sequence control of the gas turbi

8、ne. According to requirements of the main control system of the gas turbine,this paper resigns temperature control, speed control of gas turbine. It also introduces the PLC automation system. This task uses PLC-400. This article describes the input and output of the designed control system, the IO t

9、able of the control system, describing in detail with the process of using modules STEP7 of PLC programming software and filling in symbol table. And it makes the hardware configuration. It carries out according to the functions of block for the system of gas turbine, introducing the control princip

10、le of the various control loops, designing each block diagram in accordance with the requirements of control procedures of Control loop. It creates the corresponding block in STEP7. This paper describes the information about PID Algorithm, and describes something about SUMLINK of the MATLAB. At the

11、last of the paper, describes the Simulation of the control algorithm.At last this paper summarizes for this design, prospecting the future development of gas turbine. Key words：Sequence Control System；Main Control System；Gas Turbine；PLC Automatic Control目錄畢業設計（論文）任務書I摘要IIAbstractIII第一章 緒論51.1 課題背景及意

12、義51.2 燃氣輪機及其控制系統的發展概況51.3 課題主要內容5第二章 燃氣輪機工藝及PLC概述52.1 燃氣輪機系統及工作原理概述52.2 燃氣輪機控制要求52.3 PLC概述52.3.1 PLC發展及現狀52.3.2 STEP7概述52.3.3 PLC400概述52.4 本章小結5第三章 燃氣輪機控制系統的設計53.1 燃氣輪機順序控制系統5 起動程序控制5 正常停機程序控制53.2 燃氣輪機主控系統子系統5 燃氣輪機起動控制5 轉速控制5 加速控制5 溫度控制5 停機控制5 手動控制53.2.7 FSR最小值選擇53.3 燃料控制系統53.4 硬件設計5 燃氣輪機主要輸入輸出5 控制系

13、統硬件實現53.5 本章小結5第四章 軟件設計及仿真54.1 燃氣輪機主控系統軟件設計54.1.1 STEP7模塊概述5 程序結構設計5 軟件設計54.2 PID算法仿真54.2.1 PID算法概述5 算法仿真54.3 本章小結5第五章 結論5參考文獻5致謝5第一章 緒論1.1 課題背景及意義燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機。燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣透平等組成。壓氣機有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機效率較高，適用于大流量的場合。在小流量時，軸流式壓氣機因后面幾級葉片很短，效率低于離心式。功率為數兆瓦的

14、燃氣輪機中，有些壓氣機采用軸流式加一個離心式作末級，因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。燃氣輪機的工作過程是，壓氣機(即壓縮機)連續地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹做功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的做功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機憑借其污染小、熱效率高、調峰性能好、啟動快捷、建設周期短、占地少、投資省等優點，日益受到人們的青睞，近年來在世界范圍內發展迅猛，燃氣輪機發電己經成為電力的發展趨勢。世界重型燃氣輪機制造業經過60多

15、年的研制、發展和競爭，目前己形成了高度壟斷的局面，即以GE、西門子/西屋、三菱和阿爾斯通等主導公司為核心，其他制造公司多數與主導公司結成伙伴關系，合作生產或購買制造技術生產。在我國，國家發改委提出統一組織國內資源，集中招標，引進技術，促進國內燃氣輪機產業的發展和制造水平的提高，即通過捆綁式招標，實施“市場換技術”，旨在引進國外先進的燃氣輪機設備的同時引進重型燃氣輪機的制造技術，先后組織了3次F級和E級燃氣輪機的捆綁招標，引進了GE、三菱、西門子公司的燃氣輪機制造技術，總容量達1600萬KW，為組織消化吸收、掌握這一高新技術，形成自我開發能力打下堅實基礎。 燃氣輪機控制系統的性能決定著相應的動力

16、裝置的變工況性能、經濟性和安全性能，正因為控制系統的特殊重要性，各大公司也推出了相應的燃氣輪機控制系統，比較著名的有GE公司的Speed tronie TM Mark控制系統，西門子公司的TELEPERMXP控制系統等。燃氣輪機的迅速發展對電站的自動控制系統提出了更高的要求，隨著燃氣輪機單機功率的增大，以及以燃氣輪機技術為核心的動力裝置的廣泛使用，燃氣輪機的控制系統性能顯得越來越重要。在一定程度上，燃氣輪機的控制系統性能決定著相應的動力裝置的變工況性能、經濟性和安全性能。燃氣輪機控制系統是電站的神經系統，以保證機組的安全和可靠運行，除了配備先進的主機設備外，完善的調節控制系統更能充分發揮燃氣輪

17、機的最大優越性，而燃氣輪機起動控制具有不同于一般變工況的特性，是燃氣輪機控制系統的重要組成部分，其特性對于提高燃氣輪機的使用壽命具有很重要的意義。在我國，對于燃氣輪機發電的研究還正處在發展階段，尚不具備燃氣輪機控制系統的自主研發能力，國內相應的燃氣輪機電站大多直接進口國外的控制系統，但隨著國內燃氣輪機技術的不斷發展燃氣輪機的國產化程度逐步提高，必然對控制系統的可靠性和自動化程度提出更高的要求1。本文分析研究了燃氣輪機控制系統，希望能夠有助于大家對燃氣輪機控制系統的了解和認識，探討燃氣輪機的自動控制技術的未來發展，將有助于我國開發具有自主知識產權的燃氣輪機控制系統。1.2 燃氣輪機及其控制系統的

18、發展概況燃氣輪機是一項多技術集成的高技術，其傳統的提高性能途徑：不斷地提高透平初溫、相應地增大壓氣機壓比和完善有關部件。50年代初，透平初溫(t3 )只有600- 700，靠耐熱材料性能的改善，平均每年上升約10；60年代后，還藉助于空氣冷卻技術，t3平均每年升20。從70年代開始,充分吸取先進航空技術和傳統汽輪機技術，沿著傳統的途徑不斷提高性能,現已開發出一批“F”、“FA”、“3A”型技術的新產品，它們代表著當今商業化的工業燃氣輪機的最高水平：t3 為1300，壓氣機壓比= 10 30，簡單循環效率sc = 36 - 40 %，聯合循環效率cc = 55 % - 58 %。近期將把t3提高

19、到1430，這也許是傳統的冷卻技術和材料所能達到透平初溫的極限。正在開發的新一代產品的主要特征是采用蒸汽冷卻技術，高溫部件的材料仍以超級合金為主，采用先進工藝(定向結晶,單晶葉片等)，部分靜部件可能采用陶瓷材料。初溫有較大提高t3=1400-1500，將應用智能型微機控制系統，并更加重視環保性能。對未來燃氣輪機的構思將基于采用革命性新材料，發動機處于或接近理論燃燒空氣量的條件下工作，t3將達1600- 1800,現采用的熔點1200、密度為8g/cm3的葉片超級合金將被淘汰,新的高級材料應是小密度(< 5g/cm3)的、有更好的綜合高溫性能,也許陶瓷材料是一種選擇。近50年來，我國燃氣輪

20、機的研究、設計、制造已經有了相當的基礎,積累許多使用的經驗，取得了很大成績。先后研制過的燃氣輪機型號達數十種,功率等級從數百kW到36MW。我國工業型燃氣輪機，從兩方面平行發展:一是航空陸用途徑，即航機改型；另為機械部所屬汽輪機廠通過自行設計制造與國際合作等各種途徑來發展。試驗研究方面在國內也有一定的基礎，取得相當水平的科研成果。不過,由于地面燃氣輪機的研制在80年代前后停頓，造成很大損失，我國燃氣輪機技術與國外先進水平的差距明顯，至今不具備設計制造大型高性能燃氣輪機的能力2。燃氣輪機控制系統硬件平臺的發展經歷了一個漫長的過程。走過了從液壓機械式控制、模擬式電子控制到數字式電子控制的發展道路，

21、早期的燃氣輪機控制器是采用測量元件直接控制燃氣輪機執行機構的直接作用式，至30年代己發展為相當完善的機械液壓型控制結構，其控制策略均采用比例積分型控制結構。隨著電力系統發展對自動化水平要求的提高，伴隨著計算機技術的發展，人們開始研究用微機實現調節和控制方案，微機調節器調節規律由PID型發展到眾多PID改進型，其硬件發展經歷了單片機、STD總線式工業控制機、PLC可編程控制器、工業PC以及現在流行的DCS分散控制系統和FCS現場總線控制系統等微機系列的應用過程，其中STD總線式工業控制機、PLC可編程控制器及DCS系統為現在的主流產品，具有高可靠性和計算快速、多任務及編程通用化的特點，能夠實現復

22、雜的控制任務。高性能控制平臺為先進、復雜的控制策略開發研究和實際應用提供了硬件支持。20世紀70年代，GE公司的LM1500燃氣輪機配套使用由美國大陸公司研制的模擬式電子控制器實現了邏輯順序控制，而燃油控制仍然由液壓機械式控制器實現。直到20世紀90年代，燃氣輪機開始全面配置數字電子控制系統。經過十多年的發展，燃氣輪機控制已有多種數字控制系統，例如：S&S公司成套的LM6000機組和TPM公司成套的FT8機組等采用了美國WOODWARD公司的NETCOON5000系列燃氣輪機控制系統，西門子公司采用的TELEPERM XP控制系統以及GE公司的PG6O00系列機組則采用了GE SPEE

23、D TRONIC的MARK V。1998年，GE Power System和GE Fanuc聯合開發的MARK VI控制系統在北美市場推出，該控制系統可帶現場總線和遠程I/O，可實現全廠一體化控制，操作系統也從MARK V的DOS升級到Win NT。并且，燃氣輪機的數字電子控制系統己經實現了標準化、系列化的發展，硬件實現了模塊化，配置了菜單式的開發軟件。總之，在燃氣輪機控制系統40多年5400多臺機組的實踐應用中，電子控制技術占了26年，應用機組4400余臺，電子控制技術得到不斷發展3。國內在20世紀80年代發展輕型燃氣輪機的同時，迅速地開展了燃氣輪機數控系統的研制。WJ6，WJ5，W-P6和

24、W-Z5等燃氣輪機數控系統已應用于工業現場，最近推出的QD100，QD128，QD70也都配置了數控系統，但總體上還處于量身裁衣、單臺定制的初級階段。燃氣輪機數控系統的研制一般采用兩種方式，一種方式是軟硬件全部自行研制，這種方式針對性強，批產成本低，但研制費用高，較適用于有批量的燃氣輪機。第二種方式是選用標準的工業控制硬件配上自行開發的控制軟件，該方式研制周期短，但適應性差，而且有時還不得不制作一些電子硬件接口，一般適合于量少或功率等級較大的燃氣輪機控制系統4。1.3 課題主要內容本次畢業設計研究的內容為利用計算機及西門子PLC設計燃氣輪機控制系統。主要做了以下工作：(1) 在所學知識以及查閱

25、大量的資料的基礎上，對燃氣輪機生產工藝有了細致深刻的認識和了解。包括燃氣輪機的結構組成，燃氣輪機的順序控制系統及主控系統的要求。同時查閱有關PLC的資料，學習和了解PLC的自動控制系統，并選擇適合所研究課題的PLC。(2) 確定所設計控制系統的輸入輸出，寫出控制系統的IO表，學習PLC的編程軟件STEP7，并選擇需要的IO模塊，進行PLC的硬件組態。同時填寫符號表，為編程做好準備。(3) 對燃氣輪機的過程控制系統按功能進行分塊，根據控制回路的過程控制要求設計出每塊的程序框圖。并在STEP7中創建出相應的OB、FB、FC、DB。根據所畫的程序框圖編寫各個塊的程序。(4) 利用PLCSIM對所編程

26、序進行仿真，通過仿真結果修正所編程序。查閱有關PID算法的資料，利用MATLAB的SUMLINK對算法進行仿真。第二章 燃氣輪機工藝及PLC概述2.1 燃氣輪機系統及工作原理概述圖2.1 燃氣輪機系統結構圖燃氣輪機由壓氣機、燃燒室、透平組成。燃氣輪機正常工作時，工質順序經過吸氣壓縮、燃燒加熱、膨脹做功以及排氣放熱等四個工作過程而完成一個由熱變功轉化的熱力循環。圖2.1所示為開式簡單循環燃氣輪機工作原理圖。壓氣機從外界大氣環境吸入空氣，并逐級壓縮，壓縮后的空氣被送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒產生高溫高壓的燃氣，然后再進入透平膨脹做功，最后是工質放熱過程，透平排氣可直接排到大氣，自然放熱給外界環境

27、，也可通過各種換熱設備如余熱鍋爐來回收利用部分余熱，這樣就形成了聯合循環。連續重復完成上述循環過程的同時，發動機也就把燃料的化學能連續地部分轉化為有用功5。2.2 燃氣輪機控制要求燃氣設計燃氣輪機控制系統使輪機盤車，把輪機帶動到清吹轉速(約20額定轉速)，點火，再把輪機轉速提升到額定轉速，如驅動發電機則控制系統還要控制同期并網。(如用于驅動壓氣機或其它動力輸出，控制系統要接受相應各種限制。)然后把燃氣輪機加負荷到適當的工作點。這一系列過程必須自動發生和完成，同時要減小燃氣輪機熱燃氣通道部件和輔助部件中的熱應力6。整個控制系統可分為四個功能子系統：(1)主控制系統；(2)順序(程序)控制系統；(

28、3)保護系統；(4)電源系統在上述各功能系統中主控制系統是主要的，它必須完成四項基本控制：(1)設定起動和正常的燃料極限；(2)控制輪機轉子的加速；(3)控制輪機轉子的轉速；(4)限制輪機的溫度。每個時刻只有一個控制功能或系統能控制送到燃氣輪機的燃料流量。這幾個控制系統都輸入到“最小值選擇門”，該選擇門的輸出作為燃料控制系統的輸入。采用最小值可給輪機提供最安全的運行。這里先簡單介紹一下這幾部分控制要求。1)主控制系統起動控制：在起動期間為了最佳的點火和聯焰，以及避免過分的熱沖擊，燃氣輪機控制系統設置了燃料限。起動控制系統設置了隨轉速和時間進程而變化的燃料上限。一般在1820轉速時，選擇的燃料空

29、氣比將在燃燒室內產生近于1000F的溫升。測知火焰后，燃料流量限減小到暖機值保持約一分鐘，以便緩慢地加熱冷的渦輪部件。暖機周期以后，慢慢增加燃料流量使輪機進入工作轉速7。燃料逐漸增加是為了使熱沖擊減至最小。機組進入額定轉速以后，起動控制將建立一個最大的燃料限。這就避免了起動控制的燃料極限通過最小值門。轉速控制：燃氣輪機可有兩類轉速調節器：有差和無差。少數機組可能兩種調節器都有，具備在有負荷的情況下改變調節器的能力8。有差調節器用在發電機驅動機上，要求有差調節器來提供系統穩定性。對于具有固定轉速給定點的孤立運行機組，如果負荷由零增加到額定值，則輪機轉速將下降4。這種有差轉速調節器是由一臺比例控制

30、器提供的。這種調節器有一個可調設定點裝置，它的最大設定點稱為低轉速停止(LSS)。無差調節器提供不變的輪機轉速，輪機轉速和負荷變化無關。這種調節器用于機械驅動機組，或許用在小系統內的發電裝置上。無差調節器用一組水平線來代替斜線。無差控制是由比例積分控制器給出的。為了避免由于系統擾動時引起的“熄火”，設置了一個最小燃料極限。正常停車時，最小燃料提供一個具有最小火焰的冷機周期，以便把熱沖擊減至最小，如果火焰突然熄滅，將發生強烈的熱沖擊。溫度控制：內部溫度限是在第一級噴嘴處，稱為工作溫度。由于這里的溫度長期維持在1100以上，故在第一級噴嘴處無法直接測量這個溫度。而是通過測量渦輪排氣溫度和壓氣機出口

31、壓力，計算得到工作溫度。壓氣機出口壓力代表通過渦輪的壓力降，還要對大氣溫度作修正9。由于冷空氣密度大于暖空氣，對于同樣的負荷，冷天壓氣機出口壓力將比暖天高，因此冷天渦輪有較高的壓降和溫降，所以為了保持同樣的工作溫度，排氣溫度必須保持在較低值。2)順序(程序)控制順序控制電路提供了在起動、運行、停機和冷機期間輪機的、發電機的、起動裝置的和輔機的順序。順序控制系統監測保護系統和其他主要系統，如燃料和液壓滑油系統，并發出輪機按預定方式起和停的邏輯信號。這些邏輯信號包括轉速級信號，轉速設定點控制，負荷能力選擇，起動設備控制和計時器信號等10。3)保護系統設計保護系統是當關鍵參數超過臨界值或控制設備故障

32、時通過切斷燃料流量遮斷輪機。切斷燃料流量是同時通過兩個獨立的裝置：截止閥，這是主要的；燃料泵和燃料控制閥，這是第二位的。截止閥是通過電氣和液壓兩個信號來關閉的。燃料泵和控制閥只通過一個電氣信號關閉。系統設置了如下保護系統11：(1)超溫保護(2)超速保護(3)熄火保護(4)振動保護(5)燃燒監測保護此外還有一些保護功能，例如潤滑油壓力過低或潤滑油溫度過高等等。雖然這也很重要，同樣危及機組的安全。但從結構上采用較簡單的元件來實現。這些保護系統在起動和運行的整個過程甚至包括盤車過程，隨時監視著輪機。一旦參數達到臨界值或者任何一個保護系統出現故障都發出報警信號12。2.3 PLC概述2.3.1 PL

33、C發展及現狀PLC英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一批可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發展，現在已有第五代PLC產品了13。 在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業和以

34、物理變化和化學變化將原料轉化成產品為特征的過程工業中，除了以連續量為主的反饋控制外，特別在制造工業中存在了大量的開關量為主的開環的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作；另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制；以及大量的開關量、脈沖量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態量為主的離散量的數據采集監視。由于這些控制和監視的要求，所以PLC發展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產品。在多年的生產實踐中，逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢，還有其它的單回路智能式調節器等在市場上占有一定的百分比。 在八十年代至九十年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長

35、率一直保持為3040%。由于PLC人機聯系處理模擬能力和網絡方面功能的進步，擠占了一部分DCS的市場(過程控制)并逐漸壟斷了污水處理等行業，但是由于工業PC(IPC)的出現，特別是近年來現場總線技術的發展，IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場，所以近年來PLC增長速度總的說是漸緩。目前全世界有200多廠家生產300多品種PLC產品，主要應用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業。 PLC具有穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個

36、問題，并研究其發展趨勢。對應中型PLC以上，均采用16位32位CPU，微小型PLC原采用8位CPU，現在根據通訊等方面要求，有的也改用16位32位CPU14。由于I/O 64點以下PLC銷售額占整個PLC的47%，64點256點的占31%，合計位整個PLC銷售額的78%，所以對微、小型PLC應多加研究。 PLC控制器本身的硬件采用積木式結構，各廠家產品結構大同小異。以日本歐姆龍C200HE為例，為總線模板框式結構，基本框架(CPU母板)上裝有CPU模板，其它槽位裝有I/O模板；如果I/O模板多時，可由CPU母板經I/O擴展電纜連接I/O擴展母板，在其上裝I/O模板；另一種方法是配備遠程I/O從

37、站等。這些都說明了PLC廠家將硬件各部件均向用戶開發，便于用戶選用，配置成規模不等的PLC，而且這種硬件配置的開放性，為制造商、分銷商(代理商)、系統集成商、最終用戶帶來很多方便，為營銷供應鏈帶來很大便利，這是一大成功經驗。 PLC內的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，還發展了一系列特殊功能的I/O模板，這為PLC用于各行各業打開了出路，如用于條形碼識別的ASCII/BASIC模板，用于反饋控制的PID模板，用于運行控制、機械加工的高速計數模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以后還會有很大發展。另外在輸入、輸出的相關元件、強干擾場合

38、的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。PLC中的CPU與存儲器配合，完成控制功能。它與DCS系統處理溫度、壓力、流量等參數的系統不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為0.10.2秒，更快的則選用50毫秒或更小的消滅周期15。它是一個數字采樣控制系統。 為了完成控制策略，為了替代繼電器，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱為指令系統，固化在存貯器ROM中，用戶在編制應用程序時可以調用。指令系統大致可以分為兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統有：基本指令、定時器/計數器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉換指令、BCD運算指

39、令、二進制運算指令、增量/減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等，這些指令多是類似匯編語言。另外PLC還提高了充足的計時器、計數器、內部繼電器、寄存器及存貯區等內部資源，為編程帶來極大方便16。PLC的應用領域是寬闊的，還有許多領域急待開拓，如用于海關過境車輛認證(深圳鹽田)在我國已有實例。另外，在離散事件冬天系統中，如公路網交通流(車輛計數、乘客計數及停留時間計量)、物流系統、柔行制造系統(敏捷制造系統)及一切非標準隨服務系統中，均可以采用PLC，進而建模和采取對策并優化。PLC的前途一片美好，一切悲觀的論點是站不住腳的。至于技術進步，PLC與其它技術融合以至消失，那還需要一定的時間17。2

40、.3.2 STEP7概述SIMATIC STEP7作為一個平臺，它可以集成各種控制設備的軟件，使不同設備以及西門子PLC站點具有相同的數據庫，所有設備的編程、配置、調試、數據路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成，從而實現一個項目中所有控制任務的集成。掌握STEP7是學習西門子公司自動化產品的基礎。2.3.3 PLC400概述由于此次課題的控制對象燃氣輪機的輸入輸出多而且復雜，所以采用的是西門子的SIMATIC S7-400系列的PLC。SIMATIC S7-400是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。模塊化無風扇的設計，堅固耐用，容易擴展和廣泛的通訊能力，容易實現的分布式結構以及用戶

41、友好的操作使SIMATIC S7-400成為中、高檔性能控制領域中首選的理想解決方案。SIMATIC S7-400可編程控制器采用模塊化設計，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴展十分方便。與以往的PLC相比，S7-400提高了運算和通訊能力，整體運算速度加快了60%。同時也提高了工作存儲卡、內置裝載存儲卡、FC、FB、DB塊的數量。在400PLC上全新集成PROFINET接口的CPU，提高了網絡通訊能力。而且在S7-400上添加了SFC 109 PROTECT，可以選擇額外的寫保護。PLC的固件可以通過網絡進行升級。與V4 CPU相比，S7-400的CPU降低了后備電流。而且免安裝的集成開發

42、環境不必擔心程序庫的版本兼容問題，基本無需更新。客戶端計算機速度慢也無關緊要，服務器會協助計算。2.4 本章小結本章先介紹了燃氣輪機的生產工藝，在此基礎上詳細分析了燃氣輪機的控制要求。在本章的后一部分，對PLC的發展現狀做了概述，同時對此次課題所采用的西門子PLC400、STEP7以及PROFIBUS做了簡要說明。第三章 燃氣輪機控制系統的設計3.1 燃氣輪機順序控制系統3.1.1 起動程序控制起動程序控制也就是燃氣輪機整個起動過程的順序邏輯控制。從起動起動機、帶動燃機轉子轉動、燃機點火、轉子加速直至達到額定轉速。起動程序安全地控制燃機從零轉速加速到額定運行轉速，在這個過程中要求燃機熱通道部件

43、的低周疲勞為最小，既保證較迅速的起動又不能產生太大的熱應力。起動程序還涉及到一系列輔機、起動機和燃料控制系統的順序控制命令。因為安全、迅速的起動還取決于燃氣輪機各有關設備的適時運作，所以程序必須及時地查驗各有關設備所處的狀態。這些程序的順序邏輯不僅與實施控制的設備有關還要和保護電路有關。起動程序發出的各種控制指令首先要依賴于現時燃機轉子的轉動速度。因而轉速的正確檢測在起動過程中是至關重要的。輪機用電渦流式磁性傳感器測量轉速。當轉速達到一系列關鍵值時將發出一系列控制指令使相應電磁閥和泵動作。這些關鍵的轉速級常用的有下列四個：14HR零轉速(約0.31額定轉速)：當軸轉速低于L14HR(啟動信號)

44、釋放值或在沒有轉動時L14HR觸發(故障保安)，邏輯允許信號使離合器開始帶電，開始輪機的盤車程序。14HM最小轉速(約16額定轉速)(9E約10額定轉速)：最小轉速邏輯表示燃機達到了允許點火的最小轉速，在火花塞點火之前需完成清吹周期，然后點火。在停機過程中L14HM(清吹、點火指令)最小轉速邏輯置“0”則提供了燃機停機后再起動的幾個允許邏輯。14HA加速轉速(約50額定轉速)：L14HA(加速信號)的觸發值為TNKl4HAl(典型值為額定轉速的50)，釋放值為TNKl4HA2(控制常數典型值為額定轉速的46)。L14HA觸發主要用于開始FSR加速控制，關閉事故潤滑油泵。L14HA的釋放主要用于

45、熱停機過程中使FSR箝位到零，從而使輪機熄火。14HS運行轉速(約97額定轉速)：L14HS(啟動完成信號)的觸發值為TNKl4HSl(典型值為97)，釋放值為TNKl4HS2(控制常數典型值為95)。L14HS的觸發為“真”主要用于表示起動程序已完成，從而開啟壓氣機進口可轉導葉，關閉壓氣機放氣閥；L14HS的釋放為“假”主要用于關閉壓氣機進口導葉，開啟壓氣機放氣閥、開動交流潤滑油泵。繼續下降轉速基準直到最小值。火焰一直保持到轉速下降到L14HA釋放或者停機計時器時間到(5分鐘)，FSR箝位置零，切斷燃料為止。燃氣輪機的起動過程是由起動程序控制和主控制系統中起動控制共同作用的結果。前者從起動開

46、始給出順序控制邏輯信號，后者從燃機點火開始控制燃料命令信號FSR值。起動控制作為開環控制是用預先設置的燃料命令信號FSR來操作。這些預設的FSR值為：“最小”、“點火”、“曖機”、“加速”和“最大”值。具體數值由控制技術條件根據現場考慮給出適當的值。這些FSR值存儲在SPEEDTRONIC的起動控制系統。起動控制FSR信號通過最小值門來起作用，以保證其他控制功能按要求限制FSR。燃料命令信號都是由SPEEDTRONIC模塊控制起動軟件發出的。除了3個起動值(點火、暖機、加速)外，軟件還設置最大和最小FSR，并提供手動控制FSR。按下“MANUAL CONTROL”(手動控制)開關和“FSR G

47、AG RAISE OR LOWER”(FSR升或降)開關，就可以在FSR MIN(FSR最小)和FSR MAX(FSR最大)之間手動調整FSR給定值。當燃機停轉時，由燃料控制閥和相關部件及電源構成校驗系統。如果CRT顯示出“SHUT DOWN STATUS”(停機狀態)。點擊主選擇(MASTER SELECT)區的某個起動字段(CRANK、FIRE、AUTO及SER REM使主選擇L43的邏輯從OFF轉到工作狀態。于是觸發了準備起動電路，如果所有的保護電路和遮斷閉鎖都具備了“準備起動允許條件”，則CRT上STATUSFLD：READY TO START(準備字段：起動已準備就緒)。燃機就可以接

48、受起動命令。在主控(MASTER CONTROL)區點擊START(起動)并點擊“EXECUTE COMMAND”字段，起動命令就進入邏輯順序，也就是說開始執行起動程序。起動信號激勵主控和保護回路以及起動所需的輔助設備。L4邏輯使遮斷油壓增壓，使起動離合器嚙合，隨之起動電機開始轉動帶動主軸開始轉動。CRT上顯示出STARTING。當輪機開始轉動時，L14HR信號使起動離合器線圈20CS失電，停止液壓棘輪的工作。于是保持離合器嚙合所需要的扭矩由起動電機提供。輪機轉速繼電器14HM指出輪機在清吹和燃燒室點火要求的轉速下運轉。還有一個清吹計時器L2TV清吹時間以使整個機組換四次空氣(通過四倍機組通道

49、容積的空氣)為準，以保證任何可燃混合物吹出系統。K2TV正常的設定是1分鐘。用L14HM信號開始計算，起動設備將保持轉速直到L2TV起作用，就完成了這個周期。L14HM信號或清吹周期完成(L2TV=1)就給出燃料流量，點火過程設置了點火FSR和點火計時器L2F開始點火計時。當火焰檢測器輸出信號(L28FD)指出燃燒室中已建立火焰、暖機計時器L2W開始計時，燃燒命令信號降到FSR的暖機值。暖機是為了起動開始階段輪機熱通道部件的熱應力減到最小。如果火焰沒有建立，L2F計時器時間到(一般為60秒)，可以再給機組另一個點火信號，但將通過L2TV計時器延遲點火以避免燃料逐次積累。即使在不需要最初的L2T

50、V清吹的機組上也要有此順序。在完成暖機(L2WX)周期時，起動控制FSR以預定的速率斜升到“加速極限”的給定值，把起動周期設計成使加速周期所產生的工作溫度適中。這是通過FSR緩慢地增長來完成的。由于燃料增加，輪機開始進入加速階段，只要起動機還向燃氣輪機提供扭矩，離合器就仍然保持嚙合。當輪機轉速超過起動機轉速時，離合器就脫開，起動機就停車。轉速繼電器14HA指出輪機正在加速。當程序完成即L14HS觸發，起動程序就結束了。FSR就由轉速控制回路控制，輔助系統就停機。起動期間，起動控制軟件建立最小允許的FSR值。如前所述，其他控制回路也可以減少和調節FSR以完成他們的控制功能，在起動的加速階段這是可

51、能的。但是如果達到溫度控制限制，則是不正常的。CRT上將顯示正在進行控制的FSR。燃機控制系統中的最小FSR限制是為了避免FSR的過分降低，以致在過渡期間熄火。例如，輪機突然甩負荷，燃機控制系統回路要把FSR信號迅速壓低，而最小FSR給定值則建立了避免熄火的最小燃料流量值。3.1.2 正常停機程序控制正常停機亦稱熱停機，既不同于燃機點火前(冷拖時)停機又區別于緊急停機。當主控制選擇停機并開始執行時將產生一個L94X信號。此時如果發電機線路斷路器在閉合狀態則轉速負荷給定點TNR開始下降。以正常速率減少FSR和負荷。一旦逆功率繼電器動作則立即斷開發電機斷路器。隨之轉速基準TNR繼續下降，轉速也逐漸

52、下降直到額定轉速的46左右，即14HA釋放，FSR箝位到零，關閉燃料截止閥切斷燃料供應。3.2 燃氣輪機主控系統子系統燃氣輪機設置了下列幾種改變輪機燃料消耗率的主控制系統：(1)起動控制系統(Start up)；(2)轉速控制系統(Speed)；(3)溫度控制系統(Temperature)；(4)加速控制系統(Acceleration)；(5)停機控制系統(Shut down)；每個系統輸出的燃料行程基準(指令)FSR(Fuel Stroke Reference)如下：(1)起動控制燃料行程基準FSRSU；(2)轉速控制燃料行程基準FSRN；(3)溫度控制燃料行程基準FSRT；(4)加速控制燃

53、料行程基準FSRACC；(5)停機控制燃料行程基準FSRSD；此外還設置了手動FSR控制，輸出FSPMAN。6個FSR量進入“MIN”一最小值選擇門，選出6個FSR中的最小值作為輸出，以此作為該時刻實際執行用的FSR控制信號。因而雖然任何時候6個系統各自都有輸出，但某一時刻只有一個系統的輸出在起控制作用。圖3.1為燃料沖程基準計算示意圖： 起動控制系統轉速控制系統停機控制系統加速度控制系統溫度控制系統最小值選擇FSR手動控制系統FSRSUFSRNFSRSDFSRACCFSRTFSRMAN圖3.1 燃料沖程基準計算示意圖3.2.1 燃氣輪機起動控制燃機起動過程是在程序控制系統和起動控制系統共同完

54、成的。前者在上一節已說明，其要點是：通過操作接口選擇操作指令鍵下達起動命令后，程控系統(及有關保護系統)檢查準備起動允許條件、遮斷閉鎖的復位、開動輔助設備(如液壓泵、燃料供給等)，根據程序去開關相應的閥、馬達、使起動機把輪機帶到點火轉速、繼而點火、再判斷點火成功與否。隨后進行暖機、關閉起動機等一系列動作，直到輪機達到運行轉速才完成起動程序。而起動控制僅控制從點火開始直到起動程序完成這一過程中燃料供給(在燃氣輪機系統中通過起動控制系統輸出FSRSU)。燃機起動過程中燃料需要量變化范圍相當大。其最大值受壓氣機喘振 (有時還要受透平超溫)所限，最小值則受零功率所限。這個上下限隨著燃機轉速大小而變，在

55、脫扣轉速時這個上下限之間的范圍最窄。沿上限控制燃料量可使起動最快，但燃機溫度變化劇烈，會產生較大的熱應力，導致材料的熱疲勞而縮短使用壽命。對重型燃氣輪機尤為重要。對用于發電的重型燃氣輪機，其起動時間要求并不太高。因此對重型燃機起動過程中燃料控制的目標一般偏低，變化偏緩以求較小的熱應力減輕熱疲勞。燃氣輪機以開環方式控制起動過程中FSR。當燃機被起動機帶轉到點火轉速(約16額定轉速，L14HM=I)并滿足點火條件時，起動控制系統把預先設置的FSR點火值作為FSRSU輸出。若點火成功，FSRSU立刻降到暖機值進行暖機，在曖機期間FSRSU保持暖機值不變，輪機的轉速則在逐漸上升，實際燃料流量Gr，也在

56、增加，通常完成一分鐘暖機后，FSRSU以預先設置的變化率隨時間斜升到加速值，隨后再以另一個預先設置的速率繼續斜升。3.2.2 轉速控制轉速控制系統是輪機最基本的控制系統，燃氣輪機系統備有有差轉速(Droop Speed)控制方式和無差轉速（Isochronous Speed）控制方式二種控制算法。可根據需要分別選用。帶動交流發電機時應選用有差轉速控制方式，驅動壓縮機或泵時可選用無差轉速控制方式。當輪機處于轉速控制時，控制方式“DROOP SPEED”或“ISOCH SPEED”將被顯示。有差轉速控制遵循比例控制規律，也就是FSR的變化正比于給定轉速(即轉速給定點Speed Set Point或

57、轉速基準Speed Reference)TNR與實際轉速TNH之差： (3.1)圖3.2 有差轉速控制原理圖圖3.2表示如下關系： (3.2)式中：FSRN有差轉速控制的輸出FSRFSRN0輪機全速空載的FSR值(在這里作為控制常數存入存儲單元)KDROOP決定有差轉速控制不等率的控制常數。上式即比例控制規律 (3.3)FSRN=FSRN0時，由上式可知，此時 TNH=TNR，即轉速基準 TNR 正好就是空載時的轉速TNH。當FSRN由 FSRN0 值變到額定負荷值 FSRNe 時，轉速的變化是額定負荷下的（TNR-TNH），它正好就是有差轉速控制的不等率。所以有 (3.4)轉速基準TNR信號增減時，靜態特性