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摘要：通过综合西门子S7-1500 PLC的技术特点，结合中小型汽轮发电机组的控制要求，介绍了基于西门子S7-1500 PLC和上位机WinCC的控制系统组成原理和软硬件设计方法。该控制系统实现了汽轮发电机组的DEH控制、联锁保护、调阀控制、电机控制、监测操作等功能。实际运行过程中，维护简单，操作便捷，功能完善，既满足了安全、可靠、连续运行等条件，也达到了技术经济性。

关键词：控制系统；PLC；西门子S7-1500；WinCC

前言：可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，缩写为PLC）起源于1968年，并从20世纪80年代开始飞速发展并被广泛应用的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，专门用于工业生产过程控制的现场设备。PLC具有系统构成灵活，扩展容易，使用方便，编程简单，抗干扰能力强，可靠性高等特点，被广泛应用于各种控制系统领域。

杭州汽轮动力集团股份有限公司与泰国AED公司先后签订了出口泰国的13套10MW和15MW凝汽式汽轮发电机组的合同，用于泰国13个生物质电厂的发电项目。本文针对汽轮发电机组的特点，根据该类型机组项目具体的调节控制要求，重点介绍以西门子S7-1500 PLC和WinCC为主要配置的汽轮发电机组控制系统的设计与应用。

一、汽轮发电机组控制系统的组成和原理

（一）汽轮发电机组控制系统的组成

工业汽轮发电机组主要由汽轮机、齿轮箱、发电机及配套的电机、仪表等辅助设备组成。工业汽轮发电机组的控制系统主要由DEH控制、联锁保护、调阀控制、电机控制、监测操作等部分组成。其中PLC与505调速器、三取二超速保护装置以及电液转换装置等组成了DEH控制系统；PLC和上位机组成了监测操作控制系统；PLC和仪表、速关组件（含停机电磁阀）等组成了联锁保护系统；PLC与传感器、调阀、电机设备等组成了辅助控制系统。以上各部分控制系统确保了汽轮发电机组能正常启动并在额定转速下运行，以此来驱动发电机进行发电工作。

（二）汽轮发电机组控制系统的原理

DEH控制：操作员通过上位机和PLC实现远程发送启动信号至Woodward 505调速器，调速器接收二个转速探头监测的汽轮机转速信号，高选后与内部转速设定值比较，经转速PID放大器作用后，输出4-20mA操纵信号。该信号送经电液转换器I/H （1742） 转换成二次油压信号，二次油通过油动机控制调阀开度，调节进汽量，最终实现转速调节。当转速达到额定后，操作员根据实际运行要求通过上位机设定发电机的功率使机组负荷达到设计要求。

联锁保护：当机组出现超速、位移振动过大、轴瓦温度过高、压力过高或过低等故障时，若达到报警值时，上位机界面会出现报警状态；若达到停机值时，PLC程序会自动发送信号至停机电磁阀和其他相关装置，使机组迅速停机，以此避免事故产生或设备损坏。

汽轮机监测操作：所有转速、负荷、压力、温度、液位、振动位移、设备启停等模拟量和开关量信号输入到PLC模块，经过PLC编程运算后，再送至上位机，对数据进行存储、显示和管理。操作员可以通过上位机来实现对整个工业汽轮发电机组控制系统运行参数的集中监控和管理。

二、汽轮机控制系统的硬件设计应用

（一）控制系统硬件方案

本项目的汽轮发电机组控制系统采用PLC和上位机WinCC作为主要核心的方案。其中硬件PLC采用西门子S7-1500 PLC，主要包括电源模块、CPU模块、数字量输入模块（DI）、数字量输出模块（DO）、模拟量输入模块（AI）、模拟量输出模块（AO）、通讯接口模块、交换机等。通过对控制系统PLC编程组态实现汽轮发电机组的运行和控制。

选用该方案主要是有以下优点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强；

（2）配套齐全，功能完善，适用性强；

（3）体积小，重量轻，能耗低；

（4）易学易用，维护方便，容易改造。

（二）控制系统硬件结构

根据本项目汽轮发电机组控制系统的具体功能要求，硬件结构详细配置如图1所示。

1.数字量输入模块（DI）：主要包括汽轮发电机组转速控制、负荷控制、压力开关、液位开关、行程开关、电机设备状态等信号；

2.数字量输出模块（DO）：主要包括汽轮发电机组转速控制、负荷控制、电机设备启停、复位、旁路等信号；

3.模拟量输入模块（AI）：主要包括汽轮发电机组压力、流量、液位、振动、位移、转速、负荷、温度等4～20mA信号；

4.模拟量输入模块（AI）：主要包括汽轮发电机组轴瓦热电阻（RTD）信号；

5.模拟量输出模块（AO）：主要包括汽轮发电机组转速、负荷、调阀等信号。

三、汽轮机控制系统的软件设计应用

（一）下位机PLC的设计应用

对下位机PLC进行硬件组态是一个程序的开始，根据本项目控制系统的要求，首先完成S7-1500 PLC硬件配置的组态（注：硬件组态的时候硬件组态模块型号要与实物订货型号完全一致），如图2所示。

SIMATIC S7-1500 作为西门子系列高端PLC，具有卓越的性能和可靠性。该项目SIMATIC S7-1500 控制器的编程组态在TIA博途平台实现，TIA博途的版本为SIMATIC Step7 Professional V16，其拥有梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、语句表（STL）等一系列编程语言。SIMATIC S7-1500无缝集成到TIA博途中，极大提高了工程组态的效率。

梯形图（LAD）是与电气控制电路相呼应的图形语言，具有清楚简单、直观易懂的优点。因此在本项目中，主要采用的是梯形图（LAD）编程。程序主要由组织块（OB）、功能块（FB、FC）、数据块（DB）构成，如图3所示。

本项目控制系统全部程序均存放在OB1和OB35中，正常运行时通过OB1和OB35组织块连续不断地循环扫描处理实现对汽轮发电机组的控制。通过各个功能块实现汽轮发电机组的控制功能：

1.DEH控制功能块（FB505）：实现机组的启停、升降速、暖机/额定、转速控制、负荷控制、PLC和DCS远程切换控制等功能，如图4所示；

2.联锁保护功能块（FC300/304/305/310、FB301/302/303/404等）：实现汽轮机、齿轮箱、发电机、其他辅助设备的报警、停机等功能，如图5所示；

3.电机设备控制功能块（FC400、FB400/401、FB410～418等）：实现汽轮发电机组中辅助油泵、事故油泵、排烟风机、凝结水泵电机、汽封冷却器风机、盘车电机、发电机顶轴油泵、进汽闸阀、排缸喷淋装置等设备的启动、停止、联锁等功能，如图6所示；

4.调阀控制功能块（FB501～504等）：实现汽封调阀、液位排放阀、液位循环阀、减温调阀、减压调阀的手动或PID自动的控制功能，如图7所示；

5.通讯功能块（FC214/215/604/605/505等）：汽轮发电机组控制系统PLC与DCS控制系统的数据采集和交换采用Modbus TCP/IP通讯，该通讯既实现了PLC数据在DCS上的同步监测显示，也实现了DCS数据在汽轮发电机组控制系统上的显示，如图8所示；

（二）上位机WinCC的设计应用

作为汽轮发电机组控制系统上位机监控部分，是人机交互的重要手段，必须保证通讯可靠，操作方便。本项目上位机包括DELL工控机、DELL显示器、惠普打印机、WinCC软件等，其中上位机组态软件采用基于TIA博途平台的全新SIMATIC WinCC V16，实现现场数据的实时监控，数据管理，各种设备的远程控制，数据报警显示和记录处理。软件版本包括SIMATIC WinCC Runtime Professional V16 （运行版） 和SIMATIC WinCC Professional V16 （开发版）。

本项目上位机WinCC组态分以下几个步骤：首先在变量管理中将汽轮发电机组控制系统中所有的PLC变量导入WinCC变量表中；然后在HMI报警中添加所有报警信息作为事件记录；接着在记录中添加所需的变量以显示其历史趋势；最后再对每一幅显示界面进行组态设计。本项目各个界面的监测数据或设备状态显示为黄色时表示报警，显示为红色时表示停机，显示绿色时表示正常运行。具体主要包括以下显示监控界面：

1.油系统界面（如图9所示）：该界面主要显示振动、位移、轴瓦温度、油压、液位等参数，以及一些仪表、设备的即时状态；还包括辅助油泵、事故油泵、盘

车电机、排烟风机、顶轴泵油等电机设备的状态监测以及启停和联锁控制功能。

2.蒸汽疏水系统界面（如图10、11所示）：该界面主要显示蒸汽压力、温度、液位等参数以及一些仪表、设备的即时状态；还包括凝结水泵、汽封冷却器风机的状态监测以及启、停控制的功能；汽封调阀、液位排放阀和循环阀、减温减压调阀的手动或PID自动调节控制；抽汽电磁阀和排缸喷淋装置的启停和联锁控制。

3.DEH系统界面（如图12所示）：该界面主要包括机组启动的条件判断，转速控制和负荷控制、断路器状态、同期过程状态、控制权切换等监测和控制功能。在正常运行状态下，通过设定发电机功率，DEH系统将自动进行PID调节来控制机组的进汽调阀开度，以此满足用户发电上网的需求。

4.停机保护系统界面（如图13所示）：该界面包括所有数字量和模拟量的跳闸信号，一旦有信号发生跳闸动作，对应信号就立刻显示为红色。若停机信号的FO显示为红色，则表示该信号为停机首出信号。每一个跳闸信号都能进行单独的旁路处理，方便调试和维修。该界面还能够对PLC，TSI，三取二超速保护装置进行远程复位操作。

5.历史趋势界面（如图14所示）：该界面能显示不同信号的历史趋势，并按类型加以区分。在总历史趋势图中可以直接添加任意信号，方便用户操作和查询。

6.其他系统界面：包括报警联锁界面、I/O归总数据界面、事件记录界面等，可以实现报警联锁，所有信号的实时监测，报警或停机事件的查询等功能。

结论：

基于西门子S7-1500 PLC和WinCC的工业汽轮发电机组控制系统，结构简洁、紧凑，提高了控制程序和人机界面的灵活性。本项目的控制系统中，PLC作为汽轮发电机组的调节控制系统，通过编制控制及通信模块程序，完成汽轮机组所需的数据采集、顺序控制和通讯功能。PLC与其它智能仪表作为现场控制设备，通过Modbus TCP/IP与DCS工业控制微机通信，共同构成分布式监控系统。上位机WinCC作为显示终端，可随时将设备的当前状态及故障信息用文字和图形方式直观显示，便于操作人员掌握设备状态，快速处理故障，是工厂智能化的重要一环。同时，由于省去了大量的现场按钮，指示灯等易损器件，使连线简化，系统的可靠性大为提高，运行成本大大降低。目前该项目2套10MW和1套15MW机组均已投入实际运行发电，其中基于西门子S7-1500 PLC和上位机WinCC的工业汽轮机控制系统运行状况十分稳定良好，不仅为用户的运行操作提供了极大的便利，也为用户带来了非常可观的经济效率和利润。

参考文献：

[1] 刘长青. S7-1500 PLC项目设计与实践. 北京：机械工业出版社，2020.

[2] 古俊杰，丁常富. 汽轮机控制、监视和保护. 北京：北京中国电力出版社，2002.

[3] 张硕. TIA博途软件与S7-1200/1500 PLC应用详解. 北京：电子工业出版社，2017.

[4] 王 渝. 基于PLC的工业汽轮机控制系统的研究. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2006.

[5] 李方园. 西门子S7-1500 PLC从入门到精通. 北京：电子工业出版社，2020.

[6] 向晓汉. 西门子S7-1500 PLC完全精通教程. 北京：化学工业出版社，2018.