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【论文】MARK VI控制系统(不错的文章,9E燃机控制)


一、概 述 ?MARK VI 控制系统是 GE 公司于 1999 年推出的一种新型控制系统,主要用于 燃机、汽机的控 制,经扩展后也可用于燃机电厂的控制,它是在原 MARK V 控制系统的基 础上发展而成的。 MARK VI 控制系统秉承了原 MARK V 控制系统的一些主要特点, ? 如控 制模块(R,S,T)和保护模块(X,Y,Z)的三冗余 TMR(Triple Modula

r Redundant)结构,软件 容错功能 SIFT (Softwa re Implemented Fault Tolerant)等等,同时也进一步加强了系统的可扩 展性和人机界面的友好度,使控制系统具有更好的适应性和可扩展性。 控制系统的网络 网络架构 三、控制系统的网络架构 ?MARK VI 控制系统的网络架构如图一所示,整个控制系统具 有二层网络:即 PDH 和 UDH。控制系统的控制器通过 UDH 与 HMI 服务器连接,在 PDH 上挂接着操作员站、打印机、历史数据 站等各种外界设备,通过有关端口还可与其他控制 系统通讯,以组成一个更大更完整的系统 。 2.1 厂级数据高速公路网络 PDH(Plant Data Highway) ?PDH 是一个对外界(如:DCS)开放 的网络系统,它将 HMI(Hunan Machine Interface)服务器与操作员站、打印机、历史数据站 及其他控制系统联网, 但是不能与 MARK VI 的控制器直接连接, 只能通过 UDH 与其通讯。 ?PDH 采用 TCP/IP(Transfer Control Protocol/Internet Protocol, 传输控制协议/网际协义)通讯 协议,其通讯方式为广播式,具有载波监听、多路访问/碰撞检测 CSMA/CD(Carrier Sence Multiple Access/JCollision Detection)功能,允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输线 路,各站点平等竞争,使用 32 位 CRC(Cyclic Rendundancy Check,循环冗余校验)的误码校 验技术。 网络速度为 10Mb/s 或 100Mb/s,最多可支持 1024 个节点,当采用双绞线时最长 可传输 100 米,采用光缆时最长可传输 2000 米。 2.2 机组级数据高速公路网络 UDH(Unit Data Highway) ?UDH 用于控制器与服务器之间 机组级数据高速公路网络 的通讯,它不直接对外界开放,只能通过服务器或 PDH 一外界通讯。 UDH 是一个以以太 网为基础的网络,采用以 UDP/IP(User Datagram Protocol/Internet Prot ocol,用户数据报协议 /国际协议)协议标准为基础的 EGD(Ethernet Global Data,以太网全球数据)协议。与 PDH 一 样,UDH 的网络控制方式为广播式,使用 CSMA/CD 技术,误码校验方法也是 32 位 CRC。 可与 GPS(Global Position System,全球定位系统)实现时钟同步,支持的同步信号为: IRIG-A,IRIG-B,NASA-36,定期脉冲等,精度可达±1ms。?最多可支持 10 个节点,节点类型 主要包括:控制器、PLC、操作员站、工程站。网络速度为 10Mb/s 或 100Mb/s,当采用双



线时最长可传输 100 米,采用光缆时最

长可传输 2000 米。 整个控制系统最底层为 I/O 卡件和接线端子板,I/O 卡件通过 IONET 与 探制器 相连,I/ONET 是一种系统内的 I/O 总线,即通常所指的 I/oBUS,用于 MARK VI

控制系统 VCMI 通讯卡、 卡 、 I/O 控制器及保护模件之间的通讯, 它不对外界开放。 I/ONET ? 是一个采用 ADL(Asynchronous Device Language,异步设备语言)协议的以太网,保留了 CSMA 功能。 I/ONET 是一种主/从式通讯结构, VCMI 通讯卡作为主站来挑选哪个从站进 行 数据传输,网络速度为 10Mb/s。使用 32 位 CRC 的误码校验技术。最多可支持 16 个节点, 当采用同轴电缆时最长可传输 185 米,采用光缆时最长可传输 2000 米。 三、硬件配置 ?MARK VI 控制系统的硬件配置,根据控制器的配置情况分为单一控制模 式和三冗余(TMR)模 式,下面仅介绍三冗余模式。 3.1 外设 ?MARK VI 控制系统的外围设备配置可根据用户的要求在一定范围内进行选择, 包括 HMI 的数量、型式规范、LCD 或 CRT 等。 3.2 控制站 ?控制站内控制柜和 I/O 柜的组成。?控制柜中布置有 R、S、T 控制器,通过 三个 IONet 与 I/O 柜相连,同时分别与三冗余的 X、Y 、Z 保护模块通讯,并通过控制器的 以 太 网 接 口 与 UDH 相 接 , 其 典 型 的 TMR 结

构如图二所示。 MARK VI 的控制柜为前开门结构,单门,尺寸为:高 2438mm、宽 1006.3mm、深 600mm,防护等 级为 NEMA1,运动环境温度:0℃-45℃,湿度:5%-95 不结露。?I/O 柜中布置有 I/O 卡、 端子板及电源分配模块(PDM),通过三个 IONet 与控制器相连,并通过预制电缆与端子板相 连。I/O 柜为前开门结构,双门,尺寸为:高 2438mm、宽 1600mm、深 6 00mm,防护等级 为 NEMA1,运动环境温度:0℃-50℃,湿度:5%-95%不结露。?一个典型的完整的 MARK VI 控制系统包括 1 只控制柜和 2 只 I/O 柜,控制柜位于 2 只 I/O 柜之间 ,其中 1 只 I/O 柜 装有 PDM 模块, 电源要求 120/240VAC 和/或 125VDC, 电缆出线可以从顶部也可以从底部。 3.3 I/O 卡和端子板的配置 ?MARK VI 控制系统的大多数 I/O 卡件采用相同的尺寸设计, 和相同的数字信号处理器(TMS32 0C32)。其 CPU 是一个高速处理器,对模拟量和开关量的 采集速度可达 5ms 和 1ms。其中,VCCC 卡和 VCRC 卡可用于 SOE 记录,此时的开关量信 号输入分辩率为 1ms;VCMI 卡为通讯卡,每块 I/ O 卡都会送一个 ID 信号至 VCMI 卡,该 ID 信号包括硬件系列号、版本、代码、固化数字和固化版本。每一类 I/O 卡件都有其特殊 的端子板,其种类及对应关系见表一,I/O 卡件通过 37 针的 D 型连接器与端子板相连。

四、软件功能 4.1 操作系统 ?MARK VI 控制系统的所有操作员站、通讯服务器及工程师站都使用 Microsoft Windows NT 操作系统,在操作员站、通讯服务器上装有 CIMPLICITY 图形显示 系统, 为操作员提供实时环境中的控制和可视化处理, 工程师站运行控制系统的 TOOLBOX 软件,用于系统组态。HMI 中的重要界面通过使用 CimEdit、图形编辑组件及 CimView、高 性能运行观察组件来完成。?MARK VI 的 I/O 系统,由于其 TMR 的特殊要求,采用一种专 用的系统。MARK VI 的控制器采用 QNX 操作系统,这是一个适用于燃机控制保护等高速 自动场合的实时系统。 4.2 应用软件功能 应用软件功能 4.2.1 报警显示记录功能 ?MARK VI 控制系统的报警显示记录功能包括了操作显示、成组 显示、棒状图显示,报警显示及定期记录、事故追忆记录、事故顺序(SOE)记录等功能。 4.2.2 控制保护功能 ?MARK VI 为燃机及其辅助系统提供的典型控制保护功能分成三部 分:调节控制、顺序控制和保护。?调节控制功能包括:?·启动控制;?·转速/负荷的设定 和调节;?·燃机温度控制;?·导叶控制;?·燃料控制;?·发电机励磁系统的设定;?·同 步控制; ·烟气排放控制; ·蒸汽流量隔离控制; ·蒸汽流量控制; ·排汽温度控制; ·轴 ? ? ? ? ? 封蒸气系统控制;?·油系统控制;?·本体疏水系统控制。?顺序控制功能包括:?·燃机辅 助系统顺控;?·启动运行和停机顺控;?·吹扫和点火顺控;?·报警管理;?·同期;?·H2 顺控;?·维修启动;?·跳机和计时器;?·事件计数器(人工启动·点火启动·紧急跳闸·时间测 量表·点火时间·DCS 接口)。 ?保护功能包括: ·超速保护(冗余); ·超温保护(包括发电机); ? ? ?·振动保护;?·灭火保护;?·燃烧监测器保护;?·CO2 火灾保护;?·润滑油压低保护;

?·润滑油温度高保护;?·冷凝器真空低保护;?·汽轮机排汽温度高保护等。 五、与外部的通讯 5.1 与 DCS 的通讯 ?MARK VI 与 DCS 的通讯如图一所示,主要有以下三种不同的方式: ?Modbus 串行通讯;?Modbus 以太网通讯;?GSM 以太网通讯。 5.1.1 Modbus 串行通讯 ?Modbus 串行通讯是 MARK VI 通过其 HMI SERVER 的 RS-232C 串口,采用 Modbus 通讯协议与 DCS 进行串行连接的一种通讯方式。MARK VI 的 HMI 作 为从站对来自主站(DCS 操作员站)的请求作出响应,接收 DCS 发出的逻辑命令和模拟量设 定值指令,并向 DCS 传送有关数据。?其主要特点为:?通讯类型:主从式,全双工,异 步通讯?通讯速率:19200 波特或 9600 波特?传输介质和距离:使用 RS-232C 电缆,不加 调制解调器时,为 15.24 米;使用 RS-485 转换器 时,为 1930 米?传输模式:?ASCII(美 国标准信息交换代码)码模式: 消息中的每个 8Bit 字节作为两个 ASCII 字符发送, 每个 ASCII 字符都由一个十六进制字符组成。 这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到 1 秒而 产生错误。 RTU(远程终端单元)模式: ? 消息中的每个 8Bit 字节包含两个 4Bit 的十六进制字 符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比 ASCII 方式传送更多的数据。?误 码检验方式:?ASCII 码模式:LRC(纵向冗余检测)方式?RTU 模式:16 位 CRC 方式或奇 偶校验方式可选。 5.1.2 Modbus 以太网通讯 ?Modbus 以太网通讯方式采用的是 Moddbus TCP/IP 协议,它是 Modbus 与以太网 ICP/IP 的结合 , TCP/IP 协议中嵌入 Modbus 信息帧, 在 成为 Modbus TCP/IP 协议。?MARK VI 控制器支持 MODBUS 以太网通讯方式作为一个标准的从站界面,以太 网在控制系统的不同部分之间建立了高速通讯,Modbus TCP/IP 协议位于 TCP/IP 协议的顶 层,允许第三方 M odbus 主站计算机用 Modbus 功能代码子集读写控制器中的信号,MARK VI 控制器将对这种命令作出响应。?其主要特点为:?通讯类型:多站以太网 CSMA/CD, 使用 Modbus TCP/IP 协议, 仅作为从站?通讯速率: 10Mb/s ?传输介质和距离: 使用 10Base2 同轴电缆时,为 185 米;使用 10Base2 屏蔽双绞线时,为 100 米;使用 10BaseFL 光缆时, 可达数千米。?误码检验方式:32 位 CRC。 5.1.3 GSM 以太网通讯 ?在实际应用中,MARK VI 往往需要将一些带有高分辩率就地时间 标签的信号如报警信号(25 Hz)、系统事件信号(25Hz)、SOE 信号(1ms)传送至 DCS。MARK VI 采用 TCP/IP 协议的以太 来传送这些带时间标签的数据,另外,CE 公司同时提供了一个 应用层的 GSM 协议。 TCP/IP GSM 协议支持以下 4 类运用层的信息: ? ?管理信息: MARK 由 VI 发送至 DCS,反映通讯链路可用性;?事件驱动信息:当报警发生/清除、系统事件发生 /清除以及 SOE 开关量开/合时,MARK VI 自动将这些信息传送给 DCS,每个逻辑点带有单 独的时间标签。?定期的数据信息:MARK VI 中的所有约 5000 点数据都可以由 DCS 定义 为数据组,加上组时间标签后,以 1S 的周期发送至 DCS。?普通请求信息:由 DCS 发送 至 MARK VI,主要的控制命令和报警队列命令,其中,控制命令 包括:启停命令、升降负 荷命令和模拟量设定点命令;报警队列命令包括:静音和复位命令 。?另外,GSM 以太网 通讯还具备常规以太网通讯的其他一些主要特点。 5.2 时钟同步 ?MARK VI 控制系统的时钟同步系统将 UDH 上的燃机、汽机、发电机控制 及 HMI 的时间统一到 G TS(Global Time Source,全球时间源)时间源。首选的 GTS 为 GPS(Global Positioning Sate llite, 全球卫星定位系统)时间。 一台 HMI 的 PC 机装有一块时间 /频率处理器卡(BC620AT 或 BC 627AT 卡)作为时间主站,从 GTS 获得高精度的时间,使用 NTP (Network Time Protocol,网络时间协议)协议将时间信息用于燃机、汽机、发电机控制, 并通过广播方式或对 NTP 时间询问的方式向时间从站(包括未装时间/频率处理器卡的 HMI PC 机)提供时间信息。 作为冗余配置, 可在另一台 HMI PC 机上装设一块时间/频率处理器卡, 用于备用。当 GTS 的时间主站不可 用时,时间/频率处理器卡将切换至飞轮模式(Flywheel

Mode),不用中断电厂系统时间即可对 GTS 进行维修,此时,每小时的时间漂移量为±2ms; 并且当原时间主站不可用时,所有的 时间从站都会选取备用的时间主站,这样,UDH 上的 所有节点都锁定在同一个时间参考点上 。?MARK VI 可采用的时间源主要有:?(1)调制 模式的 IRIG-A,IRIG-B,2137,或 NASA-36 时间代码信号(调制比率):3:1~6 :1,调 制幅度: 0.5~5V 峰-峰值); (2)直流电平偏移模式的 IRIG-A, ? IRIG-B, 213 7, NASA-36 或 时 间 代码 信号 (TTL/CMOS 兼 容电 压电 平 ); ?(3)1PPS(One Puls Per Second) 脉 冲 信号 (TTL/CMOS 兼容电压电平,准时沿:上升沿);?(4)无信号时的飞轮模式(是电厂的基础时 间源)。 六、结束语 ?2003 年 2 月,在国家计委的统一部署下,经过打捆招投标,我国华东地区的 几个"西气东输"工程配套燃机电站项目,如:半山、张家港、望亭、戚墅堰等,与美国 CE 公司及其中国 技术合作方-哈尔滨电气集团签订了合同, 采用 CE 公司的 9FA 单轴燃气轮机 (包括蒸汽轮机), 其燃气轮机、蒸汽轮机、发电机等将采用 CE 公司提供的 MARK VI 控制 系统控制,该控制系统 的性能和特点将在这几个项目中得到检验和体现。


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