基于西門子S7—300的余熱發電機組監控系統設計

摘 要 針對低溫余熱發電機組，提出了基于西門子S7-300的監控系統。該系統采用上位機-下位機的結構型式，上位機負責整個機組的控制和管理，下位機完成機組數據采集和所有控制邏輯。上位機和下位機采用以太網方式進行數據通信。西門子S7-300系列PLC和上位機之間的以太網通信速度快，通信軟件性能穩定，已在工業現場中得到應用。

【關鍵詞】西門子 余熱發電 監控

余熱發電是能源再生利用和環境保護的重要研究方向之一，現已在鋼鐵、水泥和石油化工等工業領域的應用中取得了較大進展。而PLC以其可靠性高、適應性強、編程簡單及模塊化結構擴展的特點，作為智能控制站廣泛應用于各種工業控制現場。本文以西門子S7-300系列PLC作為下位機，以北京亞控科技的組態王監控軟件作為上位機，設計了基于以太網通信的余熱發電機組監控系統。

圖1是某低溫余熱發電機組監控系統的總體框架圖，主要包括下位機和上位機兩大部分，分別實現不同的功能。

1 下位機程序設計

1.1 數據采集和處理

數據采集系統是整臺機組在啟動、停止、正常運行和事故工況下的主要監視手段。通過人機界面向運行人員提供各種實時參數或經過處理的信息以指導運行操作。其主要功能有：

1.1.1 工藝過程數據的采集和處理

過程數據包括儀表測量數據和設備運行狀態。對過程數據的處理包括正確性判斷，數字濾波、工程單位轉換等。

1.1.2 報警判斷

PLC對處理之后的機組數據，超過預設的定值時，自動觸發報警；當參數正常之后，報警自動復歸。

本項目數據采集主要包括汽輪機及其輔助系統的溫度、壓力、流量等過程變量，以及電動機和閥門的狀態信號。溫度信號采用工業熱電阻PT100測量，壓力采用智能化一體化變送器，主蒸汽流量和冷卻水流量采用差壓式流量計，凝結水流量采用渦街流量計。

1.2 模擬量控制系統（MCS）

本項目中的模擬量控制系統，都是單回路控制系統，采用常規PID控制就可以達到要求，主要包括如下：

1.2.1 旁路閥自動控制

通過調節汽輪機旁路閥的開度，來控制汽輪機主汽門前的壓力。

1.2.2 凝汽器液位自動控制

通過調節凝結水母管調節閥的開度，來控制凝汽器液位在設計位置。

1.3 順序控制系統（SCS）

順序控制即開環邏輯控制，是機組主要控制系統之一。其任務是按照各設備的啟停運行要求及運行狀態，經邏輯判斷發出操作指令，對機組主要設備進行順序啟停。同時該系統根據工藝系統要求實施聯鎖與保護。

本項目SCS系統主要包括兩部份：

1.3.1 機組級自動啟停控制

主要是實現汽輪發電機組的自動啟動和自動停止功能。

1.3.2 設備級啟停和聯鎖

主要是電動機和閥門等設備的聯鎖和保護邏輯。

1.4 汽輪機數字電液控制系統（DEH）

本項目的汽機數字電液控制系統布置在DEH控制柜內，并留有與PLC控制柜的PROFIBUS通訊接口，DEH系統至少包括以下功能，但不限于此：

（1）轉速/功率調節：控制系統的轉速/功率調節回路通過檢測發電機出口開關的位置，判斷是在轉速控制還是在功率控制。在機組并網之前，為轉速控制功能，機組并網之后，自動切換至功率控制。

（2）負荷限制：當機前汽壓過低時自動限制汽輪機的負荷，以使汽輪機機前壓力維持在設定范圍。

（3）超速保護功能：當汽輪機轉速達到額定轉速的110%，DEH系統發出超速保護指令，迅速將汽輪機主汽門和調門關閉。

（4）DEH系統留有接收PLC控制系統發出的模擬操作指令的信號接口。

為了實現以上功能，本項目采用WOODWARD公司的505系列調速器。505調速器和PLC控制系統之間通過硬接線交換數據，主要包括汽輪機轉速、調節閥閥位、以及機組的啟動、停止等信號。

1.5 汽機緊急跳閘系統（ETS）

本項目ETS系統集成在PLC控制柜內。ETS系統實時監視機組的重要測量數據，當超過極限值時，關閉汽輪機進汽閥門，緊急停機。ETS保護項目見表1。

1.6 發電機控制

本項目發電機控制系統采用丹控公司的GPC-3系列多功能控制器。GPC-3是一個基于微處理器、集保護和控制同步/異步發電機所需功能與一體的緊湊型控制單元，且包含所必須的電隔離三相測量電路。本項目中，GPC-3對發電機出線電流、電壓進行檢測，依據預置的設定值，自動完成發電機組的保護、同步和并網功能。

GPC-3和PLC之間通過PROFIBUS總線進行通信，將發電機的狀態數據實時傳輸給PLC，并在上位機顯示。

2 上位機程序設計

本項目中，上位機監控功能采用北京亞控科技的組態王監控軟件來實現。“組態王”是在PC機上建立工業控制對象人機接口的一種智能軟件包，它以Windows98/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系統作為其操作平臺，具有圖形功能完備，界面一致友好，易學易用的特點。

上位機主要完成以下功能：

（1）設備操作：為系統中的設備操作提供人機接口。

（2）顯示功能：主要包括操作顯示、棒狀顯示、模擬圖顯示、趨勢圖顯示、報警顯示等。

（3）實時/歷史數據存儲：上位機畫面可以顯示某些重要參數的實時曲線，并對所有數據都可以進行存儲，以方便檢索。

（4）制表記錄功能：包括定期記錄、運行人員操作記錄、報警記錄等。報表打印

為了實現以上功能，工控機通過工業以太網和西門子S7-300PLC連接。監控軟件實時接收PLC上傳的數據，并將操作指令傳輸至PLC。通訊速率可以滿足系統實時監視的要求。

工控機在本地建立SQL Server 2005數據庫，用來保存機組運行數據和報警信息。

3 結束語

西門子PLC具有很強的以太網通信功能，其S7-315系列PLC自帶以太網通訊口，減少了通訊模塊的配置，系統實現較簡單。組態王監控軟件組態方便，快捷，自帶豐富的腳本函數，可以滿足工業控制的應用。本文提出的監控方法和監控系統已在某余熱發電工程中得到應用，運行穩定可靠，故障率較低。

參考文獻

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作者簡介

祝廣場（1984-），男，工學碩士學位。研究方向為火電廠熱工自動化控制和保護。

作者單位

華電電力科學研究院中南分院 湖北省武漢市 430063