基于PLC技術的柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)設計與應用
發(fā)布時間：2012-07-13 閱讀次數(shù)：587
柴油發(fā)電機是火電廠一種常用后備供電設備[1]，某電廠#1柴油發(fā)電機組以兩臺300MW機組提供后備電源，原控制回路采用繼電器控制方式，存在接線復雜、靈活性差、響應周期長、運行可靠性低、故障率高等缺點，且系統(tǒng)已老化，給電廠正常運行和事故檢修帶來困難；控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代大中型火力發(fā)電機組對控制系統(tǒng)自動化程度和可靠性的要求。
設計了一種以西門子S7-400H PLC為核心的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有編程方便、易于使用、維護和擴展方便等優(yōu)點。應用PROFIBUS總線技術使系統(tǒng)具備遠程通信功能，柴油發(fā)電機運行狀態(tài)實時送入集控室，實現(xiàn)遠程監(jiān)視、診斷、在線操作和調試功能。使后備供電設備更加安全可靠，同時，提高了系統(tǒng)的測、控、管一體化水平。
2 柴油發(fā)電機系統(tǒng)組成及要求
2.1 系統(tǒng)結構組成 柴油發(fā)電機為單元制布置，每兩臺300MW機組配置一個單元系統(tǒng)。
柴油發(fā)電機組由主機系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、勵磁調節(jié)系統(tǒng)、電氣饋線屏、測量控制裝置等六部分組成。主機系統(tǒng)包括發(fā)電機、發(fā)動機及附屬設備。燃油系統(tǒng)包括燃油箱、燃油控制閥，為柴油發(fā)電機提供柴油，并控制燃油流量。啟動系統(tǒng)包括24VDC充電機、蓄電池和啟動電機，因柴油發(fā)電機組采用電啟動方式，以全密封免維護閥控鉛酸蓄電池為電源，其容量需能滿足連續(xù)啟動15次。勵磁調節(jié)系統(tǒng)包括自動電壓調節(jié)器，用于調節(jié)發(fā)電機出口電壓。電氣饋線屏包括發(fā)電機出口斷路器、饋線屏和連至各段保安段饋線刀閘，用來控制發(fā)電機出口至保安段線路。
2.2 柴油發(fā)電機工作流程 柴油發(fā)電機的工作流程分為3個階段。①啟動階段：為保證柴油發(fā)電機組自啟動快速性和成功率，保證柴油發(fā)電機組正常處于熱態(tài)，采取對柴油發(fā)電機組冷卻水預加熱手段。當保安段的運行主電源（工作段）出現(xiàn)異?；虮０捕坞娫撮_關誤跳閘，電氣控制系統(tǒng)（ECS）發(fā)出柴油機啟動命令。電機開始帶動柴油發(fā)電機運行，同時打開燃油控制閥，柴油發(fā)電機升速運行直至額定轉速1450r/min。ECS系統(tǒng)發(fā)勵磁投入指令，自動電壓調節(jié)器開始調節(jié)柴油發(fā)電機的電壓直至額定電壓。10秒內完成一次啟動，60秒內實現(xiàn)一個自啟動循環(huán)（即三次啟動）。若自啟動連續(xù)三次失敗，則發(fā)出停機信號，并閉鎖自啟動回路。柴油發(fā)電機組自啟動成功的定義是: 柴油發(fā)電機組在額定轉速，發(fā)電機在額定電壓下穩(wěn)定運行2～3秒，并具備首次加載條件。②帶負載運行階段：自啟動成功后，保安負荷分兩級投入，待柴油機組符合并列條件后，控制器發(fā)出合閘出口斷路器QF命令，并利用QF輔助接點聯(lián)鎖合上#1機組的出口刀閘K1和#2機組的出口刀閘K3，柴油發(fā)電機開始帶保安A段負荷運行。柴油發(fā)電機組接到起動指令后10秒內發(fā)出首次加載指令，允許首次加載不小于50%額定容量的負載(感性)。在首次加載,轉自[星論文網(wǎng)]www.starlunwen.net后5秒內再次發(fā)出加載指令，允許加載至滿負載(感性)運行，此時合上#1機組出口刀閘K2和#2機組出口刀閘K4。至此，柴油發(fā)電機組已帶滿負載運行。系統(tǒng)測量控制裝置對柴油發(fā)電機的各項參數(shù)（如燃油壓力、柴油發(fā)電機轉速等）進行監(jiān)控，遇到異常工況則轉入停機階段。③停機階段：當工作段恢復正常且保安段電源開關狀態(tài)恢復正常后，或者柴油發(fā)電機組運行出現(xiàn)異常，ECS發(fā)出柴油機跳機指令，同時閉鎖燃油控制閥開指令。合上工作電源開關K5(K6)，根據(jù)設定程序進行柴油機負荷轉移后，發(fā)出跳開出口開關QF命令。跳開QF的同時，QF常閉接點聯(lián)跳K1、K2和K3、K4開關。因柴油發(fā)電機不可帶負載停機，所以，卸載后需空載運行3分鐘，使其進入怠速停機狀態(tài)。3分鐘后，柴油發(fā)電機停止運行進入熱備用狀態(tài)。
2.3 柴油發(fā)電機組的性能及結構要求 ①運行要求：柴油發(fā)電機組可在連續(xù)1000kW下運行100小時。可通過運行選擇開關來選擇柴油發(fā)電機組運行狀態(tài)。開關有“自動（試驗）”、“手動”和“零位”三個位置。正常時處于準起動狀態(tài)即“自動”狀態(tài)。自啟動時間<10秒。②起動要求：為保證柴油發(fā)電機組自起動快速性和成功率，且正常時能處于熱態(tài)，對機組冷卻水采取預加熱手段。機組為電起動方式，電源采用全密封免維護閥控鉛酸蓄電池（容量400AH），其浮充裝置具備小電源浮充和快速充電的雙速自動充電功能。③機組起動過程：當保安段運行主電源（保安段上一級母線）出現(xiàn)異?；螂娫撮_關誤跳閘時，F(xiàn)ECS系統(tǒng)先對備用電源進行檢測和判斷，若電源正常，則先發(fā)出電源切換命令；若電源異常或開關拒動，則由FECS系統(tǒng)發(fā)出啟動柴油機命令。待符合并列運行條件后，發(fā)出合出口開關命令，QF合上。利用QF輔助接點聯(lián)鎖合上#1機組的K1、K2和#2機組的K3、K4開關，由柴油機帶保安A和B段負荷。④機組跳機過程：當保安段運行主電源（保安段上一級母線）恢復正常且保安段電源開關狀態(tài)恢復正常后，通過手動啟動柴油機跳機程序，合上工作電源開關K5(K6)，由設定程序實現(xiàn)柴油機負荷轉移，發(fā)出跳開QF命令，QF跳開。QF的常閉接點聯(lián)跳K1、K2和K3、K4開關。⑤正常維護開機過程：此時#1、#2機組保安段A和B都帶電，如要試機，手動發(fā)出柴油機起動命令，待柴油機組符合并列條件后，發(fā)出合QF命令，然后手動同期合上K1、K2或K3、K4開關，讓柴油機組帶保安段負荷。
3 控制系統(tǒng)硬件組成
柴油發(fā)電機后備電源，對系統(tǒng)可靠性要求較高，若不能及時為兩臺發(fā)電機組保安段提供電源，將造成主機設備損壞和重大經(jīng)濟損失。為此，PLC采用雙機熱備配置。采用“熱備用”模式的主動原理來配置兩套完全相同的系統(tǒng)。無故障時，主模塊負責程序處理，備用模塊負責監(jiān)控主模塊運行狀態(tài)。當主模塊故障時，備用模塊能無擾地自動切換。以工控機為上位機，經(jīng)通信模塊CP與CPU模塊的MPI接口相連，形成“PLC 上位機”控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件結構如圖1所示。
3.1 PLC硬件配置 使用Rack0和Rack1兩個分區(qū)的UR2H機架，各分9槽，有CPU414-4H和PS407電源各一塊，經(jīng)光纖實現(xiàn)冗余。以單通道切換方式配置I/O模塊，通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡訪問I/O模塊（見圖2），采用分布式I/O模塊ET200M，包括三塊SM321和三塊SM322及兩塊SM331。具有開關量輸入40點、輸出39點和12路模擬量輸入。
4 系統(tǒng)軟件設計及其實現(xiàn)的功能
本文只對系統(tǒng)軟件環(huán)境和編程思路進行說明。以STEP7 V5.3 SP2為PLC軟件系統(tǒng)平臺，對柴油發(fā)電機的特性曲線進行分析，仿真出其運行曲線，針對曲線編程，實現(xiàn)平滑運行和輸出穩(wěn)定。系統(tǒng)具有自起動、自動調節(jié)、自動控制、模擬試驗等功能。
5 結束語
提出的基于PLC技術的柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)，已應用到我省的火電廠中，運行表明，硬件簡單，技術經(jīng)濟指標好，可靠性高。程序稍作修改，就可以滿足用戶不同的控制要求，具有一定的實用性和通用性。在機房無人值守的條件下能保證系統(tǒng)可靠運行。
