性能特點和作用說明

柴油發電機組電氣控制系統說明書

 

摘要：柴油發電機組的電氣控制系統包括各種傳感器、啟動電路、柴油機控制及保護、發電機勵磁控制及保護、并聯運行控制、通信及監控、供配電控制及各組成電氣元件。因此，柴油發電機組的電氣控制系統是發電機組啟動、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，也是近年來發電機組發展最快的技術。柴油發電機組控制系統從一開始手動控制、半自動、全自動、發電機組一體化控制直到現代的云服務的遠程控制系統；控制屏從指針儀表發展為數碼顯示及液晶顯示等。

 

一、柴發控制系統軟硬件設計

 

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

1、控制系統的硬件設計

（1）控制系統的CPU

     CPU是柴油發電組控制系統中的中心環節，主要是協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，用戶通過人機對話的方式對監控的參數進行部分修改就可以實現柴油發電機組的監控需求。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，因為其高密度以及較強的存儲技術可以較好的實現監控，單片機內還設有定時器，可以自動捕獲和重裝載，這樣可以更好地實現監控設計。

（2）頻率檢測

      頻率檢測是柴油發電機組中檢測發電質量的很重要的指標，因此，需要進行設計的控制系統要準確、及時的對發電機組的頻率進行檢測，發電機的轉速與發電機的發電頻率成正比，只要保證發電機組的轉速平穩，則發電機的頻率就可以保持穩定值。對發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，再加上發電機自身的干擾，因此要在信號進行轉化前進行信號的調理。信號調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信號的轉換。信號調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，提高信號的質量。柴油發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為交流信號，并最終轉化為單極的直流信號，并通過濾波電路實現模數轉化器的輸入。

      通過發電機組的控制系統對信息進行采集分析后，可以判斷各項工作環節是否正常，因為，運行出現故障的情況下，柴油發電機組的控制系統可以發出警報，通過將按鈕變為紅色來進行顯示。

（4）硬件的抗干擾設計

      保證硬件系統在發電機組的穩定性，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，將數字部分以及模擬部分實現隔離，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、控制系統的軟件設計

（1）數據采集程序

      單片機的一個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實現與單片機之間的數據傳送。

（2）診斷處理

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

（3）串行通信的設計

      后臺監控是為管理人員進行監控而設計的，因此，后臺監控必須要有可觀看的頁面，從而可以更好的實現可視化，可以利用VB進行這一功能的實現，后臺控制系統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，這是針對常態干擾進行的，是指利用然見程序對信號中的干擾比重進行降低，從而實現程序上的濾波;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的看門狗技術。

 

二、柴發控制系統的類型

 

1、指針儀表顯示屏

      主要用作發電機組控制、測量及簡單保護配電使用。

（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、時間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。

（2）測量功能實現：

      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、小時表、油壓表、水溫表等）來實現發電機、發動機主要參數顯示。

（3）操作功能：

      通過按鈕開關實現發動機的啟動、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；電壓繼電器實現過電壓、欠電壓保護；發動機的保護通過油壓開關、水溫開關動作來實現。

2、簡單模塊控制屏

      主要用作發電機組控制、測量及簡單保護配電使用。

（1）結構組成：

      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、時間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。測量功能實現：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、小時表、油壓表和水溫表等）來實現發電機、發動機主要參數顯示。

（2）操作功能：

      通過鑰匙/開關實現發動機的啟動、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；電壓繼電器實現過電壓、欠電壓保護；發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，將控制系統功能已經相對簡化。控制系統已經有向模塊化發展的趨勢。

3、具有通信功能的控制屏

      主要作為發電機組控制、測量、發動機保護、發電機保護使用。

（1）主要配置

      集成PLC功能的控制模塊，能夠進行啟動、停止、檢測發動機主要參數、發電機主要參數。（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。

（3）操作功能：

      通過模塊上“啟動”、“停止”、“自動”、“手動”按鍵來進行發電機組的操作控制，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查看實時參數、報警記錄和歷史記錄，也可以通過模塊上的按鍵根據現場情況進行參數設置。

（4）主要特點

      控制模塊的功能越來越強大，隨著發動機技術的發展，電控技術應用于發動機的控制，發電機組控制模塊也需要能夠與發動機進行通信，交換數據。發電機組控制系統這時也要求能夠支持與發動機的通信功能，例如具有CANBUS通信功能，能夠直接采集發動機的主要參數，不用再加裝發動機的傳感器，控制系統就可以讀取到發動機的水溫、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滿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RS485監控機房內單臺或者多臺發電機組的工作狀況，如果單臺發電機組數據量不大的情況下采用RS485通信就能夠滿足監控要求，如果多臺發電機組通過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通信協議進行通信。

4、智能型控制系統

      柴油發電機組的智能型控制系統包括燃油管理系統或調速控制、發電機DVR或AVR、發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，將發電機組所需的控制全部由一個界面完成。康明斯電力的“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動機調速功能、主發電機輸出電壓調整和全套發電機組控制和監測。它同時還提供隔離母排或市電（主用電源）并聯電力系統的自動和半自動同步以及自動負載分配控制功能。操作軟件控制發電機組及其性能特征，并通過數字式顯示屏顯示發電機組的運行狀態，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。柴油機轉速控制經由磁電式轉速傳感器（MPU）獲取頻率信號，控制盤送出一低功率脈沖寬度調制（PWM）信號到調速器輸出模塊然后向發動機燃油控制器（執行器）輸出一個放大信號控制燃油量以控制柴油機的轉速；發電機電壓信號通過PT/CT模塊向控制器主板提供信號至發電機調壓器輸出模塊控制勵磁機的勵磁電流，以控制發電機的輸出電壓；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模塊及發電機電壓、頻率、電流信號通過PT/CT模塊分別送至并聯模塊向控制器主板傳送，由控制器主板分別調整發電機組的轉速（頻率）、電壓，待并聯條件滿足時控制并聯電路斷電器合閘，隨后控制發電機組的轉速（頻率）、電壓以進行有功和無功功率分配；監控通信功能通過網卡連接PC對發電機組進行通信、監控；整個發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，從主控關系上實現了完全一體化控制。

（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，發電機組控制結構如圖2所示。

發電機CONTREG主要功能 ① 發動機控制： ● 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 電壓調節： ● 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； ● 電壓調節范圍：AC90～480V； ● 可調節的電壓穩態性參數。 ④ 軟啟動功能。

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

 

圖1  康明斯發電機組PCC3.3控制系統方框圖

圖2 CONTREG的發電機組控制系統示意圖

 

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