分布式测控技术在空气透平试验台中的应用

2011-07-14孔祥林王桂英

燃气涡轮试验与研究 2011年3期

古平，孔祥林，王桂英

(1.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703；2.东方汽轮机有限公司，四川德阳61800)

1 引言

分布式测控系统是相对于集中式测控系统而言的，它具有自治性、并行性、扩展性、透明性等一系列优点[1]，广泛应用于各个领域。在一些较大型的测控系统中，由于被测对象种类繁多、测点分散且相距较远，同时测量设备功能分散、数据总线种类不一、负载不均衡，采用集中式测控系统很难或不能完成相应测控任务，需对被测控对象进行合理分类、组合，组成各个相对独立的子系统，由各子系统完成特定的测量与控制功能任务。各子系统间通过一种或多种能相互识别的、通用的通讯手段进行数据交换，保证数据传输畅通。总控系统对这些子系统进行协调调度，完成整个系统的测控任务。下面将较系统地介绍分布式测控系统在空气透平试验台中的应用。

2 系统组成

东方汽轮机有限公司新建的空气透平试验台主要用于汽轮机转子的研究与试验，其测量控制系统由中国燃气涡轮研究院负责开发。该系统由多个子系统组成：空气透平试验台本体系统、风机系统、管路阀门系统、水系统、水力测功器、电气系统、数据采集系统、位移机构控制系统、控制和联锁保护系统等。各子系统间既相对独立又相互联系。各子系统将状态参数和性能数据通过工业以太网或其它通讯手段进行数据交互，由主监控计算机对各子系统传来的信息进行分析处理，并向各子系统发出相应命令，调度各子系统协调工作，完成整个系统的测控任务。

3 方案设计

方案要满足用户对系统高性能、高可靠性的需求。根据具体情况，采用PROFIBUS总线和工业以太网为主体通讯手段建立通讯系统，并考虑系统或功能模块的其它技术要求，如EMC、可靠性等，在设计阶段针对不同测试控制模块或系统特点采取不同措施，根据功能将其分为相对独立的子系统，由各子系统独立完成各自特定的测控任务，主监控计算机对各子系统进行动态任务调度，使各子系统协调并行工作，保证整个系统稳定可靠地工作。

3.1 测控系统搭建和主要硬件配置

透平试验台测控系统共设有四个过程控制站、三个操作员站和五个工程师站。

3.1.1 过程控制站

过程控制站包括测量控制系统PLC主站、水处理控制系统PLC从站、630 kW风机控制系统PLC从站和坐标架(位移机构)控制台。PROFIBUS总线将各个PLC控制站进行网络连接并确立主从关系，然后作为透平系统网络的一个局部接入上位控制系统。其网络结构图见图1。

图1 透平系统过程控制站网络结构Fig.1 The network architecture of processing control station for turbine system

(1)试验台测量控制系统PLC主站

试验台测量控制系统主要完成对试验台全系统运行工况的监视和控制，调整各控制参数的设定值和偏置阀门，并通过工业以太网或专用接口与其它系统进行信息、数据交换。该系统选用西门子PLC S7-300，CPU为315-2DP，具有两个DP接口(MPI口连接工业触摸屏，DP口连接上位机的CP5613通讯处理器)，与从站的PLC通过PROFIBUS总线连接。

(2)水处理控制系统PLC从站

与PLC主站相似，水处理控制系统PLC从站CPU也选用315-2DP，通过MPI口与工业触摸屏连接，DP口接入PROFIBUS总线。整个系统的按钮、阀门控制在触摸屏上由软面板实现。

(3)630 kW风机控制系统PLC从站

630 kW风机控制系统主要是控制630 kW风机的启停和对风机运行状态进行监控及联锁保护。630 kW风机控制系统PLC从站与试验台控制系统的距离较远，结构与水处理控制系统相似，CPU仍选用315-2DP，通过MPI口与工业触摸屏连接，DP口接入PROFIBUS总线。上位机监控界面采用iFIX组态软件编程，并通过PROFIBUS总线与主站PLC进行数据交换，通过工业以太网通讯与其它计算机进行数据交换。

(4)坐标架(位移机构)控制台

位移机构控制台主要控制伺服系统精确走位，由嵌入式控制系统控制完成，是一个相对独立的系统。根据试验要求，移动测压探针到指定位置，由试验台测试系统完成探针在不同层面的压力测量。

3.1.2 操作员站

透平系统操作员站设有试验台测量控制系统操作员站(操作员站1)、水处理控制系统操作员站(操作员站2)和630 kW风机控制系统操作员站(操作员站3)。测针位移机构操作员站由上位机(工程师站)兼任，操作员站均由工业触摸屏担任。操作员站网络结构图如图2所示。

3.1.3 工程师站

五个工程师站为：试验台控制系统计算机(工程师站1)、试验台数采系统计算机(工程师站2)、2 500kW风机控制系统计算机(工程师站3)、水力测功系统计算机(工程师站4)和630 kW风机控制系统计算机(工程师站5)。其中试验台控制系统计算机(工程师站1)为透平系统的主工程师站，其它计算机作为子工程师站。

图2 透平系统操作员站网络结构Fig.2 The network architecture of operator station for turbine system

工程师站网络结构图如图3所示。图中，2 500 kW风机控制系统主要是进行风机运行状态监控，是一个相对独立的控制系统，用西门子PLC S7-300系统作为逻辑控制器对2 500 kW风机进行控制，通过PROFIBUS总线进行数据交换，并通过工业以太网与其它计算机进行数据通讯。

图3 工程师站网络结构图Fig.3 The network architecture of engineer station

试验台数据采集系统主要完成整个透平试验台的数据采集和处理。由于试验台本体系统气体压力测点较多，且压力测点和温度测点比较集中，因此采用PSI电子扫描阀(9816、9046)作为主采集设备；而离散的压力、温度测点，则由相应的单个变送器(作为辅助采集设备)采集。

各子系统将测试数据和状态数据通过工业以太网或PROFIBUS总线等通讯协议进行数据交换，由主监控计算机对各子系统传来的信息进行分析处理，调度各子系统协调工作。

3.2 测控系统软件设计

透平系统是由多个子系统组成，各子系统既能独立完成各自的测控任务，又通过TCP/IP网络或PROFIBUS总线以及串口通讯线相互连接，将各子系统整合为一个整体，通过数据交互，协调工作，共同完成整个系统的测控任务。测控系统示意图如图4所示。

针对不同子系统设备特点选用不同的开发软件，以系统高性能、高可靠性为原则，同时兼顾不同功能模块的其它技术要求进行测控功能性软件开发，以达到系统的最佳性能。

3.2.1 监控系统软件开发

监控界面使用iFIX-无限点-开发版组态软件进行开发，底层控制软件采用SIEMENS的Simatic Software软件进行开发。

iFIX组态软件能方便地创建人机界面，展示系统的管网结构，让用户对测点位置有很直观的了解。所有的阀门开度控制、开关量控制都采用软面板方式。底层逻辑控制软件采用梯形图编程，直观方便，并可用图形方式打印出组态逻辑。同时，该软件还支持通过“系统错误信号”功能诊断系统错误。

图4 测控系统流程示意图Fig.4 Flow chart of measurement and control system

试验时，监控系统首先进行初始化、状态自检，判断各测点值、各阀门初始状态是否正确。若不正确，给出报警提示，提示工作人员排故。当系统各个状态正确时，开始正式试验，启动风机，调节各个阀门，使系统达到试验要求状态。制定控制流程如图5所示。

图5 制定控制流程Fig.5 The control procedure

3.2.2 试验台数据采集系统软件开发

试验台数据采集系统的任务是对整个透平试验台的所有试验数据进行采集和处理：通过PSI电子扫描阀(9816、9046)对试验台本体系统气体压力和温度测点进行采集；通过RS232通讯接口对位移机构进行控制，移动测压探针到指定位置，采集探针在不同层面的压力值；通过485通讯接口接收和处理扭矩仪与水力测功器的数据；通过工业以太网与其它测控子系统进行数据交换，并完成其数据收集。系统把得到的所有数据进行整合、处理、存储、分析及输出。系统软件的层次结构见图6。