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自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的分類及功能 |
摘要:自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要有3種,它們分別是繼電器控制系統(tǒng)、可編程序控制器(PLC)控制系統(tǒng)和專用控制器(或單片計(jì)算機(jī)、微機(jī))控制系統(tǒng)。隨著行業(yè)快速發(fā)展,自動(dòng)化控制器已經(jīng)集成了數(shù)字化,智能化和網(wǎng)絡(luò)化等先進(jìn)技術(shù),如今大多數(shù)配備的控制器以微處理為核心,因其性能穩(wěn)定,適用于發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制及系統(tǒng)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開機(jī)和停機(jī),自動(dòng)切換,自動(dòng)送電,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),報(bào)警保護(hù)完全實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”。
一、繼電器接觸控制
采用繼電器控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)、交流無(wú)刷發(fā)電機(jī)和控制屏等3部分組成。柴油機(jī)上設(shè)置有自動(dòng)起動(dòng)和自動(dòng)停機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu),還設(shè)置有油壓水溫和轉(zhuǎn)速等監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置,在控制屏內(nèi)安裝有自啟動(dòng)裝置、切換控制裝置。控制屏通過(guò)通訊電纜與發(fā)電機(jī)組連接。
圖1為一臺(tái)200GFZ自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖,主要由市電監(jiān)測(cè)、油機(jī)電監(jiān)測(cè)、自起動(dòng)控制器、顯示報(bào)警裝置、市電切換電路及油機(jī)電切換電路等部分組成。市測(cè)、油機(jī)電監(jiān)測(cè)、切換電路和自起動(dòng)控制器均采用繼電器邏輯控制。該發(fā)電機(jī)組的傳感與控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)框圖如圖2所示。
該控制系統(tǒng)的主要功能有:自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)升速、自動(dòng)供電、自動(dòng)停機(jī)、油壓過(guò)低水溫過(guò)高報(bào)警、升速失敗報(bào)警和二次起動(dòng)失敗報(bào)警等功能。在發(fā)出故障報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)柴油機(jī)的油門,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。
1.自動(dòng)起動(dòng)和自動(dòng)供電
當(dāng)市電中斷時(shí),市電切換電路立即切斷市電供電電路,同時(shí),市電監(jiān)測(cè)電路通過(guò)自起動(dòng)控制器使起動(dòng)電機(jī)D運(yùn)轉(zhuǎn),從而起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。起動(dòng)成功后,潤(rùn)滑油油壓上升,當(dāng)油壓升到規(guī)定值時(shí),起動(dòng)成功油壓傳感器IYYJ接通潤(rùn)滑油路電磁場(chǎng)閥EB的控制電路,該電磁閥把升速油缸的油路打開,柴油機(jī)的壓力潤(rùn)滑油推動(dòng)油缸活塞帶動(dòng)油門手柄向升速方向移動(dòng),在升速限位控制器GXK的作用下,柴油機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速。此時(shí),在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR的作用下,發(fā)電機(jī)輸出額定電壓。然后,柴油機(jī)電切換電路接通,柴油機(jī)發(fā)電機(jī)開始給負(fù)載供電。
2.市電恢復(fù)后自動(dòng)停機(jī)
市電恢復(fù)后,在市電監(jiān)測(cè)電路的作用下,首先切斷柴油機(jī)供電電路,然后,市電切換電路投入工作,負(fù)載由市電供電。同時(shí),自起動(dòng)控制器使停機(jī)電磁鐵NQ動(dòng)作,控制柴油機(jī)的油門,柴油機(jī)先低速運(yùn)行,然后自動(dòng)停機(jī)。
3.故障停機(jī)與報(bào)警
在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,冷卻水出水溫度達(dá)到95℃±2℃時(shí),溫度控制器JW通過(guò)系統(tǒng)控制器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并切斷負(fù)載,同時(shí),停機(jī)電磁鐵NQ動(dòng)作,柴油發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)潤(rùn)滑油的油壓低于規(guī)定值時(shí),油壓低報(bào)警傳感器2YYJ的觸點(diǎn)閉合,控制器通過(guò)顯示報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),同時(shí)切斷油機(jī)電切換電路,然后停機(jī)電磁鐵NQ運(yùn)行,柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。當(dāng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速超出額定轉(zhuǎn)速時(shí),油機(jī)電監(jiān)測(cè)電路中的高周率繼電器動(dòng)作,柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。
自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組采用繼電器和接觸器構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng),所需元器件的數(shù)量很多控制線路復(fù)雜,工作可靠性較差,故障率較高。
圖1 自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖 |
圖2 發(fā)電機(jī)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)框圖 |
二、可編程序控制器PLC控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)采用可編程序控制器(PLC,Programmable Controller)時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組的工作由軟件控制,可大大簡(jiǎn)化控制電路,因此控制系統(tǒng)的可靠性很高。PLC是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的,采用可編程的存儲(chǔ)器,用于存儲(chǔ)用戶的指令,通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入,輸出,實(shí)現(xiàn)各類型機(jī)械或過(guò)程的控制。PLC及其外設(shè)的設(shè)計(jì),能非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中,并很容易地達(dá)到人們期望的目的。比如康明斯生產(chǎn)的SIMATIC S5和S7系列就非常適合作為自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組的控制器。實(shí)踐證明采用PLC控制柴油電站是成功的,實(shí)現(xiàn)備用發(fā)電機(jī)組的應(yīng)急供電,保證供電的連續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性,以及通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)能夠非常方便地把電站控制納入到中央的管理系統(tǒng)中去,以達(dá)到統(tǒng)一高度的目的,使其優(yōu)點(diǎn)更為突出。
證供電的連續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性,以及通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)能夠非常方便地把電站控制納入到中央的管理系統(tǒng)中去,以達(dá)到統(tǒng)一高度的目的,使其優(yōu)點(diǎn)更為突出。
在采用PLC的自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組中,柴油機(jī)的傳感器和各種執(zhí)行元件與繼電器控制系統(tǒng)完全相同,所不同的只是由PLC完成繼電器的邏輯控制功能。PLC控制的自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組邏輯框圖如圖3所示。
圖3 自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組控制邏輯框圖 |
1.控制系統(tǒng)的組成
該控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有蓄電池開始充電信號(hào)、蓄電池停止充電信號(hào)、市電故障(包括電壓和頻率超出規(guī)定范圍)信號(hào)、發(fā)電機(jī)組起動(dòng)成功信號(hào)、發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速信號(hào)、發(fā)電機(jī)組超速信號(hào)、發(fā)電機(jī)組頻率過(guò)低和過(guò)高信號(hào)、發(fā)電機(jī)組的欠壓和過(guò)壓信號(hào)、發(fā)電機(jī)組的過(guò)載信號(hào)、冷卻水超溫信號(hào)、潤(rùn)滑油壓力低信號(hào)、發(fā)電機(jī)組短路信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)和發(fā)電機(jī)組停機(jī)信號(hào)等。
輸出信號(hào)有蓄電池充電控制信號(hào)、充油泵控制信號(hào)、柴油機(jī)起動(dòng)信號(hào)、發(fā)電機(jī)充磁信號(hào)、柴油機(jī)升降速信號(hào)、發(fā)電機(jī)主開關(guān)分合控制信號(hào)、市電主開關(guān)分合控制信號(hào)以及各種報(bào)警信號(hào)和顯示信號(hào)。
由于可編程控制器PLC輸出觸點(diǎn)的容量較小,通常只能驅(qū)動(dòng)2A以下的負(fù)載。大容量負(fù)載必須通過(guò)固體繼電器控制,為了防止各輸出端相互干擾,在PLC機(jī)和固體繼電器之問(wèn)通常還應(yīng)加入阻斷二極管,重要控制部分還采用了外部互鎖結(jié)構(gòu)。
圖4 發(fā)電機(jī)控制器輸入和輸出接口示意圖 |
2.可編程控制器的軟件
自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組程序控制流程如圖5所示。PLC采用以標(biāo)準(zhǔn)布爾表達(dá)式(AND、OR、ONT)為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)便梯形圖語(yǔ)言。當(dāng)程序未固化時(shí),用戶可根據(jù)自己的要求修改,以滿足特殊要求。
圖5 自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組程序控制流程 |
三、專用控制器或自動(dòng)控制屏
1.自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組的專用控制器主要功能
(1)柴油機(jī)的自動(dòng)控制:
① 啟動(dòng)系統(tǒng):
柴油機(jī)的啟動(dòng)一般為電啟動(dòng)方式(采用蓄電池),啟動(dòng)系統(tǒng)包括:蓄電池、啟動(dòng)接觸器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)按鈕及相關(guān)控制線路。啟動(dòng)過(guò)程:按啟動(dòng)按鈕SB1,啟動(dòng)接觸器K5吸合,啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)飛輪齒合時(shí),啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)成功后,立即釋放起動(dòng)按鈕SB1,啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)退出。如圖6所示。
② 充電系統(tǒng):
當(dāng)柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí),通過(guò)柴油機(jī)自帶的充電發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池充電,充電系統(tǒng)一般包括充電發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、充電電流表及相關(guān)控制線路。
③ 儀表系統(tǒng):
儀表配置據(jù)柴油機(jī)機(jī)型不同有所不同,但一般設(shè)有轉(zhuǎn)速表、油壓表、油溫表、水溫表和充電電流表等儀表。
圖中G為充電機(jī),A4充電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,WT為水溫表,OP為油壓表 圖6 柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)控制電路 |
④ 自動(dòng)加熱裝置:
在自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)上一般加裝冷卻水自動(dòng)加熱裝置,使在發(fā)電機(jī)組備機(jī)態(tài)時(shí),使要油機(jī)處于熱機(jī)狀態(tài),以便發(fā)電機(jī)組在市電失電時(shí),15s內(nèi)起動(dòng)發(fā)電機(jī)組并帶負(fù)載工作。如圖7所示,當(dāng)水溫低于30℃時(shí),溫控器觸點(diǎn)接通,KM1吸合,加熱器EH工作。當(dāng)水溫上升至50℃時(shí),溫控器觸點(diǎn)斷開,KM1釋放,加熱器EH不工作。
圖7 柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)加熱裝置 |
⑤ 保護(hù)裝置:
柴油機(jī)一般有如下幾種保護(hù)裝置:檢測(cè)滑油壓力低傳感器、檢測(cè)冷卻水溫高傳感器及用于超速保護(hù)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。
⑥ 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié):
柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一般通過(guò)調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié),調(diào)速器一般分電子式、機(jī)械式和液壓式3種。調(diào)速器由轉(zhuǎn)速檢測(cè)、控制及執(zhí)行器三部分組成,調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速因負(fù)載的增加而下降時(shí),調(diào)速器通過(guò)執(zhí)行器加大油門,使轉(zhuǎn)速回升,反之當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速因負(fù)載的減小而升高時(shí),執(zhí)行器減小油門,使轉(zhuǎn)速下調(diào),保證柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。
(2)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制
① 電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)
發(fā)電機(jī)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)是通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)電機(jī)輸出端電壓高時(shí),通過(guò)AVR減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,使電壓下降;反之,當(dāng)輸出電壓降低時(shí),通過(guò)AVR增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,使電壓回升,保證電壓穩(wěn)定性。
② 空載電壓的調(diào)節(jié)
當(dāng)電機(jī)空載時(shí),通過(guò)AVR調(diào)節(jié)相關(guān)電位器,可使輸出電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整,一般為額定電壓的95%~105%。
③ 發(fā)電機(jī)的保護(hù)
a.加裝電流互感器及電流繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn),分過(guò)載短延時(shí)和過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)二種。
b.短路保護(hù):通過(guò)主開關(guān)的電磁脫扣特性來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)負(fù)載端短路時(shí),主開關(guān)自動(dòng)跳閘。
c.定子高溫保護(hù):通過(guò)加裝定子溫度傳感器。當(dāng)定子溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí),發(fā)出報(bào)警并保護(hù)。
d.防潮加熱:通過(guò)加裝防潮加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)發(fā)電機(jī)組在備機(jī)狀態(tài)時(shí),加熱器工作,以防因環(huán)境潮濕引起電機(jī)絕緣降低。
(3)自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行控制
① 單發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制
當(dāng)發(fā)電機(jī)組處于自動(dòng)應(yīng)急狀態(tài)時(shí),市電失電,發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng),當(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行正常后(電壓和頻率達(dá)額定值),通過(guò)切換開關(guān)由市電側(cè)轉(zhuǎn)至發(fā)電機(jī)側(cè),發(fā)電機(jī)對(duì)負(fù)載供電,系統(tǒng)具有自動(dòng)控制屏的有關(guān)控制功能。
② 多發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行控制
除了具有單發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功能外,應(yīng)具有下列控制功能:
a.發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)失敗時(shí),程序起動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)地將起動(dòng)指令轉(zhuǎn)移給下一臺(tái)發(fā)電機(jī)組:
b.按自動(dòng)控制指令或遙控指令完成兩臺(tái)同型號(hào)規(guī)格發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并聯(lián)與解列;通常當(dāng)輸出功率持續(xù)達(dá)到運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的額定功率時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)向第2臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)出起動(dòng)指令,并使其自動(dòng)投入并聯(lián)運(yùn)行;當(dāng)輸出功率持續(xù)減小到兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組總額定功率的40%時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)使并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組中的一臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)出解列和停機(jī)指令。
c.發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí),自動(dòng)分配輸出的有用功率和無(wú)用功率。
d.按自動(dòng)控制指令或遙控指令完成對(duì)備用發(fā)電機(jī)組(第三臺(tái)發(fā)電機(jī)組)的控制:當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組中的一臺(tái)發(fā)生故障時(shí),應(yīng)先起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組并使其自動(dòng)投入并聯(lián)運(yùn)行后,故障發(fā)電機(jī)組再解列。
當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組中的一臺(tái)發(fā)生二級(jí)故障時(shí),故障發(fā)電機(jī)組應(yīng)自動(dòng)停機(jī),并自動(dòng)切斷一部分負(fù)載(通常是次要負(fù)載),使運(yùn)行發(fā)電機(jī)組不出現(xiàn)過(guò)載,同時(shí)起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組并使其自動(dòng)投入并聯(lián)運(yùn)行,恢復(fù)正常供電。
注:一級(jí)故障是指發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障后允許運(yùn)行一段時(shí)間(備用發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行所需的時(shí)間)的故障,二級(jí)故障是指發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障后需立即停機(jī)的故障。
2.CIMC-Y自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組的專用控制器
自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組的主控制器采用專門為發(fā)電機(jī)組而設(shè)計(jì)的控制器,使系統(tǒng)控制線路大大簡(jiǎn)化,但功能更強(qiáng),系統(tǒng)更可靠,是目前被國(guó)內(nèi)外廣泛采用的控制方式。如圖8所示。Al為專用控制器,市電及發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)接入控制器,具有對(duì)油壓低及水溫高的檢測(cè),同時(shí)能控制切換。K1為綜合報(bào)警斷電器,K2為超支信號(hào)輸出,K3用于打開電磁閥,對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通過(guò)頻率方式。
圖8 自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組的DSE509專用控制器 |
未來(lái)自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組的發(fā)展方向應(yīng)該是無(wú)人值守型,功能更強(qiáng),可靠性更高:采用技術(shù)更加先進(jìn)的專用控制器是主要趨勢(shì)。
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