和利时MACSV6控制系统在国产燃机中的应用

郑炜

[摘    要]CGT25-EB燃气轮发电机组为在国内能源领域某分布式能源站的首台（套）20～30 MW功率等级应用的国产机组，文章从燃机控制系统（TCS）硬、软件的设计、故障和异常的处理、逻辑优化等方面介绍和利时MACSV6控制系統在CGT25-EB燃气轮发电机组首次应用的工程案例，对同类型机组在设计、建造方面等有很好的借鉴意义。

[关键词]国产燃机TCS;和利时MACSV6;设计与应用

[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Hollysys Macv6 Control System in Domestic Gas Turbine

Zheng Wei

[Abstract]Cgt25-eb gas turbine generator set is the first domestic unit （set） with 20 ～ 30 MW power level applied in a distributed energy station in the domestic energy field. This paper introduces the engineering case of the first application of Hollysys macv6 control system in cgt25-eb gas turbine generator set from the aspects of gas turbine control system （TCS） hardware and software design， fault and exception handling， logic optimization， etc， It has a good reference for the design and construction of the same type of units.

[Keywords]domestic gas turbine TCS; hollysys macv6; design and application

长期以来，我国分布式能源站采用的20～30MW功率等级燃气轮机发电机组一直被国外大公司垄断，存在机组采购及维护成本昂贵、采购周期长、技术封锁严重，后期的运维也严重受制于外方，备件供应、技术服务受制于人的弊端。CGT25-EB燃气轮发电机组为在国内能源领域某分布式能源站的首台（套）20～30 MW功率等级应用的国产机组，本文从燃机控制系统（TCS）硬、软件的设计、故障和异常的处理、逻辑优化等方面介绍和利时MACSV6 DCS控制系统在CGT25-EB燃气轮发电机组的首次应用。

本项目工业发电采用的国产25 MW燃气轮机，即CGT25-EB型燃气轮机的研发是基于GT25000船用驱动型燃气轮机优化升级而来，控制系统也需对原船用燃气轮机所用的PLC进行更换升级。

本项目燃机TCS采用的和利时MACSV6系统，是由和利时公司基于先进自动化技术开发的集成工业自动化系统，将多年开发的各种自动化系统和设备进行有机结合，技术更先进，功能更强大。

1 系统硬件配置

燃机TCS控制的最大特点是安全可靠、实时性要求高，图1为燃机控制系统总体框架。3层网络结构，包含系统网、POWERLINK内部总线和IO-BUS总线。实现背板安装方式，提高IO-BUS总线速率，增强抗震性能和系统小型化。基于POWERLINK的内部高速总线，解耦现场总线层、内部总线层、和控制器连接关系。满足快速性和扩容需求。系统配置了两台操作员站，由于燃机联合循环机组的汽轮机、锅炉等也同样采用和利时MACSV6 DCS，故工程师站、历史站及通信站等与机组DCS实现共享。

由于计算机时钟误差的存在，会造成系统报警、SOE顺序事故记录、趋势记录等不能正确记录事件发生的正确时间。所以在DCS内加装了GPS装置，用于统一TCS与DCS之间的计算机时钟和SOE模块的时钟。

2 基于POWERLINK的高速内部总线

目前，虽然燃气轮机的控制方案各有特色，但对燃机TCS的核心控制器的要求比较统一，对控制精度、响应速度和冗余度都提出了很高的要求。

传统控制系统多采用DP或软POWERLINK来实现主卡与分属设备之间通信，DP通信效率低不满足燃机对控制器实时性要求。软POWERLINK协议栈的调用和解析都要通过主控中的任务实现，不能实时解析协议内容，同时又延长了燃机控制器运算控制器的IEC调度周期，影响了燃机控制器控制系统的实时性。

经过对比，本项目燃机TCS采用硬POWERLINK实时以太网处理方法来有效解决通信实时性和主控IEC周期延长的问题，提高了系统实时性，满足燃机高速转动的控制要求。

原理设计如图2所示，采用双CPU配置，其中主处理器执行IEC运算和上位机组态及服务器通信;辅处理器采用ZYNQ实现POWERLINK主站功能并支持双网冗余。

POWERLINK应用层则通过以太网控制器获取当前从站采集到的最新输入数据，填充到输入数据缓冲区，主控在运行过程中通过并口读取共享数据来获取输入数据。

主CPU则通过读取DPRAM中的诊断状态来获取输入数据的有效性，根据输入数据完成IEC运算，刷新输出区数据;主CPU通过并口将IEC运算的输出区数据写入DPRAM，POWERLINK应用层通过以太网控制器发送输出数据至从站。

3 系统软件APS模块化设计

燃机TCS系统中的软件功能主要是通过相关参数和操作流程的设计，实现燃气轮机的一键启停（APS）和运行监控，并且通过软件功能对燃气轮机进行保护，确保燃气轮机能够正常工作。同时实现对整个发电站控制系统提供相应的数据支持。

①燃气轮机APS逻辑在设计上采用模块化设计，即根据机组设备按系统划分为若干个功能组，每个功能组逻辑相对独立，完成的控制功能目标明确。其包括冷吹、启动、运行再到整个机组加载、减载直到停机的整个启、停过程。燃机通过APS逻辑冲转点火并带初负荷的过程中，联动余热锅炉将低压、高压主汽系统升温升压回路自动投入，且汽轮机组两大旁路以及过热减温水自动投入。MACSV6系统在CGT25-EB燃气轮发电机组的APS模块化设计实现了以下功能：燃气轮机冷吹;燃气轮机启动;燃气轮机高压压气机转速控制;燃气轮机动力涡轮转速控制;燃气轮机双燃料切换控制;燃气轮机极限燃料调节;燃气轮机故障保护功能;燃气轮机发电机组有功功率控制;燃气轮机发电机组正常停机控制。②燃气轮机发电机组静态检查;燃气轮机超温、超速保护检查;燃气轮机发电机组预警、限制处理。③历史数据存储、读取以及趋势曲线显示;独立ESD功能。ESD单元对机组重要参数高高及人为ESD指令等独立进行判断并向燃机TCS给出指令，同时执行硬件关断;与用户管理层控制系统或其他系统进行通信。

4 调试过程中出现的问题及解决办法

4.1 转速不稳

CGT25-EB燃气轮机采用磁阻式MPU转速传感器，在试验时发现低转速时数值波动较大，一般出现在1 000 r/min以下，用示波器观察感应波形不规律。检查电缆敷设路径、接地、屏蔽接线等都正确。

经分析此现象应为低速时感应电压较低，线路衰减加上外部干扰对其影响较大。为此，在控制柜信号输入端并接一250 Ω电阻，经试验信号输出稳定。

4.2 振动传感器干扰

CGT25-EB燃气轮机本体振动传感器采用本特利330450高温加速度传感器，该传感器探头安装表面温度及整体硬质电缆最高达400 ℃。在燃气轮机运行至高工况时发现动力涡轮振动传感器出現不稳定尖峰，停机后检查电缆接头、接线无松动现象，电缆屏蔽及接地正确，附近无强电及变频设备干扰源。

经分析可能由于动力涡轮位于燃气轮机排气侧，此处在高工况下温度较高，虽然传感器及整体电缆可耐受400℃高温，但在高温下工作仍会存在不稳定现场。为此，引一路仪表气至探头附近，对其进行冷却。后经启动运行试验观察，此处振动传感器未出现异常。

4.3 燃机启动点火流程优化

启动快速是燃气轮机的一大优点，一般从启动电机拖转至点火的时间不超过200 s。但在联合循环机组中，由于燃气轮机的排气接入余热锅炉，有时在启动时为了将排气系统中的残余天燃气吹扫干净，需要将点火前的拖转时间加长。烟道容积不同，运行及停机情况不同，产生对每次吹扫的时间要求并不一样。针对此情况，修改了启动部分的逻辑，使点火前的拖转时间参数化，此参数的更改不会影响后续逻辑的执行。

4.4 增加金属屑信号器自检逻辑

CGT25-EB燃气轮机在不同的润滑油回油管路上设置了金属屑信号器检测器，用于检测回油中是否含有金属屑，判断燃气轮机内部是否有部件损坏情况。由于燃气轮机出现轴承或内部部件损坏的概率很小，因此金属屑信号器极少动作。在长时间运行后，运行人员无法知道信号器是否还正常工作，一旦该信号器故障，燃气轮机回油中出现的金属屑将无法被检测出来，将会造成严重事故。为此，燃机TCS增加了金属屑信号器自检逻辑，定时向信号器发出检测信号，如果信号器正常工作则会给出反馈信号，否则认为信号器有故障，系统发出报警。

5 结束语

本文介绍了和利时MACSV6控制系统在某分布式能源站国产燃气轮机的典型应用，分析调试过程中出现的问题及解决办法，为相关工程决策、设计人员提供相应的参考，对同类型机组在设计、建造方面等有很好的借鉴意义。

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