性能特點和作用說明

柴油發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)說明書

 

摘要：柴油發(fā)電機組的電氣控制系統(tǒng)包括各種傳感器、啟動電路、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(jiān)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(tǒng)是發(fā)電機組啟動、運行、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、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，也是近年來發(fā)電機組發(fā)展最快的技術。柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)從一開始手動控制、半自動、全自動、發(fā)電機組一體化控制直到現(xiàn)代的云服務的遠程控制系統(tǒng)；控制屏從指針儀表發(fā)展為數(shù)碼顯示及液晶顯示等。

 

一、柴發(fā)控制系統(tǒng)軟硬件設計

 

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

1、控制系統(tǒng)的硬件設計

（1）控制系統(tǒng)的CPU

     CPU是柴油發(fā)電組控制系統(tǒng)中的中心環(huán)節(jié)，主要是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組織以及運行等的工作，當前國內(nèi)外的控制系統(tǒng)中通用的是高性能微處理器，用戶通過人機對話的方式對監(jiān)控的參數(shù)進行部分修改就可以實現(xiàn)柴油發(fā)電機組的監(jiān)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(tǒng)的中的CPU,單片機可以反復擦寫，因為其高密度以及較強的存儲技術可以較好的實現(xiàn)監(jiān)控，單片機內(nèi)還設有定時器，可以自動捕獲和重裝載，這樣可以更好地實現(xiàn)監(jiān)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，需要進行設計的控制系統(tǒng)要準確、及時的對發(fā)電機組的頻率進行檢測，發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速平穩(wěn)，則發(fā)電機的頻率就可以保持穩(wěn)定值。對發(fā)電機組的頻率進行評測，可以利用單片機進行測量，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(zhuǎn)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，因此要在信號進行轉(zhuǎn)化前進行信號的調(diào)理。信號調(diào)理主要是進行信號的模擬處理，利用的是電子線路進行，其目的是通過傳感器的電量信號進行輸出，從而進行處理后實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。信號調(diào)理可以對傳感器的非線性進行補償，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(tǒng)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(zhuǎn)化為單極的直流信號，并通過濾波電路實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸入。

      通過發(fā)電機組的控制系統(tǒng)對信息進行采集分析后，可以判斷各項工作環(huán)節(jié)是否正常，因為，運行出現(xiàn)故障的情況下，柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)可以發(fā)出警報，通過將按鈕變?yōu)榧t色來進行顯示。

（4）硬件的抗干擾設計

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

2、控制系統(tǒng)的軟件設計

（1）數(shù)據(jù)采集程序

      單片機的一個很重要的功能就是數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理也是傳感器和單片機的很重要的接口，其數(shù)據(jù)處理的類型主要有兩種，模擬信號以及開關量信號。模擬信號是利用交流電壓進行采樣，從而防止擾動實現(xiàn)多次采樣，開關量信號的軟件編寫相對來說比較簡單，通過74HC165實現(xiàn)與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送。

（2）診斷處理

      柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)中應用的單片機進行的診斷處理，為柴油發(fā)電機組的監(jiān)控中的設計帶來了很大的好處，可以靈活的解決控制系統(tǒng)中無法解決的問題，控制系統(tǒng)中的定時以及捕獲功能都可以實現(xiàn)。

（3）串行通信的設計

      后臺監(jiān)控是為管理人員進行監(jiān)控而設計的，因此，后臺監(jiān)控必須要有可觀看的頁面，從而可以更好的實現(xiàn)可視化，可以利用VB進行這一功能的實現(xiàn)，后臺控制系統(tǒng)不是利用單片機進行采集，而是利用信息量進行信息的顯示，從而實現(xiàn)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設計主要有以下幾點：主動的初始化設計，這主要是針對那些易于被干擾的元件，對于這些，要進行初始化的處理;軟件的濾波法，這是針對常態(tài)干擾進行的，是指利用然見程序?qū)π盘栔械母蓴_比重進行降低，從而實現(xiàn)程序上的濾波;重復的執(zhí)行程序指令，保證與外部設備的接觸，因此，需要執(zhí)行程序的重復執(zhí)行，除此之外，還可以采用防止死循環(huán)的看門狗技術。

 

二、柴發(fā)控制系統(tǒng)的類型

 

1、指針儀表顯示屏

      主要用作發(fā)電機組控制、測量及簡單保護配電使用。

（1）結(jié)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(shù)表、頻率表、交流電壓表、交流電流表、計時表、油壓表、水溫表、按鈕等顯示和控制元件。控制屏內(nèi)配置有電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。

（2）測量功能實現(xiàn)：

      由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數(shù)表、小時表、油壓表、水溫表等）來實現(xiàn)發(fā)電機、發(fā)動機主要參數(shù)顯示。

（3）操作功能：

      通過按鈕開關實現(xiàn)發(fā)動機的啟動、停機，斷路器的合閘、分閘控制。

（4）保護功能：

      由自動開關進行過載及短路保護；電壓繼電器實現(xiàn)過電壓、欠電壓保護；發(fā)動機的保護通過油壓開關、水溫開關動作來實現(xiàn)。

2、簡單模塊控制屏

      主要用作發(fā)電機組控制、測量及簡單保護配電使用。

（1）結(jié)構組成：

      配置一個簡單的啟動、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(shù)表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、小時表、油壓表、水溫表和按鈕等顯示和控制元件。控制屏內(nèi)配置有電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。測量功能實現(xiàn)：由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數(shù)表、小時表、油壓表和水溫表等）來實現(xiàn)發(fā)電機、發(fā)動機主要參數(shù)顯示。

（2）操作功能：

      通過鑰匙/開關實現(xiàn)發(fā)動機的啟動、停機，通過按鈕控制斷路器的合閘、分閘。保護功能：由自動開關進行過載及短路保護；電壓繼電器實現(xiàn)過電壓、欠電壓保護；發(fā)動機的保護通過油壓開關、水溫開關可以進入HGM6110N的輸入口，可以在面板顯示報警指示，該模塊也可以用來實現(xiàn)超速保護功能。

（3）主要特點：

      采用HGM6110N控制模塊，集成了開關量報警，充電失敗、超速保護功能、鑰匙/開關啟動停止功能，將控制系統(tǒng)功能已經(jīng)相對簡化?？刂葡到y(tǒng)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，能夠進行啟動、停止、檢測發(fā)動機主要參數(shù)、發(fā)電機主要參數(shù)。（具有代表性的為DSE7320），控制面板僅僅配置一個緊急停機按鈕，操作記錄、報警歷史記錄都可以通過控制模塊上的按鍵來進行操作翻看，交流電壓表、交流電流表、功率表、功率因數(shù)表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、小時表、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(nèi)主要配置有中間繼電器，熔斷器和轉(zhuǎn)接端子等元件。

（2）測量功能實現(xiàn)：

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

（3）操作功能：

      通過模塊上“啟動”、“停止”、“自動”、“手動”按鍵來進行發(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，通過模塊上面的組合按鍵可以實現(xiàn)查看實時參數(shù)、報警記錄和歷史記錄，也可以通過模塊上的按鍵根據(jù)現(xiàn)場情況進行參數(shù)設置。

（4）主要特點

      控制模塊的功能越來越強大，隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，電控技術應用于發(fā)動機的控制，發(fā)電機組控制模塊也需要能夠與發(fā)動機進行通信，交換數(shù)據(jù)。發(fā)電機組控制系統(tǒng)這時也要求能夠支持與發(fā)動機的通信功能，例如具有CANBUS通信功能，能夠直接采集發(fā)動機的主要參數(shù)，不用再加裝發(fā)動機的傳感器，控制系統(tǒng)就可以讀取到發(fā)動機的水溫、油壓、油耗及故障代碼等主要的參數(shù)。另外，控制系統(tǒng)還需要具備遠程監(jiān)控功能來滿足機房的集中監(jiān)控功能。一般配置 Modbus監(jiān)控接口，遠程上位機可以通過RS485監(jiān)控機房內(nèi)單臺或者多臺發(fā)電機組的工作狀況，如果單臺發(fā)電機組數(shù)據(jù)量不大的情況下采用RS485通信就能夠滿足監(jiān)控要求，如果多臺發(fā)電機組通過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ModbusTCP/IP通信協(xié)議進行通信。

4、智能型控制系統(tǒng)

      柴油發(fā)電機組的智能型控制系統(tǒng)包括燃油管理系統(tǒng)或調(diào)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界面完成?？得魉闺娏Φ?ldquo;PCC3.3”控制系統(tǒng)就是典型的代表。

（1）康明斯電力PCC3.3控制系統(tǒng)

      PCC3.3是康明斯電力系統(tǒng)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)動機調(diào)速功能、主發(fā)電機輸出電壓調(diào)整和全套發(fā)電機組控制和監(jiān)測。它同時還提供隔離母排或市電（主用電源）并聯(lián)電力系統(tǒng)的自動和半自動同步以及自動負載分配控制功能。操作軟件控制發(fā)電機組及其性能特征，并通過數(shù)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(zhuǎn)速控制經(jīng)由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器（MPU）獲取頻率信號，控制盤送出一低功率脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號到調(diào)速器輸出模塊然后向發(fā)動機燃油控制器（執(zhí)行器）輸出一個放大信號控制燃油量以控制柴油機的轉(zhuǎn)速；發(fā)電機電壓信號通過PT/CT模塊向控制器主板提供信號至發(fā)電機調(diào)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)動機傳送器和傳感器模塊后再傳送至控制器主板，通過燃油控制卡控制燃油的關斷，以保護發(fā)電機組的運行安全；母排電壓、頻率信號通過母排PT模塊及發(fā)電機電壓、頻率、電流信號通過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(diào)整發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓，待并聯(lián)條件滿足時控制并聯(lián)電路斷電器合閘，隨后控制發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓以進行有功和無功功率分配；監(jiān)控通信功能通過網(wǎng)卡連接PC對發(fā)電機組進行通信、監(jiān)控；整個發(fā)電機組的參數(shù)設定包括轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓、增益、穩(wěn)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(tǒng)由主控制模塊、功能模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊組成，從主控關系上實現(xiàn)了完全一體化控制。

（2）CONTREG控制器

      CONTREG控制器是EMERSON為利來森瑪發(fā)電機設計的一種數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器（DVR）具有柴油機控制的新型控制器，發(fā)電機組控制結(jié)構如圖2所示。

發(fā)電機CONTREG主要功能 ① 發(fā)動機控制： ● 啟動準備（預潤滑或進氣預加熱）： ● 可設置啟動時間、次數(shù)和間隔時間的啟動時序； ● 本地或遠程起停； ● 帶冷卻停機延時的停機時序； ● 可選擇MPU或者J1939運行反饋。 ② 發(fā)電機的保護（ANSI）： ● 欠電壓/過電壓保護（27/59）； ● 欠頻率/過頻率保護（81）； ● 過電流保護（51）。 ③ 電壓調(diào)節(jié)： ● 可測量交流電的相電壓或者線電壓； ● 最大勵磁電流：4A（7A強勵，10s）； ● U/F功能； ● 電壓調(diào)節(jié)范圍：AC90～480V； ● 可調(diào)節(jié)的電壓穩(wěn)態(tài)性參數(shù)。 ④ 軟啟動功能。

性能特點 ① 二合一節(jié)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)電機配置簡單； ④ AVR信息顯示； ⑤ 數(shù)據(jù)記錄； ⑥ 預防性維修； ⑦ 快速設置。 應用領域 ① LSA40/42/43/44以及TAL40/42/44自勵勵磁系統(tǒng)發(fā)電機； ② 50/60Hz; ③ 2/3/4缸發(fā)動機； 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(tǒng)方框圖

圖2 CONTREG的發(fā)電機組控制系統(tǒng)示意圖

 

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