性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

柴油發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)包括各種傳感器、啟動(dòng)電路、柴油機(jī)控制及保護(hù)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制及保護(hù)、并聯(lián)運(yùn)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(jī)組的電氣控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、保護(hù)、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(jī)組發(fā)展最快的技術(shù)。柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)從一開(kāi)始手動(dòng)控制、半自動(dòng)、全自動(dòng)、發(fā)電機(jī)組一體化控制直到現(xiàn)代的云服務(wù)的遠(yuǎn)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(shè)計(jì)

 

      柴油發(fā)電機(jī)組因其本身的特點(diǎn)要將控制系統(tǒng)安裝在發(fā)電機(jī)組的控制柜內(nèi)，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)有自身的要求以及技術(shù)指標(biāo)，因此，柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要滿足柴油發(fā)電機(jī)組功能技術(shù)指標(biāo)要求。

1、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（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(yùn)行等的工作，當(dāng)前國(guó)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(guò)人機(jī)對(duì)話的方式對(duì)監(jiān)控的參數(shù)進(jìn)行部分修改就可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控需求。單片機(jī)作為高性能、低電壓的設(shè)備，可以作為控制系統(tǒng)的中的CPU,單片機(jī)可以反復(fù)擦寫，因?yàn)槠涓呙芏纫约拜^強(qiáng)的存儲(chǔ)技術(shù)可以較好的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，單片機(jī)內(nèi)還設(shè)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(xiàn)監(jiān)控設(shè)計(jì)。

（2）頻率檢測(cè)

      頻率檢測(cè)是柴油發(fā)電機(jī)組中檢測(cè)發(fā)電質(zhì)量的很重要的指標(biāo)，因此，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)要準(zhǔn)確、及時(shí)的對(duì)發(fā)電機(jī)組的頻率進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的發(fā)電頻率成正比，只要保證發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，則發(fā)電機(jī)的頻率就可以保持穩(wěn)定值。對(duì)發(fā)電機(jī)組的頻率進(jìn)行評(píng)測(cè)，可以利用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量，求方法主要有測(cè)頻率法以及測(cè)周期法。

（3）模擬量信號(hào)采集與處理

      發(fā)電機(jī)自身帶有傳感器，傳感器可以將模擬量轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)，因?yàn)閭鞲衅鞯男盘?hào)幅度，再加上發(fā)電機(jī)自身的干擾，因此要在信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化前進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理。信號(hào)調(diào)理主要是進(jìn)行信號(hào)的模擬處理，利用的是電子線路進(jìn)行，其目的是通過(guò)傳感器的電量信號(hào)進(jìn)行輸出，從而進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理可以對(duì)傳感器的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高信號(hào)的信噪比，提高信號(hào)的質(zhì)量。柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)利用輸入通道的電路，將傳感器輸出的電流變?yōu)榻涣餍盘?hào)，并最終轉(zhuǎn)化為單極的直流信號(hào)，并通過(guò)濾波電路實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸入。

      通過(guò)發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集分析后，可以判斷各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)是否正常，因?yàn)?，運(yùn)行出現(xiàn)故障的情況下，柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)，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(shè)計(jì)

      保證硬件系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)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(shù)字部分以及模擬部分實(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集程序

      單片機(jī)的一個(gè)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(jī)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(hào)以及開(kāi)關(guān)量信號(hào)。模擬信號(hào)是利用交流電壓進(jìn)行采樣，從而防止擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)多次采樣，開(kāi)關(guān)量信號(hào)的軟件編寫相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)74HC165實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。

（2）診斷處理

      柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中應(yīng)用的單片機(jī)進(jìn)行的診斷處理，為柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控中的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的好處，可以靈活的解決控制系統(tǒng)中無(wú)法解決的問(wèn)題，控制系統(tǒng)中的定時(shí)以及捕獲功能都可以實(shí)現(xiàn)。

（3）串行通信的設(shè)計(jì)

      后臺(tái)監(jiān)控是為管理人員進(jìn)行監(jiān)控而設(shè)計(jì)的，因此，后臺(tái)監(jiān)控必須要有可觀看的頁(yè)面，從而可以更好的實(shí)現(xiàn)可視化，可以利用VB進(jìn)行這一功能的實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)控制系統(tǒng)不是利用單片機(jī)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(xiàn)單片機(jī)的通信能力。

（4）軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

      軟件的抗干擾設(shè)計(jì)中的技術(shù)設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)：主動(dòng)的初始化設(shè)計(jì)，這主要是針對(duì)那些易于被干擾的元件，對(duì)于這些，要進(jìn)行初始化的處理;軟件的濾波法，這是針對(duì)常態(tài)干擾進(jìn)行的，是指利用然見(jiàn)程序?qū)π盘?hào)中的干擾比重進(jìn)行降低，從而實(shí)現(xiàn)程序上的濾波;重復(fù)的執(zhí)行程序指令，保證與外部設(shè)備的接觸，因此，需要執(zhí)行程序的重復(fù)執(zhí)行，除此之外，還可以采用防止死循環(huán)的看門狗技術(shù)。

 

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(jī)組控制、測(cè)量及簡(jiǎn)單保護(hù)配電使用。

（1）結(jié)構(gòu)組成：

      主要配置為面板裝有指示燈（信號(hào)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(jì)時(shí)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(shí)間繼電器、中間繼電器等繼電保護(hù)元件。

（2）測(cè)量功能實(shí)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(shí)表、油壓表、水溫表等）來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)顯示。

（3）操作功能：

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

（4）保護(hù)功能：

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

2、簡(jiǎn)單模塊控制屏

      主要用作發(fā)電機(jī)組控制、測(cè)量及簡(jiǎn)單保護(hù)配電使用。

（1）結(jié)構(gòu)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(hào)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(shí)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(shí)間繼電器、中間繼電器等繼電保護(hù)元件。測(cè)量功能實(shí)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(shí)表、油壓表和水溫表等）來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)顯示。

（2）操作功能：

      通過(guò)鑰匙/開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)，通過(guò)按鈕控制斷路器的合閘、分閘。保護(hù)功能：由自動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行過(guò)載及短路保護(hù)；電壓繼電器實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)；發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)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(bào)警指示，該模塊也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)功能。

（3）主要特點(diǎn)：

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

3、具有通信功能的控制屏

      主要作為發(fā)電機(jī)組控制、測(cè)量、發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)、發(fā)電機(jī)主要參數(shù)。（具有代表性的為DSE7320），控制面板僅僅配置一個(gè)緊急停機(jī)按鈕，操作記錄、報(bào)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(shù)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(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(cè)量功能實(shí)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(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(shù)。

（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(jī)組的操作控制，控制模塊一般設(shè)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(xiàn)查看實(shí)時(shí)參數(shù)、報(bào)警記錄和歷史記錄，也可以通過(guò)模塊上的按鍵根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（4）主要特點(diǎn)

      控制模塊的功能越來(lái)越強(qiáng)大，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電控技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，發(fā)電機(jī)組控制模塊也需要能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行通信，交換數(shù)據(jù)。發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)這時(shí)也要求能夠支持與發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的主要參數(shù)，不用再加裝發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器，控制系統(tǒng)就可以讀取到發(fā)動(dòng)機(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控功能來(lái)滿足機(jī)房的集中監(jiān)控功能。一般配置 Modbus監(jiān)控接口，遠(yuǎn)程上位機(jī)可以通過(guò)RS485監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)單臺(tái)或者多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的工作狀況，如果單臺(tái)發(fā)電機(jī)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(tái)發(fā)電機(jī)組通過(guò)RS485通信采集，對(duì)通信速率要求比較高的項(xiàng)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(tǒng)

      柴油發(fā)電機(jī)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(jī)DVR或AVR、發(fā)電機(jī)組的測(cè)量與保護(hù)、并機(jī)的測(cè)量與控制、遙控遙測(cè)與通信等，將發(fā)電機(jī)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(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(jī)組上使用的以微處理器為基礎(chǔ)的控制器，它提供燃油控制和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速功能、主發(fā)電機(jī)輸出電壓調(diào)整和全套發(fā)電機(jī)組控制和監(jiān)測(cè)。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(tǒng)的自動(dòng)和半自動(dòng)同步以及自動(dòng)負(fù)載分配控制功能。操作軟件控制發(fā)電機(jī)組及其性能特征，并通過(guò)數(shù)字式顯示屏顯示發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，由前端面板上的按鍵進(jìn)行控制或功能設(shè)定。

      如圖1所示PCC3.3控制器的主要控制功能。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制經(jīng)由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器（MPU）獲取頻率信號(hào)，控制盤送出一低功率脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)到調(diào)速器輸出模塊然后向發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制器（執(zhí)行器）輸出一個(gè)放大信號(hào)控制燃油量以控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速；發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)通過(guò)PT/CT模塊向控制器主板提供信號(hào)至發(fā)電機(jī)調(diào)壓器輸出模塊控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，以控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓；機(jī)油、冷卻液和排煙溫度等由傳感器傳送信號(hào)至發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全；母排電壓、頻率信號(hào)通過(guò)母排PT模塊及發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流信號(hào)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(diào)整發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓，待并聯(lián)條件滿足時(shí)控制并聯(lián)電路斷電器合閘，隨后控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓以進(jìn)行有功和無(wú)功功率分配；監(jiān)控通信功能通過(guò)網(wǎng)卡連接PC對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行通信、監(jiān)控；整個(gè)發(fā)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)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(shè)定、功率分配等均在面板上操作設(shè)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(guān)系上實(shí)現(xiàn)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(jī)設(shè)計(jì)的一種數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器（DVR）具有柴油機(jī)控制的新型控制器，發(fā)電機(jī)組控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

發(fā)電機(jī)CONTREG主要功能 ① 發(fā)動(dòng)機(jī)控制： ● 啟動(dòng)準(zhǔn)備（預(yù)潤(rùn)滑或進(jìn)氣預(yù)加熱）： ● 可設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間、次數(shù)和間隔時(shí)間的啟動(dòng)時(shí)序； ● 本地或遠(yuǎn)程起停； ● 帶冷卻停機(jī)延時(shí)的停機(jī)時(shí)序； ● 可選擇MPU或者J1939運(yùn)行反饋。 ② 發(fā)電機(jī)的保護(hù)（ANSI）： ● 欠電壓/過(guò)電壓保護(hù)（27/59）； ● 欠頻率/過(guò)頻率保護(hù)（81）； ● 過(guò)電流保護(hù)（51）。 ③ 電壓調(diào)節(jié)： ● 可測(cè)量交流電的相電壓或者線電壓； ● 最大勵(lì)磁電流：4A（7A強(qiáng)勵(lì)，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(dòng)功能。

性能特點(diǎn) ① 二合一節(jié)省成本； ② 具備發(fā)電機(jī)組控制器的基本控制和顯示功能； ③ 發(fā)電機(jī)配置簡(jiǎn)單； ④ AVR信息顯示； ⑤ 數(shù)據(jù)記錄； ⑥ 預(yù)防性維修； ⑦ 快速設(shè)置。 應(yīng)用領(lǐng)域 ① LSA40/42/43/44以及TAL40/42/44自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)； ② 50/60Hz; ③ 2/3/4缸發(fā)動(dòng)機(jī)； ④ 最高單相電壓277V；三相電壓480V。

 

圖1  康明斯發(fā)電機(jī)組PCC3.3控制系統(tǒng)方框圖

圖2 CONTREG的發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖

 

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