摘 要

随着计算机技术的突飞猛进，由计算机替代人的手和眼来监控汽轮机动力装置的运行状况，是船舶动力装置自动化的发展趋势。船舶汽轮主机装置结构越来越复杂，如何确保其安全、稳定和可靠的运行，是其监控系统的重要任务。此外，安保系统对船舶汽轮机设备装置进行监控，当汽轮机发生故障时能够及时的做出相应的措施是非常重要的。

本文在归纳当前国内外船舶汽轮机安全保护系统的优缺点基础上，设计了一套基于ABB AC500 PLC的船舶主蒸汽轮机安全保护系统，其独立于汽轮机监控系统，可以持续监测汽轮主机的状态参数，可对被测参数进行保存和分析，用来评价汽轮主机的运转状况，如果参数越过设定值，一方面发出报警，另外输出切断高压蒸汽，实现汽轮机的安全保护。论文针对汽轮机安全保护系统开展了需求分析，完成了传感器的选型、电气原理图和软件流程设计。

关键词： 汽轮机；PLC；安保系统；传感器

Abstract

With the rapid development of computer technology, with the computer instead of human hands and eyes to monitor the operation of the turbine power plant is the development trends of marine power plant automation. Ship steam turbine host device structure is more and more complex, how to ensure its safe, stable and reliable operation, is an important task of its monitoring system, In addition, the safety system to monitor the ship's steam turbine equipment, when the steam turbine failure to timely make the appropriate measures is very important.

Based on the advantages and disadvantages of the domestic and foreign ship steam turbine safety system, this paper designs a set of main steam turbine safety system based on ABB AC500 PLC, which is independent of the steam turbine monitoring system and can continuously monitor the state parameters of the steam turbine , Can be measured parameters of the preservation and analysis, used to evaluate the operation of the steam turbine host, if the parameters over the set value, on the one hand the alarm, the other output off high-pressure steam, to achieve steam turbine safety protection. In this paper, the demand analysis of steam turbine safety protection system is carried out, and the selection of sensor, electrical schematic diagram and software flow design are completed.

Keywords: Steam turbine，PLC，Safety system，sensor

目录

第1章 绪论 3

1.1选题背景及其意义 3

1.2课题研究的国内外发展现状 3

1.3主要研究内容 5

第2章 汽轮机安全保护系统需求分析 7

2.1汽轮机安全保护系统需求分析 7

2.1.1汽轮机相对膨胀 7

2.1.2汽轮机绝对膨胀 7

2.1.4汽轮机转子轴向位移 8

2.1.5汽轮机振动 8

2.1.6汽轮机偏心 8

2.1.7汽轮机机组滑油供油温度过高 8

2.1.8汽轮机机组滑油供油压力过低 9

2.2汽轮机安保系统设计目标 9

2.3汽轮机安保系统设计采用的技术及措施 10

第3章 传感器选型以及原理 11

3.1传感器原理及参数 11

3.1.1电涡流传感器的原理及参数 11

3.1.2压力传感器的原理及参数 12

3.1.3温度传感器的原理 13

3.2传感器选型 13

3.2.1转速传感器选型 13

3.2.2键相传感器选型 14

3.2.3轴向位移传感器选型 14

3.2.4胀差传感器选型 14

3.2.5振动传感器选型 15

3.2.6机组滑油温度传感器选型 15

3.3.传感器的使用条件 15

3.3.1电涡流传感器的使用条件 15

3.3.2压力传感器的使用条件 16

3.3.3温度传感器的使用条件 16

第4章 ABB AC500系列PLC的介绍 17

4.1PLC的简单介绍 17

4.1.1PLC的主要功能 17

4.1.2PLC的特点 19

4.1.3 PLC的应用领域与发展趋势 19

4.1.4PLC控制系统的设计步骤 20

4.2 ABB AC500系列PLC 21

4.3 ABB AC500通讯方式 22

4.4安保系统开发环境 23

4.5安保系统的电气原理图 25

4.6安保系统的设计 27

4.6.1安保系统流程图 27

4.6.2安保系统AC500 PLC的设计 29

第5章 结论与展望 32

5.1结论 32

5.2安保系统未来发展的展望 32

第1章 绪论

1.1选题背景及其意义

船舶汽轮主机单机功率高、经济性好、重量小、尺寸小、可靠性高、维护方便，是船舶动力重要的发动机形式之一^[1]。由于船舶汽轮主机结构和系统的运转环境的特殊性、复杂性，汽轮机组的故障发生率较高，且故障的破坏性较大，所以船舶汽轮主机需设安全保护装置，以便于对船舶汽轮机超速、振动、转子轴向位移、相对膨胀、绝对膨胀、偏心以及润滑油温度过高等进行监视和安全保护，以保证船舶汽轮机的安全及经济运转。当船舶汽轮机在启动、运行和停机过程中发生异常或系统故障时，船舶汽轮机安全保护系统应该立即起作用，启动信号报警控制系统，放出报警信号，来提醒值班人员引起相应的注意并立即选择相关措施，防止发生事故或者使事态扩大。

船舶汽轮机是高速运转的大型动力设备，船舶汽轮机的启停和平时运行中的众多原因便会引起汽轮机机组状态的改变，如果不进行对其严格的监视和控制保护，很有可能引起汽轮机设备的破坏，而且很可能引来灾难性的后果。船舶汽轮机安全保护系统是一种安全监视系统，是用来连续监测机组启停和运转状态，并且为监测仪表提供众多信号^[1]。当测量数据超过额定值时发生报警安全保护信号，必要时采用自动停机保护措施。并且能够提供故障测量的各种测量数值。汽轮机机械故障诊断理论的研究已日渐成熟，但是怎样将其成果利用到生产生活当中去就成为该项设计的最终目的。汽轮机组破坏后引起的损失是非常大的，所以汽轮机安保系统更加显得非常重要，并且成为船舶汽轮机组的关键组成部分，并且对船舶汽轮机的每项安全保护的精确性和可靠性也提出较高的条件^[3]。

1.2课题研究的国内外发展现状

目前国外汽轮机安全保护系统最具有代表性的有以下3种产品:

1.本特利3500系统 本特利3500系统是当今来说我国大型机组上利用较为普遍的，同时也是本特利公司最为先进的船舶汽轮机安全保护系统，这个系统具有以下主要特点：

1）单元的模块化结构，装于标准确切的框架中，主要有通讯模块、接口模块、电源模块、监测模块、保护模块等；

2）各种监测保护功能模块都有一个单片微控制器，来用于实现各个模块的监测保护能，如自诊断、数据通信、组态设置、报警保护输出等；

3）各模块之间通过RS-232/422/485现场总线和MODBUS协议进行数据通信，最高通信速率115200bps；

4）可以下载到每个模块的非易失性存储器中，并且可以通过组态软件对每个模块进行组态设置；

5）双重冗余供电电源模块；

6）支持带电拔插功能。

2.法国飞利浦MMS6000系统 MMS6000系统是飞利浦公司最优秀的智能型船舶汽轮机安全保护系统，该系统具有以下主要特征：

1）安装于标准框架中的单元模块化结构，主要有汽轮机缸胀模块、润滑油温度模块、轴振模块、轴承振动模块、轴位移模块、转子偏心模块等；

2）内置单片微控制器安全保护功能模块都是双通道，它能够实现模块监测、数据收集、数据通信、安全监测报警等功能；

3）通过RS-232/485总线对模块进行读取模块收集数据和软件组态设置；

4）系统中RS-485总线最多连接31个模块/62个通道，数值通信速率最高为115200bps；

5）双重冗余电源模块；

6）支持带电拔插功能。

3.日本新川VM-5系统 VM-5系统为日本新川公司的智能型数字型船舶汽轮机安全保护系统，该系统具有以下主要特征：

1）单元的模块化结构，主要有轴向位移模块、汽轮机轴振模块、汽轮机转子偏心模块、继电器模块、电源模块、加速度模块快、润滑油温度检测模块、汽轮机差胀模块、缸胀模块、转速模块、通信键相模块等；

2）各监测保护功能模块内置单片微处理器，具有自我诊断功能电源检查、传感器故障等；

3）面板上有LCD显示能力，可以显示测量数值、报警值、间隙电压值等；

4）通过内部跳线和RS-232/485接口设置模块工作方式和参数；

5）通信/键相模块可以通过RS-232/485接口与上位机通信，别的模块无通信接口，数据通信速度最高为115200bps；

6）双重冗余电源模块。

在我国国内现在的安全保护系统主要是利用“主从式分布结构”为主要、辅助用局域网络现场总线和大规模存储器技术。这种网络型安全保护系统用一起监测，分布采集为特点，安全保护系统和全船的自动化系统连网。进而使得安全保户系统的结构性、功能性和可靠性增强，成本也大幅度减少。安全保护系统等成为船舶汽轮机监测记录系统新的趋势，利用计算机对船舶机舱进行系统的技术管制，如自动进行故障诊断监测、预报将要检修的项目所需要的存放位置、类型和时间、按照时间来进行数据的分析计算^[4]。

从上面分析，国外的船舶汽轮机安全保护系统有很多优势，同时也具有以下几点的缺点：

1、我国汽轮机机组运行保护值班人员的操作习性不适合组态分析软件很多为外文界面，运用方法困难；

2、安全保护系统简单起到了基本的安全保护作用，安全保护系统的数值形式没法被国内的各种安全诊断分析软件应用，运用了一些没有必要的系统资料；

3、除了本特利系列，其余安全保护系统的各模块之间较难组合成为网络，每个功能模块的数值通信都是利用较为古老的现场总线，数值传输效率较低；

4、模块供给时间长，类型比较多，以至于备件品种很多并且成本较高。

船舶的安全和船舶汽轮机运行的好坏有着直接的关系。船舶汽轮机系统中某个部件运转如果出现问题，轻会引起汽轮机某些设备损坏，重会将引起船毁人亡的无法想象的后果。所以，防止故障发生，对整套船舶蒸汽轮机动力设备进行状态监测、及时掌握设备状况，以汽轮机设备实际运行状态为基础，在船舶蒸汽轮机动力设备运转管理中具有较大的现实意义^[4]。

1.3主要研究内容

船舶汽轮机在运行过程中，如果信号数值严重偏差正常值，就会影响到船舶汽轮机的运行安全，这时就需要自动关闭船舶汽轮机的主汽门，切断蒸汽来源，使汽轮机停止运转，同时发出声光报警信号，实现汽轮机的安全保护。

本课题主要设计一套基于ABB AC500 PLC的船舶主蒸汽轮机安全保护系统，系统独立于汽轮机监控系统。直接监视船舶汽轮机的典型运转数据，又同时接收从监控系统传送过来的传感器数值，由此来判断汽轮机各个组分的运转状态；安保系统控制汽轮机停机和越控，输出表征汽轮机运行状态的信号；安保系统更具有断线检测和自我诊断功能。设计一套安全可靠的汽轮机安保系统很关键，该文将介绍怎样利用ABB的AC500 PLC创建汽轮机安保系统。本文该系统可编程控制器采用ABB公司AC500系列可编程序控制器，这是性能很高的可编程控制器，在国内外各个行业有较大的成功业绩。