燃气轮机控制系统的设计 (1)

燃气轮机控制系统的设计

作者姓名：helel

指导教师：陈教授

单位名称：信息科学与工程学院专业名称：自动化

东北大学

2010年6月

Design of a control system of gas turbine

by Helel.Yang

Supervisor:Professor Chen

Northeastern University

June2010

东北大学本科毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

燃气轮机控制系统的设计

设计(论文)的基本内容：

(1)了解燃气轮机系统的工作原理和发展现状；

(2)燃气轮机系统的总体方案设计；

(3)燃气轮机控制系统的硬件设计；

(4)控制系统编程，实现燃气轮机系统的控制；

毕业设计（论文）专题部分：

题目：

设计或论文专题的基本内容：

学生接受毕业设计（论文）题目日期

第2周

指导教师签字：

2010年3月08日

I

东北大学本科毕业设计（论文）摘要

燃气轮机控制系统的设计

摘要

燃气轮机是将燃料燃烧时产生的热能转化成机械能的一种热机，是当前世界上最新和最主要的动力机械。随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。所以燃气轮机自动控制策略是控制领域内一个重要的研究方向。

本文总结了燃气轮机控制技术的发展和现状，介绍了目前比较常见的燃气轮机控制手段，对燃气轮机生产工艺进行了细致的介绍。包括燃气轮机的结构组成，燃气轮机的主控及顺序控制的要求等。并对燃气轮机的主要设备进行分析，将燃气轮机的主控系统按功能进行分块，根据燃气轮机的主控系统要求，分别设计了燃气轮机转速控制、燃气轮机温度控制等控制回路。同时介绍了有关PLC的资料以及利用PLC设计的的自动控制系统，重点介绍了此次课题选用的S7-400。

本文介绍了所设计控制系统的主要输入输出，有关控制系统的IO表，还详细叙述了用PLC的编程软件STEP7选择模块，填写符号表，并进行了硬件设计的过程。然后本文对燃气轮机的主控系统按功能进行分块，介绍了各个控制回路的控制原理，根据控制回路的控制要求设计了各个块的程序框图。然后在STEP7中创建了相应的程序块。本文还叙述了有关PID算法的资料，然后简单介绍了MATLAB的SUMLINK软件，并利用SUMLINK对相关控制回路算法进行了仿真。

最后本文对此次设计做了总结，对燃气轮机的将来发展做了展望。

关键词：顺序控制系统；主控系统；燃气轮机；PLC自动控制

II

东北大学本科毕业设计（论文）Abstract Design of a control system of gas turbine

Abstract

Gas turbine is a kind of heat engine that make the thermal energy produced by burning fuel into mechanical 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 important.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 present 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 turbine. 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 table of the control system,describing in detail with the process of using modules STEP7of 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 principle 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 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

III

东北大学本科毕业设计（论文）目录

目录

毕业设计（论文）任务书........................................................................................................I 摘要...........................................................................................................................................II Abstract....................................................................................................................................III 第一章绪论 (5)

1.1课题背景及意义 (5)

1.2燃气轮机及其控制系统的发展概况 (5)

1.3课题主要内容 (5)

第二章燃气轮机工艺及PLC概述 (5)

2.1燃气轮机系统及工作原理概述 (5)

2.2燃气轮机控制要求 (5)

2.3PLC概述 (5)

2.3.1PLC发展及现状 (5)

2.3.2STEP7概述 (5)

2.3.3PLC400概述 (5)

2.4本章小结 (5)

第三章燃气轮机控制系统的设计 (5)

3.1燃气轮机顺序控制系统 (5)

3.1.1起动程序控制 (5)

3.1.2正常停机程序控制 (5)

3.2燃气轮机主控系统子系统 (5)

3.2.1燃气轮机起动控制 (5)

3.2.2转速控制 (5)

3.2.3加速控制 (5)

3.2.4温度控制 (5)

3.2.5停机控制 (5)

3.2.6手动控制 (5)

3.2.7FSR最小值选择 (5)

3.3燃料控制系统 (5)

3.4硬件设计 (5)

3.4.1燃气轮机主要输入输出 (5)

3.4.2控制系统硬件实现 (5)

3.5本章小结 (5)

第四章软件设计及仿真 (5)

4.1燃气轮机主控系统软件设计 (5)

4.1.1STEP7模块概述 (5)

IV

东北大学本科毕业设计（论文）目录

4.1.2程序结构设计 (5)

4.1.3软件设计 (5)

4.2PID算法仿真 (5)

4.2.1PID算法概述 (5)

4.2.2算法仿真 (5)

4.3本章小结 (5)

第五章结论 (5)

参考文献 (5)

致谢 (5)

V

东北大学本科毕业设计（论文）第一章绪论

第一章绪论

1.1课题背景及意义

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。

燃气轮机凭借其污染小、热效率高、调峰性能好、启动快捷、建设周期短、占地少、投资省等优点，日益受到人们的青睐，近年来在世界范围内发展迅猛，燃气轮机发电己经成为电力的发展趋势。世界重型燃气轮机制造业经过60多年的研制、发展和竞争，目前己形成了高度垄断的局面，即以GE、西门子/西屋、三菱和阿尔斯通等主导公司为核心，其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。在我国，国家发改委提出统一组织国内资源，集中招标，引进技术，促进国内燃气轮机产业的发展和制造水平的提高，即通过捆绑式招标，实施“市场换技术”，旨在引进国外先进的燃气轮机设备的同时引进重型燃气轮机的制造技术，先后组织了3次F级和E级燃气轮机的捆绑招标，引进了GE、三菱、西门子公司的燃气轮机制造技术，总容量达1600万KW，为组织消化吸收、掌握这一高新技术，形成自我开发能力打下坚实基础。

燃气轮机控制系统的性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能，正因为控制系统的特殊重要性，各大公司也推出了相应的燃气轮机控制系统，比较著名的有GE公司的Speed tronie TM Mark控制系统，西门子公司的TELEPERMXP控制系统等。燃气轮机的迅速发展对电站的自动控制系统提出了更高的要求，随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。燃气轮机控制系统是电站的神经系统，以保

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东北大学本科毕业设计（论文）第一章绪论证机组的安全和可靠运行，除了配备先进的主机设备外，完善的调节控制系统更能充分发挥燃气轮机的最大优越性，而燃气轮机起动控制具有不同于一般变工况的特性，是燃气轮机控制系统的重要组成部分，其特性对于提高燃气轮机的使用寿命具有很重要的意义。在我国，对于燃气轮机发电的研究还正处在发展阶段，尚不具备燃气轮机控制系统的自主研发能力，国内相应的燃气轮机电站大多直接进口国外的控制系统，但随着国内燃气轮机技术的不断发展燃气轮机的国产化程度逐步提高，必然对控制系统的可靠性和自动化程度提出更高的要求[1]。

本文分析研究了燃气轮机控制系统，希望能够有助于大家对燃气轮机控制系统的了解和认识，探讨燃气轮机的自动控制技术的未来发展，将有助于我国开发具有自主知识产权的燃气轮机控制系统。

1.2燃气轮机及其控制系统的发展概况

燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径：不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。50年代初，透平初温(t3)只有600℃-700℃，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10℃；60年代后，还藉助于空气冷却技术，t3平均每年升20℃。从70年代开始,充分吸取先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能,现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平：t3为1300℃，压气机压比ε=10–30，简单循环效率ηsc=36-40%，联合循环效率ηcc=55%-58%。近期将把t3提高到1430℃，这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限。正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺(定向结晶,单晶叶片等)，部分静部件可能采用陶瓷材料。初温有较大提高t3=1400℃-1500℃，将应用智能型微机控制系统，并更加重视环保性能。对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量的条件下工作，t3将达1600℃-1800℃,现采用的熔点1200℃、密度为8g/cm3的叶片超级合金将被淘汰,新的高级材料应是小密度(<5g/cm3)的、有更好的综合高温性能,也许陶瓷材料是一种选择。近50年来，我国燃气轮机的研究、设计、制造已经有了相当的基础,积累许多使用的经验，取得了很大成绩。先后研制过的燃气轮机型号达数十种,功率等级从数百kW到36MW。我国工业型燃气轮机，从两方面平行发展:一是航空陆用途径，即航机改型；另为机械部所属汽轮机厂通过自行设计制造与国际合作等各种途径来发展。试验研究方面在国内也有一定的基础，取

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东北大学本科毕业设计（论文）第一章绪论得相当水平的科研成果。不过,由于地面燃气轮机的研制在80年代前后停顿，造成很大损失，我国燃气轮机技术与国外先进水平的差距明显，至今不具备设计制造大型高性能燃气轮机的能力[2]。

燃气轮机控制系统硬件平台的发展经历了一个漫长的过程。走过了从液压机械式控制、模拟式电子控制到数字式电子控制的发展道路，早期的燃气轮机控制器是采用测量元件直接控制燃气轮机执行机构的直接作用式，至30年代己发展为相当完善的机械液压型控制结构，其控制策略均采用比例积分型控制结构。随着电力系统发展对自动化水平要求的提高，伴随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调节和控制方案，微机调节器调节规律由PID型发展到众多PID改进型，其硬件发展经历了单片机、STD 总线式工业控制机、PLC可编程控制器、工业PC以及现在流行的DCS分散控制系统和FCS现场总线控制系统等微机系列的应用过程，其中STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器及DCS系统为现在的主流产品，具有高可靠性和计算快速、多任务及编程通用化的特点，能够实现复杂的控制任务。高性能控制平台为先进、复杂的控制策略开发研究和实际应用提供了硬件支持。

20世纪70年代，GE公司的LM1500燃气轮机配套使用由美国大陆公司研制的模拟式电子控制器实现了逻辑顺序控制，而燃油控制仍然由液压机械式控制器实现。直到20世纪90年代，燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。经过十多年的发展，燃气轮机控制已有多种数字控制系统，例如：S&S公司成套的LM6000机组和TPM公司成套的FT8机组等采用了美国WOODWARD公司的NETCOON5000系列燃气轮机控制系统，西门子公司采用的TELEPERM XP控制系统以及GE公司的PG6O00系列机组则采用了GE SPEED TRONIC的MARK V。1998年，GE Power System和GE Fanuc联合开发的MARK VI控制系统在北美市场推出，该控制系统可带现场总线和远程I/O，可实现全厂一体化控制，操作系统也从MARK V的DOS升级到Win NT。并且，燃气轮机的数字电子控制系统己经实现了标准化、系列化的发展，硬件实现了模块化，配置了菜单式的开发软件。总之，在燃气轮机控制系统40多年5400多台机组的实践应用中，电子控制技术占了26年，应用机组4400余台，电子控制技术得到不断发展[3]。

国内在20世纪80年代发展轻型燃气轮机的同时，迅速地开展了燃气轮机数控系统的研制。WJ6，WJ5，W-P6和W-Z5等燃气轮机数控系统已应用于工业现场，最近推出的QD100，QD128，QD70也都配置了数控系统，但总体上还处于量身裁衣、单台定制的初级阶段。燃气轮机数控系统的研制一般采用两种方式，一种方式是软硬件全部自行

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东北大学本科毕业设计（论文）第一章绪论研制，这种方式针对性强，批产成本低，但研制费用高，较适用于有批量的燃气轮机。第二种方式是选用标准的工业控制硬件配上自行开发的控制软件，该方式研制周期短，但适应性差，而且有时还不得不制作一些电子硬件接口，一般适合于量少或功率等级较大的燃气轮机控制系统[4]。

1.3课题主要内容

本次毕业设计研究的内容为利用计算机及西门子PLC设计燃气轮机控制系统。主要做了以下工作：

(1)在所学知识以及查阅大量的资料的基础上，对燃气轮机生产工艺有了细致深刻的认识和了解。包括燃气轮机的结构组成，燃气轮机的顺序控制系统及主控系统的要求。同时查阅有关PLC的资料，学习和了解PLC的自动控制系统，并选择适合所研究课题的PLC。

(2)确定所设计控制系统的输入输出，写出控制系统的IO表，学习PLC的编程软件STEP7，并选择需要的IO模块，进行PLC的硬件组态。同时填写符号表，为编程做好准备。

(3)对燃气轮机的过程控制系统按功能进行分块，根据控制回路的过程控制要求设计出每块的程序框图。并在STEP7中创建出相应的OB、FB、FC、DB。根据所画的程序框图编写各个块的程序。

(4)利用PLCSIM对所编程序进行仿真，通过仿真结果修正所编程序。查阅有关PID 算法的资料，利用MATLAB的SUMLINK对算法进行仿真。

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东北大学本科毕业设计（论文）第二章燃气轮机工艺及PLC概述第二章燃气轮机工艺及PLC概述

2.1燃气轮机系统及工作原理概述

图2.1燃气轮机系统结构图

燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成。燃气轮机正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。图2.1所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图。压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩，压缩后的空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气，然后再进入透平膨胀做功，最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备如余热锅炉来回收利用部分余热，这样就形成了联合循环。连续重复完成上述循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功[5]。

2.2燃气轮机控制要求

燃气设计燃气轮机控制系统使轮机盘车，把轮机带动到清吹转速(约20％额定转速)，点火，再把轮机转速提升到额定转速，如驱动发电机则控制系统还要控制同期并网。(如用于驱动压气机或其它动力输出，控制系统要接受相应各种限制。)然后把燃气轮机加负荷到适当的工作点。这一系列过程必须自动发生和完成，同时要减小燃气轮机热燃气

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东北大学本科毕业设计（论文）第二章燃气轮机工艺及PLC概述通道部件和辅助部件中的热应力[6]。

整个控制系统可分为四个功能子系统：

(1)主控制系统；(2)顺序(程序)控制系统；(3)保护系统；(4)电源系统

在上述各功能系统中主控制系统是主要的，它必须完成四项基本控制：

(1)设定起动和正常的燃料极限；(2)控制轮机转子的加速；(3)控制轮机转子的转速；

(4)限制轮机的温度。

每个时刻只有一个控制功能或系统能控制送到燃气轮机的燃料流量。这几个控制系统都输入到“最小值选择门”，该选择门的输出作为燃料控制系统的输入。采用最小值可给轮机提供最安全的运行。

这里先简单介绍一下这几部分控制要求。

1)主控制系统

起动控制：在起动期间为了最佳的点火和联焰，以及避免过分的热冲击，燃气轮机控制系统设置了燃料限。起动控制系统设置了随转速和时间进程而变化的燃料上限。一般在18％～20％转速时，选择的燃料／空气比将在燃烧室内产生近于1000F的温升。

测知火焰后，燃料流量限减小到暖机值保持约一分钟，以便缓慢地加热冷的涡轮部件。暖机周期以后，慢慢增加燃料流量使轮机进入工作转速[7]。燃料逐渐增加是为了使热冲击减至最小。机组进入额定转速以后，起动控制将建立一个最大的燃料限。这就避免了起动控制的燃料极限通过最小值门。

转速控制：燃气轮机可有两类转速调节器：有差和无差。少数机组可能两种调节器都有，具备在有负荷的情况下改变调节器的能力[8]。有差调节器用在发电机驱动机上，要求有差调节器来提供系统稳定性。对于具有固定转速给定点的孤立运行机组，如果负荷由零增加到额定值，则轮机转速将下降4％。这种有差转速调节器是由一台比例控制器提供的。这种调节器有一个可调设定点装置，它的最大设定点称为低转速停止(LSS)。

无差调节器提供不变的轮机转速，轮机转速和负荷变化无关。这种调节器用于机械驱动机组，或许用在小系统内的发电装置上。无差调节器用一组水平线来代替斜线。无差控制是由比例积分控制器给出的。

为了避免由于系统扰动时引起的“熄火”，设置了一个最小燃料极限。正常停车时，最小燃料提供一个具有最小火焰的冷机周期，以便把热冲击减至最小，如果火焰突然熄灭，将发生强烈的热冲击。

温度控制：内部温度限是在第一级喷嘴处，称为工作温度。由于这里的温度长期维

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东北大学本科毕业设计（论文）第二章燃气轮机工艺及PLC概述持在1100℃以上，故在第一级喷嘴处无法直接测量这个温度。而是通过测量涡轮排气温度和压气机出口压力，计算得到工作温度。压气机出口压力代表通过涡轮的压力降，还要对大气温度作修正[9]。由于冷空气密度大于暖空气，对于同样的负荷，冷天压气机出口压力将比暖天高，因此冷天涡轮有较高的压降和温降，所以为了保持同样的工作温度，排气温度必须保持在较低值。

2)顺序(程序)控制

顺序控制电路提供了在起动、运行、停机和冷机期间轮机的、发电机的、起动装置的和辅机的顺序。顺序控制系统监测保护系统和其他主要系统，如燃料和液压滑油系统，并发出轮机按预定方式起和停的逻辑信号。这些逻辑信号包括转速级信号，转速设定点控制，负荷能力选择，起动设备控制和计时器信号等[10]。

3)保护系统

设计保护系统是当关键参数超过临界值或控制设备故障时通过切断燃料流量遮断轮机。切断燃料流量是同时通过两个独立的装置：截止阀，这是主要的；燃料泵和燃料控制阀，这是第二位的。截止阀是通过电气和液压两个信号来关闭的。燃料泵和控制阀只通过一个电气信号关闭。系统设置了如下保护系统[11]：

(1)超温保护(2)超速保护(3)熄火保护(4)振动保护(5)燃烧监测保护

此外还有一些保护功能，例如润滑油压力过低或润滑油温度过高等等。虽然这也很重要，同样危及机组的安全。但从结构上采用较简单的元件来实现。这些保护系统在起动和运行的整个过程甚至包括盘车过程，随时监视着轮机。一旦参数达到临界值或者任何一个保护系统出现故障都发出报警信号[12]。

2.3PLC概述

2.3.1PLC发展及现状

PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一批可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了[13]。

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东北大学本科毕业设计（论文）第二章燃气轮机工艺及PLC概述在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的——离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。

在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS 的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC 增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。对应中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位~32位CPU[14]。由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC

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东北大学本科毕业设计（论文）第二章燃气轮机工艺及PLC概述模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1~0.2秒，更快的则选用50毫秒或更小的消灭周期[15]。它是一个数字采样控制系统。

为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM 中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有：基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便[16]。

PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)在我国已有实例。另外，在离散事件冬天系统中，如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。PLC的前途一片美好，一切悲观的论点是站不住脚的。至于技术进步，PLC与其它技术融合以至消失，那还需要一定的时间[17]。

2.3.2STEP7概述

SIMATIC STEP7作为一个平台，它可以集成各种控制设备的软件，使不同设备以及西门子PLC站点具有相同的数据库，所有设备的编程、配置、调试、数据路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成，从而实现一个项目中所有控制任务的集成。掌握STEP7是学习西门子公司自动化产品的基础。

2.3.3PLC400概述

由于此次课题的控制对象燃气轮机的输入输出多而且复杂，所以采用的是西门子的SIMATIC S7-400系列的PLC。SIMATIC S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理

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东北大学本科毕业设计（论文）第二章燃气轮机工艺及PLC概述想解决方案。SIMATIC S7-400可编程控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。

与以往的PLC相比，S7-400提高了运算和通讯能力，整体运算速度加快了60%。同时也提高了工作存储卡、内置装载存储卡、FC、FB、DB块的数量。在400PLC上全新集成PROFINET接口的CPU，提高了网络通讯能力。而且在S7-400上添加了SFC109 PROTECT，可以选择额外的写保护。PLC的固件可以通过网络进行升级。与V4CPU 相比，S7-400的CPU降低了后备电流。而且免安装的集成开发环境不必担心程序库的版本兼容问题，基本无需更新。客户端计算机速度慢也无关紧要，服务器会协助计算。

2.4本章小结

本章先介绍了燃气轮机的生产工艺，在此基础上详细分析了燃气轮机的控制要求。在本章的后一部分，对PLC的发展现状做了概述，同时对此次课题所采用的西门子PLC400、STEP7以及PROFIBUS做了简要说明。

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东北大学本科毕业设计（论文）第三章燃气轮机控制系统的设计第三章燃气轮机控制系统的设计

3.1燃气轮机顺序控制系统

3.1.1起动程序控制

起动程序控制也就是燃气轮机整个起动过程的顺序逻辑控制。从起动起动机、带动燃机转子转动、燃机点火、转子加速直至达到额定转速。起动程序安全地控制燃机从零转速加速到额定运行转速，在这个过程中要求燃机热通道部件的低周疲劳为最小，既保证较迅速的起动又不能产生太大的热应力。起动程序还涉及到一系列辅机、起动机和燃料控制系统的顺序控制命令。因为安全、迅速的起动还取决于燃气轮机各有关设备的适时运作，所以程序必须及时地查验各有关设备所处的状态。这些程序的顺序逻辑不仅与实施控制的设备有关还要和保护电路有关。

起动程序发出的各种控制指令首先要依赖于现时燃机转子的转动速度。因而转速的正确检测在起动过程中是至关重要的。轮机用电涡流式磁性传感器测量转速。当转速达到一系列关键值时将发出一系列控制指令使相应电磁阀和泵动作。这些关键的转速级常用的有下列四个：

14HR－零转速(约0.31％额定转速)：当轴转速低于L14HR(启动信号)释放值或在没有转动时L14HR触发(故障保安)，逻辑允许信号使离合器开始带电，开始轮机的盘车程序。

14HM－最小转速(约16％额定转速)(9E约10％额定转速)：最小转速逻辑表示燃机达到了允许点火的最小转速，在火花塞点火之前需完成清吹周期，然后点火。在停机过程中L14HM(清吹、点火指令)最小转速逻辑置“0”则提供了燃机停机后再起动的几个允许逻辑。

14HA－加速转速(约50％额定转速)：L14HA(加速信号)的触发值为TNKl4HAl(典型值为额定转速的50％)，释放值为TNKl4HA2(控制常数典型值为额定转速的46％)。L14HA触发主要用于开始FSR加速控制，关闭事故润滑油泵。L14HA的释放主要用于热停机过程中使FSR箝位到零，从而使轮机熄火。

14HS－运行转速(约97％额定转速)：L14HS(启动完成信号)的触发值为TNKl4HSl(典型值为97％)，释放值为TNKl4HS2(控制常数典型值为95％)。L14HS的触发为“真”主要用于表示起动程序已完成，从而开启压气机进口可转导叶，关闭压气机

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东北大学本科毕业设计（论文）第三章燃气轮机控制系统的设计放气阀；L14HS的释放为“假”主要用于关闭压气机进口导叶，开启压气机放气阀、开动交流润滑油泵。继续下降转速基准直到最小值。火焰一直保持到转速下降到L14HA 释放或者停机计时器时间到(5分钟)，FSR箝位置零，切断燃料为止。

燃气轮机的起动过程是由起动程序控制和主控制系统中起动控制共同作用的结果。

前者从起动开始给出顺序控制逻辑信号，后者从燃机点火开始控制燃料命令信号FSR值。

起动控制作为开环控制是用预先设置的燃料命令信号FSR来操作。这些预设的FSR 值为：“最小”、“点火”、“暧机”、“加速”和“最大”值。具体数值由控制技术条件根据现场考虑给出适当的值。这些FSR值存储在SPEEDTRONIC的起动控制系统。

起动控制FSR信号通过最小值门来起作用，以保证其他控制功能按要求限制FSR。

燃料命令信号都是由SPEEDTRONIC模块控制起动软件发出的。除了3个起动值(点火、暖机、加速)外，软件还设置最大和最小FSR，并提供手动控制FSR。按下“MANUAL CONTROL”(手动控制)开关和“FSR GAG RAISE OR LOWER”(FSR升或降)开关，就可以在FSR MIN(FSR最小)和FSR MAX(FSR最大)之间手动调整FSR给定值。

当燃机停转时，由燃料控制阀和相关部件及电源构成校验系统。如果CRT显示出“SHUT DOWN STATUS”(停机状态)。点击主选择(MASTER SELECT)区的某个起动字段(CRANK、FIRE、AUTO及SER REM使主选择L43的逻辑从OFF转到工作状态。于是触发了准备起动电路，如果所有的保护电路和遮断闭锁都具备了“准备起动允许条件”，则CRT上STATUS—FLD：READY TO START(准备字段：起动已准备就绪)。燃机就可以接受起动命令。在主控(MASTER CONTROL)区点击START(起动)并点击“EXECUTE COMMAND”字段，起动命令就进入逻辑顺序，也就是说开始执行起动程序。

起动信号激励主控和保护回路以及起动所需的辅助设备。L4逻辑使遮断油压增压，使起动离合器啮合，随之起动电机开始转动带动主轴开始转动。CRT上显示出STARTING。

当轮机开始转动时，L14HR信号使起动离合器线圈20CS失电，停止液压棘轮的工作。于是保持离合器啮合所需要的扭矩由起动电机提供。轮机转速继电器14HM指出轮机在清吹和燃烧室点火要求的转速下运转。还有一个清吹计时器L2TV清吹时间以使整个机组换四次空气(通过四倍机组通道容积的空气)为准，以保证任何可燃混合物吹出系统。K2TV正常的设定是1分钟。用L14HM信号开始计算，起动设备将保持转速直到

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东北大学本科毕业设计（论文）第三章燃气轮机控制系统的设计L2TV起作用，就完成了这个周期。

L14HM信号或清吹周期完成(L2TV=1)就给出燃料流量，点火过程设置了点火FSR 和点火计时器L2F开始点火计时。当火焰检测器输出信号(L28FD)指出燃烧室中已建立火焰、暖机计时器L2W开始计时，燃烧命令信号降到FSR的暖机值。暖机是为了起动开始阶段轮机热通道部件的热应力减到最小。

如果火焰没有建立，L2F计时器时间到(一般为60秒)，可以再给机组另一个点火信号，但将通过L2TV计时器延迟点火以避免燃料逐次积累。即使在不需要最初的L2TV 清吹的机组上也要有此顺序。

在完成暖机(L2WX)周期时，起动控制FSR以预定的速率斜升到“加速极限”的给定值，把起动周期设计成使加速周期所产生的工作温度适中。这是通过FSR缓慢地增长来完成的。由于燃料增加，轮机开始进入加速阶段，只要起动机还向燃气轮机提供扭矩，离合器就仍然保持啮合。当轮机转速超过起动机转速时，离合器就脱开，起动机就停车。转速继电器14HA指出轮机正在加速。

当程序完成即L14HS触发，起动程序就结束了。FSR就由转速控制回路控制，辅助系统就停机。

起动期间，起动控制软件建立最小允许的FSR值。如前所述，其他控制回路也可以减少和调节FSR以完成他们的控制功能，在起动的加速阶段这是可能的。但是如果达到温度控制限制，则是不正常的。CRT上将显示正在进行控制的FSR。

燃机控制系统中的最小FSR限制是为了避免FSR的过分降低，以致在过渡期间熄火。例如，轮机突然甩负荷，燃机控制系统回路要把FSR信号迅速压低，而最小FSR 给定值则建立了避免熄火的最小燃料流量值。

3.1.2正常停机程序控制

正常停机亦称热停机，既不同于燃机点火前(冷拖时)停机又区别于紧急停机。

当主控制选择停机并开始执行时将产生一个L94X信号。此时如果发电机线路断路器在闭合状态则转速／负荷给定点TNR开始下降。以正常速率减少FSR和负荷。一旦逆功率继电器动作则立即断开发电机断路器。随之转速基准TNR继续下降，转速也逐渐下降直到额定转速的46％左右，即14HA释放，FSR箝位到零，关闭燃料截止阀切断燃料供应。

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东北大学本科毕业设计（论文）第三章燃气轮机控制系统的设计

-14-3.2燃气轮机主控系统子系统

燃气轮机设置了下列几种改变轮机燃料消耗率的主控制系统：

(1)起动控制系统(Start up)；

(2)转速控制系统(Speed)；

(3)温度控制系统(Temperature)；

(4)加速控制系统(Acceleration)；

(5)停机控制系统(Shut down)；

每个系统输出的燃料行程基准(指令)FSR(Fuel Stroke Reference)如下：

(1)起动控制燃料行程基准FSRSU ；

(2)转速控制燃料行程基准FSRN ；

(3)温度控制燃料行程基准FSRT ；

(4)加速控制燃料行程基准FSRACC ；

(5)停机控制燃料行程基准FSRSD ；

此外还设置了手动FSR 控制，输出FSPMAN 。6个FSR 量进入“MIN ”一最小值选择门，选出6个FSR 中的最小值作为输出，以此作为该时刻实际执行用的FSR 控制信号。因而虽然任何时候6个系统各自都有输出，但某一时刻只有一个系统的输出在起控制作用。图3.1为燃料冲程基准计算示意图：起动控制系统

转速控制系统

停机控制系统

加速度控制系

温度控制系统

最小值选择FSR

手动控制系统FSRSU

FSRN

FSRSD

FSRACC

FSRT

FSRMAN

图3.1燃料冲程基准计算示意图

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