性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

柴油發(fā)電機組電氣控制系統說(shuō)明書(shū)

 

摘要：柴油發(fā)電機組的電氣控制系統包括各種傳感器、啟動(dòng)電路、柴油機控制及保護、發(fā)電機勵磁控制及保護、并聯(lián)運行控制、通信及監控、供配電控制及各組成電氣元件。因此，柴油發(fā)電機組的電氣控制系統是發(fā)電機組啟動(dòng)、運行、監控、調節、保護、輸出電能和通信的控制中心，是不可缺少的重要組成部分，也是近年來(lái)發(fā)電機組發(fā)展最快的技術(shù)。柴油發(fā)電機組控制系統從一開(kāi)始手動(dòng)控制、半自動(dòng)、全自動(dòng)、發(fā)電機組一體化控制直到現代的云服務(wù)的遠程控制系統；控制屏從指針儀表發(fā)展為數碼顯示及液晶顯示等。

 

一、柴發(fā)控制系統軟硬件設計

 

      柴油發(fā)電機組因其本身的特點(diǎn)要將控制系統安裝在發(fā)電機組的控制柜內，控制系統的硬件設備設計有自身的要求以及技術(shù)指標，因此，柴油發(fā)電機組的控制系統硬件設計要滿(mǎn)足柴油發(fā)電機組功能技術(shù)指標要求。

1、控制系統的硬件設計

（1）控制系統的CPU

     CPU是柴油發(fā)電組控制系統中的中心環(huán)節，主要是協(xié)調控制系統的組織以及運行等的工作，當前國內外的控制系統中通用的是高性能微處理器，用戶(hù)通過(guò)人機對話(huà)的方式對監控的參數進(jìn)行部分修改就可以實(shí)現柴油發(fā)電機組的監控需求。單片機作為高性能、低電壓的設備，可以作為控制系統的中的CPU,單片機可以反復擦寫(xiě)，因為其高密度以及較強的存儲技術(shù)可以較好的實(shí)現監控，單片機內還設有定時(shí)器，可以自動(dòng)捕獲和重裝載，這樣可以更好地實(shí)現監控設計。

（2）頻率檢測

      頻率檢測是柴油發(fā)電機組中檢測發(fā)電質(zhì)量的很重要的指標，因此，需要進(jìn)行設計的控制系統要準確、及時(shí)的對發(fā)電機組的頻率進(jìn)行檢測，發(fā)電機的轉速與發(fā)電機的發(fā)電頻率成正比，只要保證發(fā)電機組的轉速平穩，則發(fā)電機的頻率就可以保持穩定值。對發(fā)電機組的頻率進(jìn)行評測，可以利用單片機進(jìn)行測量，求方法主要有測頻率法以及測周期法。

（3）模擬量信號采集與處理

      發(fā)電機自身帶有傳感器，傳感器可以將模擬量轉換為電量信號，因為傳感器的信號幅度，再加上發(fā)電機自身的干擾，因此要在信號進(jìn)行轉化前進(jìn)行信號的調理。信號調理主要是進(jìn)行信號的模擬處理，利用的是電子線(xiàn)路進(jìn)行，其目的是通過(guò)傳感器的電量信號進(jìn)行輸出，從而進(jìn)行處理后實(shí)現信號的轉換。信號調理可以對傳感器的非線(xiàn)性進(jìn)行補償，從而提高信號的信噪比，提高信號的質(zhì)量。柴油發(fā)電機組的控制系統的設計應利用輸入通道的電路，將傳感器輸出的電流變?yōu)榻涣餍盘?，并最終轉化為單極的直流信號，并通過(guò)濾波電路實(shí)現模數轉化器的輸入。

      通過(guò)發(fā)電機組的控制系統對信息進(jìn)行采集分析后，可以判斷各項工作環(huán)節是否正常，因為，運行出現故障的情況下，柴油發(fā)電機組的控制系統可以發(fā)出警報，通過(guò)將按鈕變?yōu)榧t色來(lái)進(jìn)行顯示。

（4）硬件的抗干擾設計

      保證硬件系統在發(fā)電機組的穩定性，可以采用幾種措施來(lái)抵抗干擾：首次，進(jìn)行隔離和屏蔽，這是為了防止耦合的干擾，將數字部分以及模擬部分實(shí)現隔離，可以抑制數字系統的干擾;其次，可以將去耦電容加上集成電路的元件，進(jìn)行微處理器的處理，除此之外，還要利用地線(xiàn)抵制干擾。

2、控制系統的軟件設計

（1）數據采集程序

      單片機的一個(gè)很重要的功能就是數據處理，數據處理也是傳感器和單片機的很重要的接口，其數據處理的類(lèi)型主要有兩種，模擬信號以及開(kāi)關(guān)量信號。模擬信號是利用交流電壓進(jìn)行采樣，從而防止擾動(dòng)實(shí)現多次采樣，開(kāi)關(guān)量信號的軟件編寫(xiě)相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)74HC165實(shí)現與單片機之間的數據傳送。

（2）診斷處理

      柴油發(fā)電機組控制系統中應用的單片機進(jìn)行的診斷處理，為柴油發(fā)電機組的監控中的設計帶來(lái)了很大的好處，可以靈活的解決控制系統中無(wú)法解決的問(wèn)題，控制系統中的定時(shí)以及捕獲功能都可以實(shí)現。

（3）串行通信的設計

      后臺監控是為管理人員進(jìn)行監控而設計的，因此，后臺監控必須要有可觀(guān)看的頁(yè)面，從而可以更好的實(shí)現可視化，可以利用VB進(jìn)行這一功能的實(shí)現，后臺控制系統不是利用單片機進(jìn)行采集，而是利用信息量進(jìn)行信息的顯示，從而實(shí)現單片機的通信能力。

（4）軟件的抗干擾設計

      軟件的抗干擾設計中的技術(shù)設計主要有以下幾點(diǎn)：主動(dòng)的初始化設計，這主要是針對那些易于被干擾的元件，對于這些，要進(jìn)行初始化的處理;軟件的濾波法，這是針對常態(tài)干擾進(jìn)行的，是指利用然見(jiàn)程序對信號中的干擾比重進(jìn)行降低，從而實(shí)現程序上的濾波;重復的執行程序指令，保證與外部設備的接觸，因此，需要執行程序的重復執行，除此之外，還可以采用防止死循環(huán)的看門(mén)狗技術(shù)。

 

二、柴發(fā)控制系統的類(lèi)型

 

1、指針儀表顯示屏

      主要用作發(fā)電機組控制、測量及簡(jiǎn)單保護配電使用。

（1）結構組成：

      主要配置為面板裝有指示燈（信號狀態(tài)指示燈）、直流電壓表、直流電流表、功率表、功率因數表、頻率表、交流電壓表、交流電流表、計時(shí)表、油壓表、水溫表、按鈕等顯示和控制元件。控制屏內配置有電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。

（2）測量功能實(shí)現：

      由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數表、小時(shí)表、油壓表、水溫表等）來(lái)實(shí)現發(fā)電機、發(fā)動(dòng)機主要參數顯示。

（3）操作功能：

      通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)、停機，斷路器的合閘、分閘控制。

（4）保護功能：

      由自動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行過(guò)載及短路保護；電壓繼電器實(shí)現過(guò)電壓、欠電壓保護；發(fā)動(dòng)機的保護通過(guò)油壓開(kāi)關(guān)、水溫開(kāi)關(guān)動(dòng)作來(lái)實(shí)現。

2、簡(jiǎn)單模塊控制屏

      主要用作發(fā)電機組控制、測量及簡(jiǎn)單保護配電使用。

（1）結構組成：

      配置一個(gè)簡(jiǎn)單的啟動(dòng)、停止模塊（比較有代表性的為HGM6110N），面板裝有指示燈（信號狀態(tài)指示燈）、電壓表、交流電流表、功率表、功率因數表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、小時(shí)表、油壓表、水溫表和按鈕等顯示和控制元件。控制屏內配置有電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。測量功能實(shí)現：由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數表、小時(shí)表、油壓表和水溫表等）來(lái)實(shí)現發(fā)電機、發(fā)動(dòng)機主要參數顯示。

（2）操作功能：

      通過(guò)鑰匙/開(kāi)關(guān)實(shí)現發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)、停機，通過(guò)按鈕控制斷路器的合閘、分閘。保護功能：由自動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行過(guò)載及短路保護；電壓繼電器實(shí)現過(guò)電壓、欠電壓保護；發(fā)動(dòng)機的保護通過(guò)油壓開(kāi)關(guān)、水溫開(kāi)關(guān)可以進(jìn)入HGM6110N的輸入口，可以在面板顯示報警指示，該模塊也可以用來(lái)實(shí)現超速保護功能。

（3）主要特點(diǎn)：

      采用HGM6110N控制模塊，集成了開(kāi)關(guān)量報警，充電失敗、超速保護功能、鑰匙/開(kāi)關(guān)啟動(dòng)停止功能，將控制系統功能已經(jīng)相對簡(jiǎn)化?？刂葡到y已經(jīng)有向模塊化發(fā)展的趨勢。

3、具有通信功能的控制屏

      主要作為發(fā)電機組控制、測量、發(fā)動(dòng)機保護、發(fā)電機保護使用。

（1）主要配置

      集成PLC功能的控制模塊，能夠進(jìn)行啟動(dòng)、停止、檢測發(fā)動(dòng)機主要參數、發(fā)電機主要參數。（具有代表性的為DSE7320），控制面板僅僅配置一個(gè)緊急停機按鈕，操作記錄、報警歷史記錄都可以通過(guò)控制模塊上的按鍵來(lái)進(jìn)行操作翻看，交流電壓表、交流電流表、功率表、功率因數表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、小時(shí)表、油壓表、水溫表等儀表功能可以在模塊上LCD顯示屏中文字顯示。控制屏內主要配置有中間繼電器，熔斷器和轉接端子等元件。

（2）測量功能實(shí)現：

      面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數表、小時(shí)表、油壓表和水溫表等）都由控制模塊上的LCD屏幕來(lái)顯示，通過(guò)翻頁(yè)鍵即可顯示各種參數。

（3）操作功能：

      通過(guò)模塊上“啟動(dòng)”、“停止”、“自動(dòng)”、“手動(dòng)”按鍵來(lái)進(jìn)行發(fā)電機組的操作控制，控制模塊一般設置斷路器的“合閘”、“分閘”按鍵功能，通過(guò)模塊上面的組合按鍵可以實(shí)現查看實(shí)時(shí)參數、報警記錄和歷史記錄，也可以通過(guò)模塊上的按鍵根據現場(chǎng)情況進(jìn)行參數設置。

（4）主要特點(diǎn)

      控制模塊的功能越來(lái)越強大，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，電控技術(shù)應用于發(fā)動(dòng)機的控制，發(fā)電機組控制模塊也需要能夠與發(fā)動(dòng)機進(jìn)行通信，交換數據。發(fā)電機組控制系統這時(shí)也要求能夠支持與發(fā)動(dòng)機的通信功能，例如具有CANBUS通信功能，能夠直接采集發(fā)動(dòng)機的主要參數，不用再加裝發(fā)動(dòng)機的傳感器，控制系統就可以讀取到發(fā)動(dòng)機的水溫、油壓、油耗及故障代碼等主要的參數。另外，控制系統還需要具備遠程監控功能來(lái)滿(mǎn)足機房的集中監控功能。一般配置 Modbus監控接口，遠程上位機可以通過(guò)RS485監控機房?jì)葐闻_或者多臺發(fā)電機組的工作狀況，如果單臺發(fā)電機組數據量不大的情況下采用RS485通信就能夠滿(mǎn)足監控要求，如果多臺發(fā)電機組通過(guò)RS485通信采集，對通信速率要求比較高的項目，就需要采用RJ45端口，通過(guò)ModbusTCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行通信。

4、智能型控制系統

      柴油發(fā)電機組的智能型控制系統包括燃油管理系統或調速控制、發(fā)電機DVR或AVR、發(fā)電機組的測量與保護、并機的測量與控制、遙控遙測與通信等，將發(fā)電機組所需的控制全部由一個(gè)界面完成?？得魉闺娏Φ?ldquo;PCC3.3”控制系統就是典型的代表。

（1）康明斯電力PCC3.3控制系統

      PCC3.3是康明斯電力系統發(fā)電機組上使用的以微處理器為基礎的控制器，它提供燃油控制和發(fā)動(dòng)機調速功能、主發(fā)電機輸出電壓調整和全套發(fā)電機組控制和監測。它同時(shí)還提供隔離母排或市電（主用電源）并聯(lián)電力系統的自動(dòng)和半自動(dòng)同步以及自動(dòng)負載分配控制功能。操作軟件控制發(fā)電機組及其性能特征，并通過(guò)數字式顯示屏顯示發(fā)電機組的運行狀態(tài)，由前端面板上的按鍵進(jìn)行控制或功能設定。

      如圖1所示PCC3.3控制器的主要控制功能。柴油機轉速控制經(jīng)由磁電式轉速傳感器（MPU）獲取頻率信號，控制盤(pán)送出一低功率脈沖寬度調制（PWM）信號到調速器輸出模塊然后向發(fā)動(dòng)機燃油控制器（執行器）輸出一個(gè)放大信號控制燃油量以控制柴油機的轉速；發(fā)電機電壓信號通過(guò)PT/CT模塊向控制器主板提供信號至發(fā)電機調壓器輸出模塊控制勵磁機的勵磁電流，以控制發(fā)電機的輸出電壓；機油、冷卻液和排煙溫度等由傳感器傳送信號至發(fā)動(dòng)機傳送器和傳感器模塊后再傳送至控制器主板，通過(guò)燃油控制卡控制燃油的關(guān)斷，以保護發(fā)電機組的運行安全；母排電壓、頻率信號通過(guò)母排PT模塊及發(fā)電機電壓、頻率、電流信號通過(guò)PT/CT模塊分別送至并聯(lián)模塊向控制器主板傳送，由控制器主板分別調整發(fā)電機組的轉速（頻率）、電壓，待并聯(lián)條件滿(mǎn)足時(shí)控制并聯(lián)電路斷電器合閘，隨后控制發(fā)電機組的轉速（頻率）、電壓以進(jìn)行有功和無(wú)功功率分配；監控通信功能通過(guò)網(wǎng)卡連接PC對發(fā)電機組進(jìn)行通信、監控；整個(gè)發(fā)電機組的參數設定包括轉速（頻率）、電壓、增益、穩定、下垂（速降、壓降）、傳感器設定、功率分配等均在面板上操作設定。

      控制系統由主控制模塊、功能模塊和數模轉換模塊組成，從主控關(guān)系上實(shí)現了完全一體化控制。

（2）CONTREG控制器

      CONTREG控制器是EMERSON為利來(lái)森瑪發(fā)電機設計的一種數字電壓調節器（DVR）具有柴油機控制的新型控制器，發(fā)電機組控制結構如圖2所示。

發(fā)電機CONTREG主要功能 ① 發(fā)動(dòng)機控制： ● 啟動(dòng)準備（預潤滑或進(jìn)氣預加熱）： ● 可設置啟動(dòng)時(shí)間、次數和間隔時(shí)間的啟動(dòng)時(shí)序； ● 本地或遠程起停； ● 帶冷卻停機延時(shí)的停機時(shí)序； ● 可選擇MPU或者J1939運行反饋。 ② 發(fā)電機的保護（ANSI）： ● 欠電壓/過(guò)電壓保護（27/59）； ● 欠頻率/過(guò)頻率保護（81）； ● 過(guò)電流保護（51）。 ③ 電壓調節： ● 可測量交流電的相電壓或者線(xiàn)電壓； ● 最大勵磁電流：4A（7A強勵，10s）； ● U/F功能； ● 電壓調節范圍：AC90～480V； ● 可調節的電壓穩態(tài)性參數。 ④ 軟啟動(dòng)功能。

性能特點(diǎn) ① 二合一節省成本； ② 具備發(fā)電機組控制器的基本控制和顯示功能； ③ 發(fā)電機配置簡(jiǎn)單； ④ AVR信息顯示； ⑤ 數據記錄； ⑥ 預防性維修； ⑦ 快速設置。 應用領(lǐng)域 ① LSA40/42/43/44以及TAL40/42/44自勵勵磁系統發(fā)電機； ② 50/60Hz; ③ 2/3/4缸發(fā)動(dòng)機； ④ 最高單相電壓277V；三相電壓480V。

 

圖1  康明斯發(fā)電機組PCC3.3控制系統方框圖

圖2 CONTREG的發(fā)電機組控制系統示意圖

 

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