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8 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 2年 6月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 6 0 0 8 2 0 3 基于 Wi n C C V 6 ． 2及 S 7 2 0 0 P L C的冷却 塔 风机监控 系统研 究 术 陈建平施晓宽董 伟王洋新 天津科技大学 机械工程学院， 天津 3 0 0 2 2 2 Re s e ar c h o f Co o l i n g To we r F a n Mo n i t or i n g Sy s t e m B a s e d o n W i n CC V6 ． 2 a n d7 - 2 0 0 PL C CHE N J i a n p i n g ， S HI Xi a o - k u a n ， DONG We i ， WANG Ya n g - x i n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ， C h i n a 【 摘要】 针对国内外冷却塔风机故障报警装置误报漏报严重问题，在研究主要故障发生机理的 基础上， 设计了一种用于冷却塔风机的新型故障监控 系统 。主要监控风机叶片和传动轴失效断裂情况， 及时报警停机 ， 避免叶片或传动轴甩出砸坏相关设施的经济损失。该监控 系统采用西门子 S 7 2 0 0系列 P L C和 Wi n C C监控软件相结合的监控模式 ，采用 S 7 2 0 0 P C A C C E S S作为 O P C服务器实现 P L C和 Wi n C C监控软件之间的通讯。 生产实践证明， 此监测系统明显提高了风机故障监控的可靠性， 能够有效 地减少风机重大事故的发生， 具有良好的推广应用价值。 关键词 冷却塔风机； S 7 2 0 0 P L C； OP C； Wi n CC； 监控系统 【 A b s t r a c t 】I n a l l u s i o n t o t h e s e r i o u s p r o b l e m off al s e a l a r m a n d m i s s e d a l arm s o fc o o l i n g t o w e r f a n a t h o me a n d a b r o a d ， a n e w f a i l u r e m o n i t o r i n g s y s t e m o fc o o l i n g t o w e r f a n W a S d e s i g n e d b aSe d o n t h e r e s e arc h o f o c c u r r e n c e m e c h a n i s m of m a i n f a i l u r e s ， w h i c h W aS m a i n l y u s e d t o m o n i t o r t h e f r a c t u r e f ai l u r e oft h e b l ade s o f c o o l i n gt o w e r f a n and i t s d r i v e s h a f t ， and g i v e a n a l arm t o s t o p t h e f a n i n t i m e t o a v o i d t h e e c o n o mi c l o s s c a u s e d b y t h e d a ma g e d e q u i p m e n t b e c a u s e oft h e t h r o w i n g o fb l ade s o r d r i v e s h s y s t e m ado p t e d t h e mo n i t o r i n g m o d e c o mb i n i n g s i e me n s 7 - 2 0 0 s e r i e s P L C w i t h Wi n C C m o n i t o r i n g s of t w a r e w i t h 7 - 2 0 0 P C A C C E S S b e i n g a s i t s O P C s e r v e r t o r e ali z e t h e c o mm u n i c ati o n b e t w e e n t h e 7 - 2 0 0 P L C a n d Wi n C C s o ftw a r e ． I t h a s b e e n f o u n d t h at t h e m o n i t o r i n g s y s t e m i m p r o v e s t h e r e l i a b i l i t y o f f ai l u r e m o n i t o r i n g o f c o o l i n g t o w e o b v i o u s l y ， w h i c h r e d u c e s e f fic i e n t l y t h e g r ave acc i d e n t o f c o o l i n g t o w e r f a n ， t h e r e f o r e i t i s v alu a b l e i n p r o m o t i o n a n d a p p l i c ati o n ． Ke y wo r d s Co o l i n g To we r F a n； 7 - 2 0 0 P LC； OPC； W i n CC； M o n i t o r i n g S y s t e m 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 弓I 言 工 业 循 环 水 系 统 ， 其 主 要 作 用 是 将 热 的 工 业 用 水 强 迫 冷 却 ， 达 到 冷却塔风机广泛应用于石油、 化工、 电力、 冶金、 纺织等行业 水的循环使用目的⋯ 。 目前普遍使用振动报警器进行故障报警 ， 由 ★ 来稿日期 2 0 1 1 - 0 8 0 6 ★ 基金项目 天津市2 0 1 0 年应用基础及前沿技术研究计划重点基金资助项目 1 0 J C Z D J C 2 3 3 0 0 理论修磨量的修磨偏差控制在 0 ． 0 2 3 0 ．0 2 5 m m之间， 满足精加 工的精度要求， 证明该套在线测量与修磨系统是可行的。 图 7实验结果 6 结论 天线罩是典型的复杂曲面硬脆材料零件。按电厚度指标要 求修磨其外廓面是天线罩精加工的重要内容。 其技术实质就是实 现 自南曲面上任意点按任意要求去除量修磨加工的精密测量与 加工技术， 属自由曲面精密加_T范畴， 具有极大的难度 。 针对这 一 技术难题，分析了天线罩 件的结构特点和加工的精度要求， 提H { 了天线罩外廓形数字化测量与精密修磨的关键技术和解决 方法， 包括天线罩技术要求分析， 外廓形的测量与数据处理等。 开 发了相应的软硬件系统， 通过实验验证了该技术的正确性与合理 性， 论述了天线罩外廓形精密测量与修磨装备的设计思想和实现 方案。 参考文献 [ 1 ] 彭望泽． 防空导弹天线罩[ M] E 京宇航出版社， 1 9 9 3 ． [ 2 ] 刘晓春．机载雷达罩制造 中的电厚度监控技术[ J ] ． 飞机设计 ， 1 9 9 8 ， 1 2 4 l 0 1 5 ． 2 4 ． [ 3 ] Z ．Y．J i a ， T ．J i ， D ． M．Gu o a n d G ． H．B i n a ．A P r e c i s i o n G ri n d i n g T e c h n i q u e o f R a d o me I n n e r S ll d a c e s l J J ． K e y E n g i n e e r i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 4 ， 2 5 7 - 2 5 8 l 7 7 一l 5 2 ． [ 4 ] A p p a r a t u s f o r m a c h i n i n g r a d o m e w a l l s t o c o n t r o l l e d e l e c t ri c a l t h i c k n e s s 【 J J ． U n i t e d S t a t e s p a t e n t o f fi e e ， 1 9 6 8 2 8 2 4 - 9 1 3 ． [ 5 ] 季田．天线罩内廓形精密测量与修磨工艺技术研究[ D ] ． 大连 大连理 工大学 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ]L i n C J ． A s y m p t o t i c c o n v e r g e n c e o f a n S MO a l g o ri t h m w i t h o u t a n y a s s u m p t i o n s [ J ] ．1 E E ET r a n s o nN e u r a l N e t w o r k s ， 2 0 0 2 ， 1 3 2 2 4 8 - 2 5 0 ． [ 7 ] 李良敏， 温广瑞， 王生昌．基于遗传算法的回归型支持向量机参数选择 法 [ J ] ．计算机工程与应用 ， 2 0 0 8 ， 4 4 7 2 3 2 6 ． [ 8 ] 葛哲学， 孙志强． 神经网络理论与 M A T L A B R 2 0 0 7 实现[ M] ．北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 o 7 9 ． 第 6期 陈建平等 基于 Wi n C C V 6 ． 2 及 S 7 2 0 0 P L C的冷却塔风机监控 系统研 究 8 3 于工作环境恶劣复杂， 漏报误报问题严重 ， 风机传动轴和叶片断 裂砸坏相关设施造成经济损失和停产的情况时有发生口 。 研究开发一种基于 7 - 2 0 0系列 P L C控制 的新型冷却塔风 机远程实时监控预警系统， 其具有对故障反应灵敏， 无漏报误报， 高可靠性的特点， 使之成为现有振动报警器的替代产品。该研究 成果获 2 项国家专利 专利号 1 7 2 5 8 3 5 ， 1 7 2 2 7 0 6 。 2系统的总体设计 2 ． 1叶片和传动轴断裂机理的分析 系统以8 ． 5 3 m风机为监控对象。冷却塔风机常见故障是叶 片断裂和传动轴上联轴器螺栓的断裂导致叶片或传动轴甩出打 坏相关设施。 叶片断裂部位普遍位于根部， 这是由于叶片与轮毂连接， 使 叶片成悬臂梁形式 ，轮毂通过叶片根端将驱动力作用在叶片上， 因此叶根的载荷最大 。 当风机运行时 ，在主要 由气动力形 成的载荷和重力 的作用 下， 叶片的根端受到较大的剪切力、 挤压力， 最终造成叶片根端发 生疲劳断裂。 对于传动轴来说， 由于制造和安装细长传动轴难度大， 不可 避免的存在制造和安装误差，使细长传动轴产生较大不平衡惯 量， 机组在高速运转过程中， 联轴器螺栓承受高频交变载荷作用， 并且随运行时间的延长， 受力状况不断恶化。螺栓与螺孔产生摩 擦磨损， 最终产生疲劳断裂， 导致传动轴甩出。 2 ． 2 叶片和传动轴的监控原理 在对叶片和传动轴断裂机理和过程现象进行理论分析和大 量实验研究的基础上13 1 ， 采用非接触型传感器实时监测叶片和传 动轴的运行状态。 对于叶片的监控方法是在风筒侧壁上的叶片旋转平面上设 置非接触型传感器， 如图 1 所示。其监控原理是 风机工作时， 风 机每旋转一圈， 传感器将接收到与叶片数量相同的脉冲信号。 风机正常运行时， 则两相邻叶片经过传感器产生的脉冲信 号会有一个时间间隔 △ f ， 其大小由下式计算 At r R／ m 6 0 ／ n 式中 R 一风机直径 ； 一 叶片数量。 当叶片将要断裂而产生较大变形时，传感器接收到的脉冲 信号的时间间隔将产生明显变化， 当超过预设值时监控系统发出 报警并根据预设 自动停机。 图 1叶片故障监测传感器布置图 对于传动轴监控 ，在靠近减速器的一端两半联轴器上分别 安装一个信号发生器， 两者在圆周向有设定偏角。在两个信号发 生器的旋转平面上各固定一个非接触型传感器， 如图2所示。风 机运转时， 传动轴每旋转一周 ， 两传感器各接收一次信号发生器 发出的脉冲信号， 两信号有时间差 。系统实时监测该时间差。 当联轴器螺栓将要断裂而产生屈服变形时， 该时间差将产生明显 变化， 此时报警输出并根据预设自动停机。 图2传动轴故障监测传感器布置图 监控系统重点监控叶片和传动轴的故障。为了克服电网电 压或负荷的波动可能造成风机转速发生微小变化的影响， 在编制 程序时， 计算的时间差 的基础上加 1 0 ％的裕量。 在叶片或传动 轴出现预知断裂征兆时， 在0 ． 3 s内本监控系统输出报警信号， 并 根据预置自动停机， 达到故障预警报警， 防止扩大损失。 监控系统 还具有监测减速箱油温的功能。 2 ． 3远程监控系统的设计 监控系统通过s 7 2 0 0 P L C进行信号的采集， 通过 C P 2 4 3 1 通讯处理器与上位机进行通信。采用 s 7 2 0 0 P C A C C E S S作为 O P C服务器实现 S 7 2 0 0 P L C和 以 Wi n C C为 O P C客户端 的监控 软件之间的通讯㈨ 。 监控系统的总体设计， 如图 3 所示。监控系统对风机的重点 部位进行持续监控， 保证数据的实时性和准确性。 网络打印机 图 3冷却塔风机监控系统总体框 图 3 S 7 2 0 0系列 P L C系统设计 3 ． 1 S 7 2 0 0系列 P I G的硬件设计 系统需有 9 个数字量输入、 3 个模拟量信号输入和 1 个数字 肾 机械 设 计 与制造 NO ．6 J u n ． 2 0 1 2 量输 出点 ， 并要求与上位机进行通讯15 ／ 。经查询 S 7 2 0 0 P L C产品 手册 ，选用 C P U 2 2 4 C N型号的 P L C ， 1 个 E M2 3 5 模拟量扩展模 块和 1 个 C P 2 4 3 1 通讯处理器 。I ／ O及 A1 分配 ， 如表 1 所示 。 表 1 I ／ 0及 A 1 分配表 3 - 2 S 7 2 0 0系列 P L C的软件设计 在 S T E P 7 一 M i c r o Wi n软件中编辑监控系统程序，程序流程 网 ， 如图 4所示。 图 4程序设计流程图 4操作层设计 4 ． 1利用 P CA C CE S S建立 OP C服务器 图 5在 P C A C C E S S中建立变量连接 P C A C C E S S是专门为 s 7 2 0 0系列 P L C所作的 O P C服务 器。 表 1 中的符号地址分别对应 P C A C C E S S中的各个项目， 建立 的变量 ， 如图 5所示。 4 ．2在 Win C C的OP C客户端建立链接 Wi n C C与现场 s 7 2 0 0系列 P L C建立连接， 在 Wi n C C中添 加 O P C的通讯驱动程序， 从而建立与 O P C服务器之间的通信联 系 。 4 ． 3 Wi n CC系统组态 在 Wi n C C监控界面中， 主要包括冷却塔风机的叶片状态、 传动轴状态和减速箱油温状态[8 1 。如图6所示。在主控画面中， 如果系统运行正常， 叶片和传动轴的状态指示灯为绿色， 一旦出 现异常， 状态指示灯则显示为红色。减速箱温度报警阈值可根据 要求设定 。 图 6实时监控界面 5监控系统的调试和运行 对监控系统的各部分调试完成后 ， 运行系统， 观察监控界面 能否准确地反映实际系统的运行状态。经过反复调试后， 该监控 系统能够完全准确地监控各个信号的状态， 达到监控冷却塔风机 各关键部位运行状态的 目的。 6结束语 在分析掌握冷却塔风机主要故障发生机理的基础上 ，设计 了一种基于 Wi n C C V 6 ．2及 s 7 2 0 0 P L C的冷却塔风机重点部位 运行状态的监控系统。 经过在化工企业循环水系统的 8 5 3 m 的风机 的实际应 用 ， 证明该监测系统应用 良好 ， 有效地避免了风机故障的发生， 保证 了生产的安全运行 。 参考文献 [ 1 ] 李奕． 凉水塔风机网络化在线监测与故障诊断系统研究[ J j l 石油化工 设备技术 ， 2 0 0 2 8 4 5 - 4 6 ． [ 2 ] B R O T H E R F O N T 2 0 0 0 P r o g n o s i s o f f a u l t s i n g a s t u r b i n e e n g i n e s [ J j ． A e r o s p a c e C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g s 。 2 0 0 0 6 1 6 3 1 7 1 ． [ 3 ] L l J ， YO O J P r o g n o s i s o f g e a r t o o t h c r a c k g r o w t h [ C ] ／ ／ P r o e 5 2 n dMe e t i n g o f t he S o c i e t y o f Me c h a n i c a l F a i l u r e s P r e v e n t i o n Te c h n o l o g y， 1 9 9 8 41 9 4 2 8 ． 1 4 J S I E ME N S ．S I MA T I C N E T I n d u s t r a l C o mm u n i c a t i o n w i t h P G P C M a n u a l ， 2 0 03 ． 4 3 ． [ 5 ] 朱文杰．s 7 2 0 0 P L C编程设计与案例分析[ M1 ． 北京 机械 I 业出版 社， 2 0 0 9 8 1 6 ] 西门子 中国 有限公司．S 7 2 0 0系列 P L C产 品目录， 2 0 0 4 ． [ 7 j O P CD a t aA c c e s s C u s t o mI n t e r f a c e S t a n d a r dV e r s i o n 3 ．0 0 ， 2 0 0 3 ， 4 3 ． [ 8 ] 苏昆哲． 深入浅出西门子 Wi n C C V 6 [ M] 一 京 北京航空航天大学出版 社 ． 2 0 0 4 ．
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