GE 智能平台 90-30 PLC在沈鼓机组监控系统中的应用

• 关键词：电机,opc,伺服,pid
• 作者：李崇

一、概述
沈阳鼓风机集团始建于1943，经过60多年的不断发展，现已成为中国规模最大的生产透平压缩机，透平鼓风机，大型通风机以及大型水泵、往复压缩机的国有大型企业。多年来共累计生产各类离心压缩机1300余台，其产品覆盖中国国民经济各个领域，并远销25个国家和地区，国内市场占有率达85%以上，年产量居世界前列。
杭州萧越热电厂购买的空压离心压缩机为2MCL系列。杭州萧越热电厂位于杭州萧山工业园内。萧山工业园内建有很多印染、纺织厂，是全国最大的轻纺城。该机组主要目的是为萧山工业园区的几个印染、纺织厂提供风能。
本套控制系统是其空压机组的配套产品，除了控制沈鼓的压缩机还对青岛汽轮机厂的汽轮机以及一些相关的泵站等辅助设备进行监控。

二、工艺控制要求
2.1数据采集系统（DAS）
连续采集和处理所有与压缩机组及其辅机相关的重要测点及设备状态，及时向操作员提供有关的运行信息，实现机组安全经济运行。
 机组参数的当前值或状态的显示、棒状图显示、报警显示和趋势显示。
报警显示：

 事故顺序（SOE）记录，通过在CIMPLICITY ME中进行C语言编程，并且通过CIMPLICITY HMI与归档数据库SQL2000实时记录S90-30系统内部的事件动作，能精确到1ms。
 机组概貌P&ID图的模拟显示，通过CIMPLICITY HMI进行组态，并且实现参数报警变色以及变量注释的动态显示。
机组气路P&ID图：

机组油路P&ID图：

泵组P&ID图：

加热器P&ID图：

2.2模拟量控制系统（MCS）
GE Fanuc PID回路增益、kp、 ki、 kd可由所控制的过程特性确定。其中关键在于：
1、当我们通过固定量改变CV时，PV改变有多大？开路增益是什么？
2、系统响应有多快，或者说CV输入跃迁后PV改变有多快？
许多过程可由过程增益，初级或次级顺序延迟及一个纯时间延迟而模拟。在频率范围内，含一纯时间延迟的初级顺序延迟系统的转换功能如下：
PV(s)/CV(s)=K*e*(-Tps)/(1 Tcs)
例：在时间范围内绘出时间t0的跃迁响应曲线：

k：过程开路增益=PV最终改变/t0时的CV改变
Tp：t0之后在过程输出PV开始传送前的过程时间延迟或“死”时间。
Tc：Tp之后PV达到最终PV值的63.2%时所需要的时间。
测量这些参数的最佳方法是把PID模块置于手动模式把CV做小幅跃迁，并且绘出PV响应时间的曲线。
GE Fanu的PID调节方法由Ziegler和Nicholas在四十年代发展起来的。
一旦k、Tp和Tc三个过程模型参数确定后，即可用来估算PID回路增益。作用速率：R=K/Tc
只有比例控制，计算Kp
Kp=Tc/(k*Tp)
 对于比例和积分控制
Kp=0.9*Tc/(k*Tp)
Ki=0.3*Kp/Tp
 对于PID控制
Kp=G/(Tp*R) G为1.2~2.0
Ki=0.5*Kp/Tp
Kd=0.5*Kp*Tp
 采样周期在(Tp Tc)/10至(Tp Tc)/100之间。
还有一种“理想调节”方法，可以获得最佳的SP改变响应。
Kp=2*Tc/(3*k*Tp)
Ki=Tc
Kd=Ki/4
本系统的所有模拟量控制包括：调节油压力，润滑油压力，压缩机入口压力，循环水入口流量等均采用PID ISA标准模块进行控制。这样选择了适当的参数后，可以快速响应负荷或能量的变化，在自动方式下不需要人为的干预。当发生手动自动切换时实现平滑控制。
2.3 防喘振控制（Anti-Surge）
GE90-30通过CIMPLICITY ME集成有专门的防喘振控制系统，有以下特点：
 一旦发生喘振，可以人工干预、校正安全区域。
 当工况点大于规定的速率越过喘振控制线时，自动打开防喘振阀。
 以适当的控制器输出增益响应，使防喘振阀实现快开和慢关。
 配有手操功能，用于调节、试验和排除故障。
 用接点控制电磁阀，当发生剧烈喘振或机组联锁时，直接开启防喘振阀。
 控制模型充分考虑了机组压力，流量的要求和变化，最大限度的接近喘振线，保证工作区域最大。

防喘振控制：

2.4 抽气压力和压缩空气电液调节（ELA）
 在监控系统CIMPLICITY HMI上显示和控制505E，实现对汽轮机转速，抽气压力和压缩机空气负荷的调节。
 通过HMI和505E的配合使用，实现就地/远程控制方式，方便操作人员的控制要求。
2.5 汽轮压缩机组紧急跳闸保护（ESD）
机组停车保护的主要项目包括：润滑油总管压力、安全（速关）油压力、转速、轴振动、轴位移、轴承温度和真空等。所有的保护输出在逻辑上有闭锁功能，以防止如热电阻、热电偶的误动作。整个系统的扫描周期在40毫秒左右，完全能够满足紧急响应的要求。

三、GE Fanuc 的解决方案

3.1 系统结构

本系统采用 GE Fanuc 系列90-30 PLC系统作数据采集和控制，为了保证系统的可靠性，控制部分采用双机热备结构，电源、CPU、通讯模块和Genius通讯总线、以太网通讯模块等都是冗余的。通过双机热备软件MAX-ON配置后，导入Proficy Machine Edition编程软件内，从而实现双机热备功能，保证系统的高可靠性。数据采集部分由三层五个10 槽机架组成，层之间通过Genius总线连接。双机热备部分与数据采集部分利用 Genius Bus Controller (GBC)网络通讯模块通过Genius双总线进行数据的通讯与传输。现场的各类模拟信号、电磁报警接点信号、PLC 输出到现场电磁阀的起停信号等均通过端子排与 PLC I/O 模块相连，实现数据的采集和控制。上位机监控系统为GE Fanuc公司的Proficy CIMPLICITY HMI V6.1来实现数据采集及控制功能。包括2台工程师站和1台操作员站，并且在一个工程师站上集成WebView Server功能，用户就可以通过Windows IE浏览器实现全厂局域网数据浏览功能，便于公司管理层及时了解现场情况。
3.2 软件系统
 下位机系统软件为Proficy Cimplicy Machine Edition
CIMPLICITY ME由Logic Developer(PAC、PLC、PC、State、CNC)，View，Motion Developer等组成。

CIMPLICITY ME不但能够对可编程控制器，分布式 ，嵌入式控制器，数控系统进行编程组态，而且能够对GE的操作面板，工控机和伺服系统进行编程控制。这样，ME将多种控制要求集成在同一个平台下，符合现代控制要求多样性的要求，是一个功能十分强大的系统平台。

如上图所示：ME包含了大量的系统控制功能

ME具有如下几个特点：
 使用CIMPLICITY ME软件，在一个公共的环境用于配置、编程、调试和维护用户程序。
 统一的用户界面
 一个数据库（交叉参考、变量表等）
 符号编程
 即拖即放功能
 Test修改编辑模式
 强大的在线帮助窗口
 支持多种IEC1131语言包括LAD、FBD、SFC、ST和C语言
 热备系统软件MAX-ON
利用热备软件MAX-ON对S90-30系统进行配置后，导入ME中即可实现控制器之间的同步和数据交换。相对于西门子的S7-300软冗余，该系统配置简单、无须编程、数据交换效率更高、稳定性更好、有严格的授权要求。
 上位机软件为Proficy Cimplicy HMI
CIMPLICITY HMI主要有以下几点特性：
 CIMPLICITY HMI包括CimEdit和CimView两大组件。使用CimEdit功能可以非常方便的进行屏幕编辑；CimView作为显示功能使用。
 在HMI中可导入OLE和ActiveX对象，例如趋势、SPC图表及报警浏览器等内容。
 由于采用了开放式的系统设计，其系统数据库登录使用了标准ODBC接口。例如将报警、事件、与数据点值登录到Microsoft Access数据库文件、Microsoft SQL Server数据库或Oracle数据库中去。可以从报表和各种符合ODBC标准的应用程序中检索数据库信息。
 支持VB脚本进行基本的功能控制。
 利用Microsoft C/C  和Microsoft Developers Studio可生成新设备通讯接口，利用该接口访问第三方设备。
 支持OPC，包括OPC客户机和OPC服务器。
 含有报表管理器，很容易生成基本的过程报表。
 支持客户机/服务器结构和服务器冗余功能。
 支持Web Server和Web View功能。
对于本套控制系统而言，最具有价值的是全面的应用了GE Fanuc Proficy系列软件。这样，在S90-30热备系统与工程师站或操作员站之间实现了的无缝高效的结合，无须利用脚本工具进行冗余通讯等额外的编程，这是使用第三方软件难以实现的。CIMPLICI