2022年阀冷却保护系统改造研究方案 .pdf

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1、直流阀冷却控制保护系统改造可行性及技术方案研究设计工作内容曾小洋 设计2010 版本上海深洋科技发展有限公司二一年五月六日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。目 录 1研究设计引言 . 31.1编写目的 . 31.2背景 . 31.3定义 . 41.4参考资料 . 42总体设计 . 42.1需求规定 . 42.2基

2、本设计概念和处理流程 . 52.3阀冷却保护系统结构 . 72.4被控对象与程序的关系 . 82.5运行环境 .112.6人工处理过程 .112.7尚未解决的问题 .113接口设计 . 123.1用户接口 . 123.2外部接口 . 123.3内部接口 . 124模拟仿真运行设计 . 134.1运行模块组合 . 134.2运行控制 . 154.3运行测试结果 . 155系统数据 . 155.1晶闸管阀 . 155.2冷却系统 . 155.3设计数据 . 166系统出错处理设计 . 176.1出错信息 . 176.2补救措施 . 176.3系统维护设计 . 187阀冷却保护系统改造方案 . 18

3、7.1制定改造初步方案 . 187.2验证方案仿真运行 . 187.3系统数据记录及资料归档 . 188项目专家评审 . 188.1组织专家评审团 . 188.2系统论证演示报告 . 189项目验收 . 189.1递交系统记录 . 189.2项目文档备案 . 18名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。1研究设计引言高

4、压直流输电技术兴起自20 世纪 50 年代，经过半个世纪的发展，已经成为成熟的输电技术，主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网等方面。随着电力系统技术经济需求的不断增长和提高，直流输电受到广泛的注意并得到不断的发展。 天生桥换流站阀冷却系统主要由内冷却水系统和外冷却水系统组成，目前在线运行的阀冷却系统存在系统设计缺陷和系统设备器件停产等诸多问题。 因此，本项目研究一套能确保阀冷却系统长期稳定运行的阀冷却控制系统技术方案，确保超高压直流输电的安全稳定运行，同时解决控制系统中设备选型通用性问题，最终实现阀冷系统国产化，打破国外产品的垄断，降低系统制造成本，促进民族工业的发展。 晶闸管换流阀是换流

5、站的核心元件，在正常运行时，大电流流过晶闸管时产生高热量，从而导致晶闸管温度急剧上升。如果辅助设备中的阀冷却系统不对晶闸管有效冷却，晶闸管将被烧坏。 阀冷却保护控制系统作为阀冷却的神经中枢 , 其可靠性、稳定性及精确度是阀冷却系统安全运行和执行任务成功与否的重要保障。为保证阀冷却控制系统的稳定性和准确性 , 对其在运行过程中的数据实时性的处理, 和改变控制算法。建立阀冷却保护控制系统设计与仿真实验平台，可以对阀冷却保护系统的数字化设计及设计过程中，以及为阀冷却保护系统改造提供科学的依据。 本改造可行性及技术方案研究设计的主要目的是为阀冷却保护系统控制理论和技术的科研工作提供实验条件。 1.1

6、编写目的根据现有阀冷却保护运行系统，研究一套能确保阀冷却系统长期稳定运行的控制系统及技术改造可行性方案，提供给课题研究组成员和专家评审阅读。 1.2背景本课题是由南方电网公司超高压输电公司天生桥局为了提高超高压直流输电的安全稳定运行，解决现运行系统中的设计缺陷和降低故障发生率，提出了本研究设计课题。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有

7、限公司，1999 年。研究课题名称：天广直流阀冷控制保护系统改造可行性及技术方案研究设计。 项目任务提出方：南方电网公司超高压输电公司。 项目任务承担方：南方电网公司超高压输电公司天生桥局。 项目协助单位：上海深洋科技发展有限公司。 1.3定义换流阀、电导、冷却一次设备、PLC控制器、工艺程序、功能、接口、仿真、WinSPS 、MATLAB、数学模型。 1.4 参考资料a. 天广直流输电天生桥换流站工程施工图设计（编号： 40-B178S-D0483 ）：极 1 阀冷却系统控制； b. 西门子 PLC硬件模块安装规范； c.工业网络通信手册； d. MATLAB 应用 e. 高压直流设备系列国

8、家标准汇编。 2总体设计2.1 需求规定一、本项目的内容主要为以下几个方面： 1)分析、研究现有阀冷控制系统设备功能和接口。 2)分析、总结现有国内外阀冷控制系统实现方案。 3)建立现有阀冷控制系统数学模型。 4)分析阀冷控制保护系统改造的可行性。 5)设计阀冷控制系统运行程序。 6)模拟仿真运行控制系统。 7)研究阀冷控制保护系统改造的初步实现方案。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严

9、禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。二、解决以下缺陷问题： 1)跳闸继电器为常励磁的，容易导致跳闸继电器损坏； 2)压力传感器对空气太敏感，能否改称其他探头； 3)没有人机界面，增加可视化人机界面； 4)只能通过修改软件来修改定值； 5)不能记录故障时刻前后的模拟、数字输入量； 6)内冷水漏水检测逻辑不完善，能否改成其他逻辑，比如变化量； 7)传感头的故障判别逻辑没有； 8)主泵、喷淋泵的切换周期利用计数器继电器的脉冲来计数，能否完成用软件实现； 9)内冷水温度的控制能否实现闭环控制，使内冷水保持在一个恒定的温度； 10) 内冷水多少的流量能保持发热设备

10、正常运行； 11) 不能手动切换主泵和喷淋泵； 12) 两个探头怎么在跳闸、报警逻辑中实现冗余，比如内冷水电导率。 13) 风扇的转速改变能否通过其他方式实现，目前的方式是通过变频器来实现； 14) 两套冗余的控制设备在跳闸上是二取二，还是二取一； 15) 一次设备的发热量与负荷之间的关系是什么； 16) 内冷水温度与内冷水流量、负荷大小之间的关系到底什么？ 17) 电导率多少是允许范围； 18) 主泵切泵时，内冷水压力降低怎么解决，主要是区别是否真实压力低。 2.2 基本设计概念和处理流程一、 阀冷却系统原理图 阀冷却系统的工作原理如图2-1 所示。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

11、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。图 2-1 阀冷却系统原理图 整个阀冷却系统内冷水系统组成，组要包括主水回路和水处理回路两个部分。1)主水回路 在主水回路中，冷却水通过晶闸管阀和冷却塔来构成循环回路，涉及到的设备是主循环泵、晶闸管阀冷却塔。 2)水处理回路 水处理回路中包括离子交换灌、膨胀灌和补水泵。 二、 阀冷却控制工艺流程图 名师资料总结 - -

12、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。图 2-2 阀冷却控制工艺流程图 2.3 阀冷却保护系统结构系统结构的总体设计包含控制系统和信息反馈控制系统以及执行机构三大部分组成。控制系统负责处理现场数据和反馈数据信息并解算运行控制参数。目前这一部分多采用基于MCU,DSP 和 FPGA 构成的嵌入式数字控制装置。 在本系统中，根据阀冷却系统的

13、工作原理和阀冷却控制工艺流程，我们利用高性能的西门子 PLC作为阀冷却保护系统的主控核心单元。如图2-3 阀冷却保护控制系统结构图，整个系统由现场检测和执行控制单元层、操作控制单元层、上位机操作监控层组成。系统设备之间利用通信的方式实现数据信息之间的传递和对一次设备的操作执行控制。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999

14、年。图 2-3 阀冷却保护系统结构图 图 2-4 S7-300 PLC 站及变频器硬件结构图 系统包含： 1)上位计算机站 2)西门子 PLC站 3)变频器、软起动器 2.4 被控对象与程序的关系系统被控制对象和程序之间的关系如表2-1 所示，表 2-1 说明各项控制功能需求的实现同各块程序的分配关系。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发

15、展有限公司，1999 年。表 2-1 系统被控制对象和程序之间的关系 被控对象（设备） 控制程序 算法程序 中断程序 主水泵-1 主水泵-2 补水泵-1 补水泵-2 冷却塔风扇-1 冷却塔风扇-2 冷却塔风扇-3 塔 1 喷淋泵-1 塔 1 喷淋泵-2 塔 2 喷淋泵-1 塔 2 喷淋泵-2 塔 3 喷淋泵-1 塔 3 喷淋泵-2 电导监测 输入输出水温度 膨胀箱水位 喷淋水水位 压力监测 温度控制 压差监测 电流功率监测 跳闸监测 时间同步 离散警告、报警 事件警告、报警 故障报文信息 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

16、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。图 2-5 程序列表 图 2-6 程序结构 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。图 2-7 PLC

17、和 HMI接口 2.5 运行环境一、本阀冷却保护控制系统工艺程序运行环境： 1)S7 300/400 系列 PLC硬件模块 2)PLC编程软件（Step 7 V5.4 SP5） 3)人机界面（HMI ）触摸屏 4)仿真软件 5)开发工具软件 6)Windows操作系统计算机 二、一次检测设备和执行机构 1)现行的一次设备 2)根据控制要求添加 2.6 人工处理过程在本系统的工作过程中不得不包含的人工处理过程（如果存在）。 2.7 尚未解决的问题在概要设计过程中尚未解决而认为在系统完成之前必须解决的各个问题。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

18、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。3接口设计3.1 用户接口通过人机界面（HMI ）操作面板，操作人员可以对阀冷却系统进行操控和对电导、温度控制和水位监测、压力差异等数据的实时性的监控；以及故障报文信息提示，缩短维护时间。 3.2 外部接口所有一次设备的信号检测，都通过PLC的数字量输入模块和模拟量输入模块相连接，由PLC CPU 读取信号状态值，根据工艺控制程序进行运算，把运算的结果输出到PL

19、C的数字量输出模块和模拟量输出模块，驱动外部一次设备执行机构，实现机电自动控制运行。 3.3 网络接口本系统设备之间的内部接口有工业以太网、 MPI多点接口、ProfilBus现场总线等通信接口，实现系统集成，如图3-1 网络通信拓扑图。 图 3-1 网络通信拓扑图 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。4模拟仿真

20、运行设计4.1 运行模块组合根据上述冷却系统的工作原理, 本模拟仿真实验平台的设计主要包括PLC模拟仿真运行控制实验平台, 构建成用于阀冷却保护系统设计与仿真的半实物仿真实验平台。 阀冷却控制系统半实物仿真实验平台设计原理半实物仿真是利用数学模型替代部分真实的物理部件进行系统性能研究的方法。半实物仿真一般使用专门设计的计算机作为数学模型平台运行的平台, 上面运行着那些不易或是不便采用真实设备部分的数字动态仿真模型。这个仿真计算机平台同时还具有将数字计算量转化为真实电信号或是将外界的电气信号转变为计算数字量的 I/O 接口设备, 以实现数学模型与仿真平台以外真实物理系统之间的相互作用。见图 4-

21、1 PLC 硬件仿真软件运行平台。 图 4-1 PLC 硬件仿真软件运行平台 半实物仿真实验平台设计原理，本阀冷却保护控制系统半实物仿真实验平台以PLC硬件仿真软件运行平台进行设计。 当采用 PLC硬件仿真进行控制系统设计时, 系统中所有的环节都通过 Win SPS动态模型仿真进行检验。各个子系统利用Win SPS 的各种专业工具箱独立分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用

22、、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。和设计。设计过程中各分系统随时可以将各自的程序模型部分集成起来运行 , 根据时域计算结果评价分系统的设计并协调改动。 由于使用 Win SPS仿真模型作为设计信息载体, 无需依赖真实的产品设备就可以测试分系统, 或是各系统集成测试。 在本仿真实验平台中, 数学仿真模型代码通常在更底层的实时操作系统 (RTOS) 控制下运行并通过硬件 I/O 接口与外界进行数据交流。实时操作系统保证了数学模型的动态特性与所模拟的实物系统具有相同的时域特性。 集成控制与精确控制仿真实验在阀冷却保护控制系统中 , 为了实现更为精确的控制目的,常常采用多

23、种模式的控制方式系统构成集成系统 , 这在很大程度上增加了控制系统的复杂性。系统复杂度的增加相应地对阀冷却控制过程中数据的实时处理提出了更高的要求 , 而算法也会变得越来越复杂。因此只有实现了数据处理的实时性并解决了算法的复杂性才能够有效保证控制系统目标的准确性。 部分电气设备和仪表的仿真将通过MATLAB 软件来模拟仿真实物，此外, 在该平台基础上,还可以进行多源数据融合技术、复杂控制算法等的研究。 本系统实时仿真与MATLAB、 PLC Sim 无缝集成, 可直接将使用MATLAB、PLC Sim 搭建的各分系统数学模型下载到其硬件平台上实时运行 , 可以实时地反映各分系统在不同条件下的行

24、为特性。同时, PLC Sim系统具有丰富的真实物理接口, 可将各种特性通过不同类型的信号对外输出, 因而可进行真实设备的物理连接协同仿真 , 即可完成半物理仿真的功能。PLC Sim实时系统具有实时性强, 可靠性高, 扩充性好等优点。系统采用高速处理器, 计算能力强且支持并行运算, 可构成并行处理机制来对大型计算实施分布式计算 , 达到并行计算的功能。系统配备了丰富的I/O支持, 可以根据需要进行组合; 软件环境的功能强大且使用方便, 包括实现代码修改、下载和试验、调试的整套工具。 控制系统程序代码, 运行在PLC Sim平台上， 通过 PLC Sim硬件平台上的虚拟接口(A/D, D/A,

25、 DIO 等) , 模型所生成的代码就处理真实的物理设备的信号 , 实现与最终产品同等的功能。实验过程中, 通过 PLC Sim的监控软件界面可以在线观察系统中所有工作环节的数据。经过验证所确认的设计, 用于产品开发时可能出现的问题就会大大减少 , 可以加快研发进程并确保设计质量。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999

26、 年。4.2 运行控制阀冷却保护控制系统中所有的一次设备的运行控制方式方法和操作步骤。 4.3 运行测试结果记录说明设备运行的状况。 5系统数据5.1 晶闸管阀列出本系统内所使用的每个系统参数数据结构及名称、变量标识符以及它们之中每个数据项、记录、定义、长度及它们之间的层次的或程序之间的相互关系。 1)晶闸管阀中的压降； 2)一个双重阀中的整个水容量； 3)一个双重阀冷却阀回路中的最小流量。5.2 冷却系统列出本系统内所使用的每个过程变量的数据结构和每个数据项的存储要求，访问方法、存取单位、存取的物理关系（索引、设备、存储区域）、设计考虑和保密条件。 1)主冷却设备 项目名称 参数 备注 设计

27、压力 试验压力 冷却介质 设计冷却水温 通过阀的最小流量 冷却水处理回路中最小流量 补水流量 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。20 度运行时最大电导率 最大含氧量 膨胀灌的最小容量 离子交换灌中最小活动容量 离子交换灌中树脂消耗量 补水和离子交换灌中树脂的最小容量2)冷却塔 设计压力 试验压力 设计环境温度

28、最小环境温度 设计冷却水温度 冷却介质 最大环境温度时冷却塔的冷却容量 每极冷却塔数量 每个冷却塔中风扇的数量 整个系统的流量 每个冷却塔中的水流量 3)软化设备 设计环境温度 最小环境温度 5.3 设计数据系统主要技术参数 设计数据 数值 单位 备注 主水泵-1 主水泵-2 补水泵-1 补水泵-2 冷却塔风扇-1 冷却塔风扇-2 冷却塔风扇-3 塔 1 喷淋泵-1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所

29、有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。塔 1 喷淋泵-2 塔 2 喷淋泵-1 塔 2 喷淋泵-2 塔 3 喷淋泵-1 塔 3 喷淋泵-2 电导监测 输入输出水温度 膨胀箱水位 喷淋水水位 压力监测 温度控制 压差监测 电流功率监测 跳闸监测 时间同步 离散警告、报警 事件警告、报警 故障报文信息 6系统出错处理设计6.1 出错信息记录说明每种可能的出错或故障情况出现时，系统输出信息的形式、含意及处理方法。 6.2 补救措施说明故障出现后可能采取的变通措施，包括： a)后备技术说明准备采用的后备技术，数据不达标与预期设计目标值不符； b)降效

30、技术说明准备采用的后备技术， 使用另一个效率稍低的系统或方法来求得所需结果的某些部分，例如一个自动系统的降效技术可以是手工操作和数据的人工记录； c)恢复及再启动技术说明将使用的恢复再启动技术，从故障点恢复执行还是重启运行的方法。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 18 页 - - - - - - - - - 知识产权所有，未经许可，严禁复制、使用、或向第三方公开。 ? 上海深洋科技发展有限公司，1999 年。6.3 系统维护设计说明为了系统维护的方便而在程序内部设计中做出的安排，包括在程序中专门安排用于系统的检查与维护的检测点和专用模块。 7阀冷却保护系统改造方案7.1 制定改造初步方案7.2 验证方案仿真运行7.3 系统数据记录及资料归档8项目专家评审8.1 组织专家评审团8.2 系统论证演示报告9项目验收9.1 递交系统记录9.2 项目文档备案名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 18 页 - - - - - - - - -