GE智能平臺90-30PLC在沈鼓機組監(jiān)控系統(tǒng)中的應用
［摘要］：［關鍵詞］： 電機 opc 伺服 pid
一、概述
沈陽鼓風機集團始建于1943，經過60多年的不斷發(fā)展，現(xiàn)已成為中國規(guī)模最大的生產透平壓縮機，透平鼓風機，大型通風機以及大型水泵、往復壓縮機的國有大型企業(yè)。多年來共累計生產各類離心壓縮機1300余臺，其產品覆蓋中國國民經濟各個領域，并遠銷25個國家和地區(qū)，國內市場占有率達85%以上，年產量居世界前列。
杭州蕭越熱電廠購買的空壓離心壓縮機為2MCL系列。杭州蕭越熱電廠位于杭州蕭山工業(yè)園內。蕭山工業(yè)園內建有很多印染、紡織廠，是全國最大的輕紡城。該機組主要目的是為蕭山工業(yè)園區(qū)的幾個印染、紡織廠提供風能。
本套控制系統(tǒng)是其空壓機組的配套產品，除了控制沈鼓的壓縮機還對青島汽輪機廠的汽輪機以及一些相關的泵站等輔助設備進行監(jiān)控。
二、工藝控制要求
2.1數據采集系統(tǒng)（DAS）
連續(xù)采集和處理所有與壓縮機組及其輔機相關的重要測點及設備狀態(tài)，及時向操作員提供有關的運行信息，實現(xiàn)機組安全經濟運行。
機組參數的當前值或狀態(tài)的顯示、棒狀圖顯示、報警顯示和趨勢顯示。
報警顯示：
事故順序（SOE）記錄，通過在CIMPLICITY ME中進行C語言編程，并且通過CIMPLICITY HMI與歸檔數據庫SQL2000實時記錄S90-30系統(tǒng)內部的事件動作，能精確到1ms。
機組概貌P&ID圖的模擬顯示，通過CIMPLICITY HMI進行組態(tài)，并且實現(xiàn)參數報警變色以及變量注釋的動態(tài)顯示。
機組氣路P&ID圖：
機組油路P&ID圖：
泵組P&ID圖：
加熱器P&ID圖：
2.2模擬量控制系統(tǒng)（MCS）
GE Fanuc PID回路增益、kp、 ki、 kd可由所控制的過程特性確定。其中關鍵在于：
1、當我們通過固定量改變CV時，PV改變有多大？開路增益是什么？
2、系統(tǒng)響應有多快，或者說CV輸入躍遷后PV改變有多快？
許多過程可由過程增益，初級或次級順序延遲及一個純時間延遲而模擬。在頻率范圍內，含一純時間延遲的初級順序延遲系統(tǒng)的轉換功能如下：
PV(s)/CV(s)=K*e*(-Tps)/(1+Tcs)
例：在時間范圍內繪出時間t0的躍遷響應曲線：
k：過程開路增益=PV最終改變/t0時的CV改變
Tp：t0之后在過程輸出PV開始傳送前的過程時間延遲或“死”時間。
Tc：Tp之后PV達到最終PV值的63.2%時所需要的時間。
測量這些參數的最佳方法是把PID模塊置于手動模式把CV做小幅躍遷，并且繪出PV響應時間的曲線。
GE Fanu的PID調節(jié)方法由Ziegler和Nicholas在四十年代發(fā)展起來的。
一旦k、Tp和Tc三個過程模型參數確定后，即可用來估算PID回路增益。作用速率：R=K/Tc
只有比例控制，計算Kp
Kp=Tc/(k*Tp)
對于比例和積分控制
Kp=0.9*Tc/(k*Tp)
Ki=0.3*Kp/Tp
對于PID控制
Kp=G/(Tp*R) G為1.2~2.0
Ki=0.5*Kp/Tp
Kd=0.5*Kp*Tp
采樣周期在(Tp+Tc)/10至(Tp+Tc)/100之間。
還有一種“理想調節(jié)”方法，可以獲得最佳的SP改變響應。
Kp=2*Tc/(3*k*Tp)
Ki=Tc
Kd=Ki/4
本系統(tǒng)的所有模擬量控制包括：調節(jié)油壓力，潤滑油壓力，壓縮機入口壓力，循環(huán)水入口流量等均采用PID ISA標準模塊進行控制。這樣選擇了適當的參數后，可以快速響應負荷或能量的變化，在自動方式下不需要人為的干預。當發(fā)生手動自動切換時實現(xiàn)平滑控制。
2.3 防喘振控制（Anti-Surge）
GE90-30通過CIMPLICITY ME集成有專門的防喘振控制系統(tǒng)，有以下特點：
一旦發(fā)生喘振，可以人工干預、校正安全區(qū)域。
當工況點大于規(guī)定的速率越過喘振控制線時，自動打開防喘振閥。
以適當的控制器輸出增益響應，使防喘振閥實現(xiàn)快開和慢關。
配有手操功能，用于調節(jié)、試驗和排除故障。
用接點控制電磁閥，當發(fā)生劇烈喘振或機組聯(lián)鎖時，直接開啟防喘振閥。
控制模型充分考慮了機組壓力，流量的要求和變化，最大限度的接近喘振線，保證工作區(qū)域最大。
防喘振控制：
2.4 抽氣壓力和壓縮空氣電液調節(jié)（ELA）
在監(jiān)控系統(tǒng)CIMPLICITY HMI上顯示和控制505E，實現(xiàn)對汽輪機轉速，抽氣壓力和壓縮機空氣負荷的調節(jié)。
通過HMI和505E的配合使用，實現(xiàn)就地/遠程控制方式，方便操作人員的控制要求。
2.5 汽輪壓縮機組緊急跳閘保護（ESD）
機組停車保護的主要項目包括：潤滑油總管壓力、安全（速關）油壓力、轉速、軸振動、軸位移、軸承溫度和真空等。所有的保護輸出在邏輯上有閉鎖功能，以防止如熱電阻、熱電偶的誤動作。整個系統(tǒng)的掃描周期在40毫秒左右，完全能夠滿足緊急響應的要求。
三、GE Fanuc 的解決方案
3.1 系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)采用 GE Fanuc 系列90-30 PLC系統(tǒng)作數據采集和控制，為了保證系統(tǒng)的可靠性，控制部分采用雙機熱備結構，電源、CPU、通訊模塊和Genius通訊總線、以太網通訊模塊等都是冗余的。通過雙機熱備軟件MAX-ON配置后，導入Proficy Machine Edition編程軟件內，從而實現(xiàn)雙機熱備功能，保證系統(tǒng)的高可靠性。數據采集部分由三層五個10 槽機架組成，層之間通過Genius總線連接。雙機熱備部分與數據采集部分利用 Genius Bus Controller (GBC)網絡通訊模塊通過Genius雙總線進行數據的通訊與傳輸。現(xiàn)場的各類模擬信號、電磁報警接點信號、PLC 輸出到現(xiàn)場電磁閥的起停信號等均通過端子排與 PLC I/O 模塊相連，實現(xiàn)數據的采集和控制。上位機監(jiān)控系統(tǒng)為GE Fanuc公司的Proficy CIMPLICITY HMI V6.1來實現(xiàn)數據采集及控制功能。包括2臺工程師站和1臺操作員站，并且在一個工程師站上集成WebView Server功能，用戶就可以通過Windows IE瀏覽器實現(xiàn)全廠局域網數據瀏覽功能，便于公司管理層及時了解現(xiàn)場情況。
3.2 軟件系統(tǒng)
下位機系統(tǒng)軟件為Proficy Cimplicy Machine Edition
CIMPLICITY ME由Logic Developer(PAC、PLC、PC、State、CNC)，View，Motion Developer等組成。
CIMPLICITY ME不但能夠對可編程控制器，分布式 ，嵌入式控制器，數控系統(tǒng)進行編程組態(tài)，而且能夠對GE的操作面板，工控機和伺服系統(tǒng)進行編程控制。這樣，ME將多種控制要求集成在同一個平臺下，符合現(xiàn)代控制要求多樣性的要求，是一個功能十分強大的系統(tǒng)平臺。
如上圖所示：ME包含了大量的系統(tǒng)控制功能
ME具有如下幾個特點：
使用CIMPLICITY ME軟件，在一個公共的環(huán)境用于配置、編程、調試和維護用戶程序。
統(tǒng)一的用戶界面
一個數據庫（交叉參考、變量表等）
符號編程
即拖即放功能
Test修改編輯模式
強大的在線幫助窗口
支持多種IEC1131語言包括LAD、FBD、SFC、ST和C語言
熱備系統(tǒng)軟件MAX-ON
利用熱備軟件MAX-ON對S90-30系統(tǒng)進行配置后，導入ME中即可實現(xiàn)控制器之間的同步和數據交換。相對于西門子的S7-300軟冗余，該系統(tǒng)配置簡單、無須編程、數據交換效率更高、穩(wěn)定性更好、有嚴格的授權要求。
上位機軟件為Proficy Cimplicy HMI
CIMPLICITY HMI主要有以下幾點特性：
CIMPLICITY HMI包括CimEdit和CimView兩大組件。使用CimEdit功能可以非常方便的進行屏幕編輯；CimView作為顯示功能使用。
在HMI中可導入OLE和ActiveX對象，例如趨勢、SPC圖表及報警瀏覽器等內容。
由于采用了開放式的系統(tǒng)設計，其系統(tǒng)數據庫登錄使用了標準ODBC接口。例如將報警、事件、與數據點值登錄到Microsoft Access數據庫文件、Microsoft SQL Server數據庫或Oracle數據庫中去?？梢詮膱蟊砗透鞣N符合ODBC標準的應用程序中檢索數據庫信息。
支持VB腳本進行基本的功能控制。
利用Microsoft C/C++和Microsoft Developers Studio可生成新設備通訊接口，利用該接口訪問第三方設備。
支持OPC，包括OPC客戶機和OPC服務器。
含有報表管理器，很容易生成基本的過程報表。
支持客戶機/服務器結構和服務器冗余功能。
支持Web Server和Web View功能。
對于本套控制系統(tǒng)而言，最具有價值的是全面的應用了GE Fanuc Proficy系列軟件。這樣，在S90-30熱備系統(tǒng)與工程師站或操作員站之間實現(xiàn)了的無縫高效的結合，無須利用腳本工具進行冗余通訊等額外的編程，這是使用第三方軟件難以實現(xiàn)的。CIMPLICI
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