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性能特点和作用说明 |
柴油发电机组电气控制系统说明书 |
摘要：柴油发电机组的电气控制系统包括各种传感器、启动电路、柴油机控制及保护、发电机励磁控制及保护、并联运行控制、通信及监控、供配电控制及各组成电气元件。因此，柴油发电机组的电气控制系统是发电机组启动、运行、监控、调节、保护、输出电能和通信的控制中心，是不可缺少的重要组成部分，也是近年来发电机组发展最快的技术。柴油发电机组控制系统从一开始手动控制、半自动、全自动、发电机组一体化控制直到现代的云服务的远程控制系统；控制屏从指针仪表发展为数码显示及液晶显示等。
一、柴发控制系统软硬件设计
柴油发电机组因其本身的特点要将控制系统安装在发电机组的控制柜内，控制系统的硬件设备设计有自身的要求以及技术指标，因此，柴油发电机组的控制系统硬件设计要满足柴油发电机组功能技术指标要求。
1、控制系统的硬件设计
（1）控制系统的CPU
CPU是柴油发电组控制系统中的中心环节，主要是协调控制系统的组织以及运行等的工作，当前国内外的控制系统中通用的是高性能微处理器，用户通过人机对话的方式对监控的参数进行部分修改就可以实现柴油发电机组的监控需求。单片机作为高性能、低电压的设备，可以作为控制系统的中的CPU,单片机可以反复擦写，因为其高密度以及较强的存储技术可以较好的实现监控，单片机内还设有定时器，可以自动捕获和重装载，这样可以更好地实现监控设计。
（2）频率检测
频率检测是柴油发电机组中检测发电质量的很重要的指标，因此，需要进行设计的控制系统要准确、及时的对发电机组的频率进行检测，发电机的转速与发电机的发电频率成正比，只要保证发电机组的转速平稳，则发电机的频率就可以保持稳定值。对发电机组的频率进行评测，可以利用单片机进行测量，求方法主要有测频率法以及测周期法。
（3）模拟量信号采集与处理
发电机自身带有传感器，传感器可以将模拟量转换为电量信号，因为传感器的信号幅度，再加上发电机自身的干扰，因此要在信号进行转化前进行信号的调理。信号调理主要是进行信号的模拟处理，利用的是电子线路进行，其目的是通过传感器的电量信号进行输出，从而进行处理后实现信号的转换。信号调理可以对传感器的非线性进行补偿，从而提高信号的信噪比，提高信号的质量。柴油发电机组的控制系统的设计应利用输入通道的电路，将传感器输出的电流变为交流信号，并最终转化为单极的直流信号，并通过滤波电路实现模数转化器的输入。
通过发电机组的控制系统对信息进行采集分析后，可以判断各项工作环节是否正常，因为，运行出现故障的情况下，柴油发电机组的控制系统可以发出警报，通过将按钮变为红色来进行显示。
（4）硬件的抗干扰设计
保证硬件系统在发电机组的稳定性，可以采用几种措施来抵抗干扰：首次，进行隔离和屏蔽，这是为了防止耦合的干扰，将数字部分以及模拟部分实现隔离，可以抑制数字系统的干扰;其次，可以将去耦电容加上集成电路的元件，进行微处理器的处理，除此之外，还要利用地线抵制干扰。
2、控制系统的软件设计
（1）数据采集程序
单片机的一个很重要的功能就是数据处理，数据处理也是传感器和单片机的很重要的接口，其数据处理的类型主要有两种，模拟信号以及开关量信号。模拟信号是利用交流电压进行采样，从而防止扰动实现多次采样，开关量信号的软件编写相对来说比较简单，通过74HC165实现与单片机之间的数据传送。
（2）诊断处理
柴油发电机组控制系统中应用的单片机进行的诊断处理，为柴油发电机组的监控中的设计带来了很大的好处，可以灵活的解决控制系统中无法解决的问题，控制系统中的定时以及捕获功能都可以实现。
（3）串行通信的设计
后台监控是为管理人员进行监控而设计的，因此，后台监控必须要有可观看的页面，从而可以更好的实现可视化，可以利用VB进行这一功能的实现，后台控制系统不是利用单片机进行采集，而是利用信息量进行信息的显示，从而实现单片机的通信能力。
（4）软件的抗干扰设计
软件的抗干扰设计中的技术设计主要有以下几点：主动的初始化设计，这主要是针对那些易于被干扰的元件，对于这些，要进行初始化的处理;软件的滤波法，这是针对常态干扰进行的，是指利用然见程序对信号中的干扰比重进行降低，从而实现程序上的滤波;重复的执行程序指令，保证与外部设备的接触，因此，需要执行程序的重复执行，除此之外，还可以采用防止死循环的看门狗技术。
二、柴发控制系统的类型
1、指针仪表显示屏
主要用作发电机组控制、测量及简单保护配电使用。
（1）结构组成：
主要配置为面板装有指示灯（信号状态指示灯）、直流电压表、直流电流表、功率表、功率因数表、频率表、交流电压表、交流电流表、计时表、油压表、水温表、按钮等显示和控制元件。控制屏内配置有电压继电器、电流继电器、时间继电器、中间继电器等继电保护元件。
（2）测量功能实现：
由面板布置的仪表（电压表、电流表、频率表、功率表、功率因数表、小时表、油压表、水温表等）来实现发电机、发动机主要参数显示。
（3）操作功能：
通过按钮开关实现发动机的启动、停机，断路器的合闸、分闸控制。
（4）保护功能：
由自动开关进行过载及短路保护；电压继电器实现过电压、欠电压保护；发动机的保护通过油压开关、水温开关动作来实现。
2、简单模块控制屏
主要用作发电机组控制、测量及简单保护配电使用。
（1）结构组成：
配置一个简单的启动、停止模块（比较有代表性的为HGM6110N），面板装有指示灯（信号状态指示灯）、电压表、交流电流表、功率表、功率因数表、频率表、直流电压表、直流电流表、小时表、油压表、水温表和按钮等显示和控制元件。控制屏内配置有电压继电器、电流继电器、时间继电器、中间继电器等继电保护元件。测量功能实现：由面板布置的仪表（电压表、电流表、频率表、功率表、功率因数表、小时表、油压表和水温表等）来实现发电机、发动机主要参数显示。
（2）操作功能：
通过钥匙/开关实现发动机的启动、停机，通过按钮控制断路器的合闸、分闸。保护功能：由自动开关进行过载及短路保护；电压继电器实现过电压、欠电压保护；发动机的保护通过油压开关、水温开关可以进入HGM6110N的输入口，可以在面板显示报警指示，该模块也可以用来实现超速保护功能。
（3）主要特点：
采用HGM6110N控制模块，集成了开关量报警，充电失败、超速保护功能、钥匙/开关启动停止功能，将控制系统功能已经相对简化。控制系统已经有向模块化发展的趋势。
3、具有通信功能的控制屏
主要作为发电机组控制、测量、发动机保护、发电机保护使用。
（1）主要配置
集成PLC功能的控制模块，能够进行启动、停止、检测发动机主要参数、发电机主要参数。（具有代表性的为DSE7320），控制面板仅仅配置一个紧急停机按钮，操作记录、报警历史记录都可以通过控制模块上的按键来进行操作翻看，交流电压表、交流电流表、功率表、功率因数表、频率表、直流电压表、直流电流表、小时表、油压表、水温表等仪表功能可以在模块上LCD显示屏中文字显示。控制屏内主要配置有中间继电器，熔断器和转接端子等元件。
（2）测量功能实现：
面板布置的仪表（电压表、电流表、频率表、功率表、功率因数表、小时表、油压表和水温表等）都由控制模块上的LCD屏幕来显示，通过翻页键即可显示各种参数。
（3）操作功能：
通过模块上“启动”、“停止”、“自动”、“手动”按键来进行发电机组的操作控制，控制模块一般设置断路器的“合闸”、“分闸”按键功能，通过模块上面的组合按键可以实现查看实时参数、报警记录和历史记录，也可以通过模块上的按键根据现场情况进行参数设置。
（4）主要特点
控制模块的功能越来越强大，随着发动机技术的发展，电控技术应用于发动机的控制，发电机组控制模块也需要能够与发动机进行通信，交换数据。发电机组控制系统这时也要求能够支持与发动机的通信功能，例如具有CANBUS通信功能，能够直接采集发动机的主要参数，不用再加装发动机的传感器，控制系统就可以读取到发动机的水温、油压、油耗及故障代码等主要的参数。另外，控制系统还需要具备远程监控功能来满足机房的集中监控功能。一般配置 Modbus监控接口，远程上位机可以通过RS485监控机房内单台或者多台发电机组的工作状况，如果单台发电机组数据量不大的情况下采用RS485通信就能够满足监控要求，如果多台发电机组通过RS485通信采集，对通信速率要求比较高的项目，就需要采用RJ45端口，通过ModbusTCP/IP通信协议进行通信。
4、智能型控制系统
柴油发电机组的智能型控制系统包括燃油管理系统或调速控制、发电机DVR或AVR、发电机组的测量与保护、并机的测量与控制、遥控遥测与通信等，将发电机组所需的控制全部由一个界面完成。康明斯电力的“PCC3.3”控制系统就是典型的代表。
（1）康明斯电力PCC3.3控制系统
PCC3.3是康明斯电力系统发电机组上使用的以微处理器为基础的控制器，它提供燃油控制和发动机调速功能、主发电机输出电压调整和全套发电机组控制和监测。它同时还提供隔离母排或市电（主用电源）并联电力系统的自动和半自动同步以及自动负载分配控制功能。操作软件控制发电机组及其性能特征，并通过数字式显示屏显示发电机组的运行状态，由前端面板上的按键进行控制或功能设定。
如图1所示PCC3.3控制器的主要控制功能。柴油机转速控制经由磁电式转速传感器（MPU）获取频率信号，控制盘送出一低功率脉冲宽度调制（PWM）信号到调速器输出模块然后向发动机燃油控制器（执行器）输出一个放大信号控制燃油量以控制柴油机的转速；发电机电压信号通过PT/CT模块向控制器主板提供信号至发电机调压器输出模块控制励磁机的励磁电流，以控制发电机的输出电压；机油、冷却液和排烟温度等由传感器传送信号至发动机传送器和传感器模块后再传送至控制器主板，通过燃油控制卡控制燃油的关断，以保护发电机组的运行安全；母排电压、频率信号通过母排PT模块及发电机电压、频率、电流信号通过PT/CT模块分别送至并联模块向控制器主板传送，由控制器主板分别调整发电机组的转速（频率）、电压，待并联条件满足时控制并联电路断电器合闸，随后控制发电机组的转速（频率）、电压以进行有功和无功功率分配；监控通信功能通过网卡连接PC对发电机组进行通信、监控；整个发电机组的参数设定包括转速（频率）、电压、增益、稳定、下垂（速降、压降）、传感器设定、功率分配等均在面板上操作设定。
控制系统由主控制模块、功能模块和数模转换模块组成，从主控关系上实现了完全一体化控制。
（2）CONTREG控制器
CONTREG控制器是EMERSON为利来森玛发电机设计的一种数字电压调节器（DVR）具有柴油机控制的新型控制器，发电机组控制结构如图2所示。
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发电机CONTREG主要功能 ① 发动机控制： ● 启动准备（预润滑或进气预加热）： ● 可设置启动时间、次数和间隔时间的启动时序； ● 本地或远程起停； ● 带冷却停机延时的停机时序； ● 可选择MPU或者J1939运行反馈。 ② 发电机的保护（ANSI）： ● 欠电压/过电压保护（27/59）； ● 欠频率/过频率保护（81）； ● 过电流保护（51）。 ③ 电压调节： ● 可测量交流电的相电压或者线电压； ● 最大励磁电流：4A（7A强励，10s）； ● U/F功能； ● 电压调节范围：AC90～480V； ● 可调节的电压稳态性参数。 ④ 软启动功能。 |
性能特点 ① 二合一节省成本； ② 具备发电机组控制器的基本控制和显示功能； ③ 发电机配置简单； ④ AVR信息显示； ⑤ 数据记录； ⑥ 预防性维修； ⑦ 快速设置。 应用领域 ① LSA40/42/43/44以及TAL40/42/44自励励磁系统发电机； ② 50/60Hz; ③ 2/3/4缸发动机； ④ 最高单相电压277V；三相电压480V。 |
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图1 康明斯发电机组PCC3.3控制系统方框图 |
图2 CONTREG的发电机组控制系统示意图 |
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