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柴油电站全自动控制系统设计 摘要 柴油电站( 通常由两台或两台以上柴油发电机组组成) 对操作人 员的技术要求较高，而且现场的工作条件相当恶劣。随着生产力水平 的不断提高，降低劳动强度以及提高设备运行可靠性的要求越来越迫 切地摆放在工程技术人员面前。因此柴油电站全自动控制系统设计追 在眉睫，无人值守全自动电站( 以控制系统取代人员在现场的操作) 必然成为电站控制的发展趋势。 为了使柴油发电机组各个部件处于最佳点上，保护功能更趋合理 和完善，必须发展柴油发电机组的自动控制技术。本文论述的柴油电 站全自动控制系统设计的目的是通过对整个柴油电站系统以及自动 化控制模式的分析论证，参照国家相应标准，寻求一个适合企业自身 实际情况的电站全自动控制方案，并付诸实施，提高公司自动化产品 的技术层次，提高柴油电站自动化运行的可靠性和经济性，降低探作 人员的工作强度。 本文通过论述电站控制系统发展演变以及国内外的发展现状，探 讨论证了适用于本课题的实际情况的控制方案。在充分考虑了本课题 的实际要求以及先进性、可靠性、经济性等方面的因素，在控制方案 的设计上提出了采用了可编程控制器和专用模块相结合的伞新设计 思想。在此基础上对构成本控制系统的两大子系统( 自控系统和监测 d s e lg e n e r a t o rs 1 ：a t l 0 n a u t o m a l l cc o n t r o ls y s t e md e s i g n i n g a b s t r a c t d i e s e lg e n e r a t o rs t a t i o nw h i c hi sc o n s i s t e do ft w oo rm o r ed i e s e l g e n e r a t o rs e t sr e q u i r e st h eo p e r a t o rw h oh a dp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea n d e x p e r i e n c e a n dt h ec o n d i t i o no ft h es t a t i o ni sv e r yh a r d ，t h eo p e r a t o rh a d t ob e a rt h en o i s ea n do t h e rf a c t o r s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g y , n o wt h ep r o f e s s i o n a lp e o p l ea r ef a c i n gt h ep r o b l e m s ：h o w t oa d v a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h es t a t i o ne q u i p m e n ta n dh o wt or e d u c et h e l a b o ri n t e n s i t y s ot h ea u t o m a t i cc o n t r o ld e s i g n i n go ft h ed i e s e lg e n e r a t o r s t a t i o ni sn e c e s s a r y t h ef u l la u t o m a t i cs t a t i o nw i t h o u tp e r s o ns h o u l d b e c o m et h et r e n do f t h es t a t i o n sc o n t r 0 1 i no r d e rt om a k et h ee v e r yp a r to ft h ed i e s e lw o r k i n gb e s ta n dm a k e t h ef u n c t i o no fp r o t e c t i o ng e t t i n gm o r ep e r f e c t ，w em u s td e v e l o pt h e c o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ed i e s e lg e n e r a t o rs t a t i o n s e a r c h i n gap l a nw h i c h f i tf o ro u rc o m p a n ya n dt h e nb r i n gi tt oe f f e c ti st h ep u r p o s eo ft h i s t r e a t i s e a tt h es a m et i m ew ec a ni m p r o v et h el e v e lo fo u rc o m p a n y s t e c h n o l o g y , t h er e l i a b i l i t ya n dt h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h ed i e s e l g e n e r a t o rs t a t i o n a tt h eb e g i n n i n go ft h i s t r e a t i s e ，w ed i s s e r t a t et h ep r o g r e s so ft h e d i e s e lg e n e r a t o rs t a t i o n sc o n t r o ls y s t e ma n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n a n d k e yw o r d s ：d i e s e lg e n e r a t o rs t a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m m o n i t o rs y s t e m p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密c 孤在三：年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位做作者繇徐氍指制雠： 日期沙0 年，月a 文目日期：溯莎# 1 月少2 日 柴汕i 乜站个f i 础拧制系统波柳- j 一、序言：自动电站的发展及意义 柴油i 乜站( 通常i n 两台或两台以i ：柴油发i 乜机组纽成) 对操作人员n 勺技术菱 水较岛，f f f 且现场的工作条q l ：十1 j 、憋劣。| 9 f ! 右佳产力水，卜的小断提岛，阶低劳动 强皮以及提商设备运行可靠性的璺求越来越迫切地栏放订：t w 技术人员f f l l f j 。州 此柴油电站全自动拧制系统设计迫在心睫，无人值守全自动i 乜站( 以拎制系统取 代人员红现场的操作) 必然成为发胜趋势。 为，使柴油发电机组各个部仆处于最作点上，保护功能史趋含胛剃宄辫，必 须发胜柴汕发电机纽的自动拧制技术。原来柴汕发l u 机纽的尽小机f u 参数，如润 滑油腿力、润滑油温度、冷却水温度、转速、电挑、也流、频率、功串远小能反 映其工作状态的域住性，也小能适心自动电纠i 、1 7 幼j 1 1 f 动、i ，| 幼j i 币、r j 幼斛列 的要求，必须有史多参数，如启动 发备的监控鞋、冷却水j f j 力、排气温叟、柴油 发电机组三次肩动失败，手开关重合闸失败，启动蓄i u 池 王肚低，发l u 机绕组温 皮检测，柴油发电机组并联运行时自动频率、电臼、的训仃拧 | j i j 等。如此多的物理 昂竹：老的继i u 器或数 也蹄拎 | j i | l 远不能胜仟，1 8 f ! 氍计钟机技术的发能，给柴_ l | l 发电机组的技术的发胜姓供r 新的思路年手段，它 殷人地提山j ，柴 l l 发 l ! 机组f 1 动化运行的域t 卡性、保护功能的完善性和心急功能的可靠性。也呵订：身【成柴油发 电机电当 i 的并联化和模块化足更简便、更可靠。 在柴油发电机组的计算机控制发展初期其结构形式尽小如蚓卜l 所示。从绐 柴油机 柴油机 工作量 柴油机碰制 调节参量 魏 互卜 难 控制 计算机 竺离墨r 一蝴籼 电机控制量 状态设 置和显 不 通讯p 自动化 模块j + 电站控 o 制系统 图1 1 计算机控制的柴油发电机组结构框图 f 1 9 1 1c o n f i g u r a t a o no f c o m p u t e r - c o n t r o l l e dd , e s e lg e n e r a t o rs e t 构框图中可见，原来由继电器或数字电路完成的逻帮 拧制信q ，以及缘术符个 独立的调常器信| 弓，全部通过a d 转换模块输入剑抑制计算机，i h 汁竹机| l 巾处 上海交通大学硕士学位论文 柴油电站全自动控制系统设计 第一章序言 理、控制，根据需要输入的指令，输出适当的信号，由d a 转换给柴油机和发电 机执行机构动作，从而使柴油发电机组达到理想的运行状态。 现在的电站控制计算机系统其功能已相当完善，自动化水平达到棚当高的程 度，一般已不需要专门设计计算机硬件系统，选用通用璎的t q k 控制计算机、p i 。c 可编程拧制器、通用模拟量接口、数字量接1 ：3 、通用型通讯借u 模块与计算机控 制的柴油发电机组进行有机组合即可实现。其计算机控制系统框图如图卜2 所 示。 图1 - 2 电站的计算机控制系统框图 f 1 9 l - 2e o n f i g u r a t l o no f t h ec o m p u t e rc o n t r o lo f g e n e r a t o rs e t 多台柴油发电机组在电站中作为多个供电模块，随詹调速 技术的发胜，可 实现任意多台组合。在保证系统安全的前提下，互丰 替换任务的交接、负载转移， 随时排除故障供电模块，使电站系统的可靠性、工作寿命趋于一致性方向得以很 大的提高。为了确保电站的安全、可靠、经济的运行，除j ，在馊的质翳发挥- r 重要的作用外，电站系统计算机的控制软件也应该有效地实现整个电站全自动控 制和集中控制，并负责整个系统的安全保护作用。这样根捌斋耍进行配置，无需 为每一个任务专门进行设计、制造，也有利于最大限度地发挥产品的经济效益。 柴油电站全自动控制系统设计的目的是通过对整个柴油电站系统以及自动化控 制模式的分析论证，参照国家相应标准，寻求一个适合企业自身实际情况的电站 全自动控制方案，提高公司自动化产品的技术层次，提高柴油电站自动化运行的 可靠性和经济性，降低操作人员的工作强度。为产品及市场服务。 上海交通大学硕士学位论文 2 柴油电站全自动控制系统设计 第二章崮内外典型设计模式 二、国内外全自动电站控制系统典型设计模式的现状 柴油发电机组全自动化控制系统经历了三四十年的发展，现在巴进入褶当成 熟的使用阶段，特别是在标准化、模块化和系列化方面有j ，长足的进步，级观现 在国内外全自动电站控制系统比较先进的典型设计模式基本上有以下i 种； 1 以单功能模块为基础单元，根据自动化电站的要求等级内容使用 相应的模块组成自动化电站系统。 全自动柴油发电机组电站控制系统，主要应包括以下三大功能，即监测功能、 保护功能和自动控制功能，这三大功能应具有相对独立，又相互关联的作用。根 据每种功能可分门别类生产各种单元模块，这些单元模块除1 r 保自f 本身功能接口 外，也考虑了和其它单元模块联络的通信接口，这些接口可以不采用总线的方法 相接，而采用传统的一对一的连接方法。 目前，这方面比较典型的有丹麦s e l c o 公司的产晶，该产t 钻按n 动电站三大 功能所述大致有： 1 1 监测功能模块。每个模块带有十多个电参每或机参髓的报警灯显示，州时 具有试灯、消警等功能。典型模块有m 1 0 0 0 、m 4 1 0 0 等，一般一台机组可 以由一到二块这样的监测模块完成其监测功能。 1 2 保护功能模块。每个模块能监控对应机组机电参硅，当机i 乜参嚣越限时， 内部继电器动作，其直接效果就是断开相应机组的手开关或使槲心机组停 机。该模块主要有以下系列类型：润滑油压力过低、逆功、短蹄、接地保 护等。 1 3 控制功能模块。该功能模块主要是接受保护功能模块产生动作f 向信号和相 邻机组所传输的信号( 如开关状态、功率状态等) 以及人为所发i i 的指令 信号以控制对应机组的动作( 如启动、停机、卸裁、并车、负荷分配等) 。 这类控制模块主要有：单机自启动停机模块、自动并车模块和负荷分配模 块等。 图2 - 1 是按全自动电站的要求使用s e l c o 公司的系列模块搭建的一个控制系 统( 为简化仅画出二台机组示意) 上海交通大学硕士学位论文 紫油电站全自动控制系统设计 第二二审目内外典型设计模式 图2 - 1 f i 9 2 - 1 如图2 - 1 所示的系统尽管没采用到局域嘲的总线方式，f l 由于各功能模块相 对独立，用户对故障容易分析处理，调换够个模块方便且价格便宜，另外生 l 粜某 个功能模块损坏，也不至于使整个电站控制系统瘫痪。此外，由于模块功能单一， 所以不必使用可编程控制器作为控制部件，在一定稃度卜也降低r 乍产成本。 2 以可编程控制器( p l c ) 为控制核心，并辅以部分功能模块组成 全自动电站控制系统。 可编程控制器以其开发功能强、编程方便、使用方式灵活等特点，而被广泛 应用于各种控制线路中。就自动电站f f i i 言，无论是单机还是多机的自动控制，可 编程控制器都以其鲜明的特点为优势，占据了大量的市场。 目前，这方面比较典型的有德国s e i m e n s 公司的产晶，其代表是通过s 5 器 件为控制关键部件组成的p m 5 2 自动电站控制系统。p m 5 2 系统可分解为着干个 子系统，每个子系统对应监控一套机组。每个子系统又由以f 四个部分组成： 2 1 电源部件。该部件提供了对应子系统所需的不问断电源。 2 2 信号调理部件。该部件主要是对所对应机组各种电参数进行测茕，进行参 数越限判断，并将结果提供给可编程控制器s 5 处理，其信哆的采集过柙办受剑 s 5 的控制。某些控制功能如并车过程中捎捉川步点时的升降速动作办足f i j 垓部 件提供给可编平q 控制器的。 2 3 控制功能部件。每台机组对应有独立的一台控制功能器件可编程控制 器s 5 。该控制器包含有中央控制器c p u ，开关量i o 接口，模拟鼋输入口( h i ) 和数字信号输入输出接口( d i 、d o ) 等。 2 4 操作及显示功能部件。该部件具有操作机组启动、停机功能和机电参藿故 障点报警显示功能。 图2 2 是按全自动电站的要求使用s e i m e n s 公司的p m a 5 2 系统为核心的一个 控制系统( 为简化仪i i 出二台机组示意) ，如矧2 - 2 所示的电站系统的各个子系 统的协调是通过可编程控制器s 5 的相互通信 j 联络解决的，采用s i n f ：c l l 总 上海交通大学硕士学位论文 4 柴油电站全自动控制系统设计 第章明内外典型设纠模式 线连接。 由于系统中采用了编程灵活的可编程控制器，对于有特殊功能要求的全自动 电站系统，此模式不失为优先采用的方案。 操作部件h ”棚。p a r t 图2 2 操作部件h “d l 。p a r t f i 9 2 - 2 3 对于专业生产自动化控制系统的厂商而言，为了减低批量生产成 本，已经抛弃了可编程控制器的使用，而转向更为集成化的方向发展。 丹麦的d e i f 公司早先的产品由可编程控制器组成，目i i 该厂商已推出新的 一种型号i ) e l o m a t i c 控制系统，该系统由若干个称为d g o 的单元组成，每个d g u 单元对应控制一台柴油发电机组，有n 台机组组成的电站就自由n 个d g u 单元组 成其控制系统，而对应第一台机组的第一个d ( ；u 单；6 e r , 除j ，土要功能和毖他单元 功能一样外，增加了一个称为“电站管理系统”的功能。n 台机组的自动控制协 调将由该管理系统统一执行。每个d g u 单元由若干块印刷线路板组成，此外，该 单元的某些信号设顶均可由一块对应的p c 操作板进行。 系统示意图见图2 - 3 。 上海交通大学硕士学位论文 柴油电站全自动控制系统设计 第二章国内外典型设计模式 d g u l 管理系统接口 。茹；纯一蒿u i 电站管理系纯 持氲王i 赫 管殍表统接o m m l a g c m e ms y s t m n j n 越 控制单元i x _ ；u 2 o 击 m = u 一l一l i + f 图2 - 3 f 1 9 2 - 3 图2 3 中文字解释如下： p m s 电站管理系统，根据各个d g u 单元提供的信号决定整个电站的丁作状态， 即自动、遥控等状况接顶机组的优先权，决定某台机组的启动、停机。进行系统 负载分 j 己、卸载等功能。每套电站系统仅有一个f u 站钒卿系统。 管珂系统程序接口：该接口为每个d g u 单7 i 所必需，它起连接d g u 单7 e 中的 控制单元和p m s 管理系统的作用。电站管理系统p 骼通过它对d g u 的控制单元进 行控制，如发出机组的启动、停机信号等。 控制单元：每个d g u 单元也必须包含一个控制单元，该挡制单元储存着机组 工作状态、测最数据、控制方式等信息。p m s 管理系统单兀发来的信息通过程序 接口传递，最终由控制单元来执行。 整个系统的信号联系是通过( l a n ) a r c v e t w o r k 网来实现的。 上海交通大学硕士学位论文6 柴油电站仝自动控制系统设计第三章课题的具体埘象及耍求 本课题的具体对象及要求 1 控制对象的组成 i 1 主电站： 三弁柴油发电机组，一组主配电板 其中柴油发电机组由m w mt b d 2 3 4 v 1 2 型柴油机 s i e m e n si f c 53 5 6 - 4 t a 9 5 - z 型发电机构成。 i 2 停泊电站： 一台柴油发电机组和一组停泊配电板 其中柴油发电机组由m w mt b d 2 3 4 v 6 型柴油机。 s i e m e n s1 f c 62 3 6 4 s a 9 5 一z 型发电机构成。 2 使用条件 2 1 空气温度+ 4 5 ( 其中电子元件为+ 5 5 ) 2 2 海水温度3 2 2 3 空气相对湿度9 5 2 4 盐雾：有 2 5 藐菌：有 2 6 凝露：有 2 7 汕雾：有 2 8 振动：有 2 9 冲击：有 2 1 0 纵倾7 5 。，横倾1 5 。，横摇2 2 5 。( 蒯期为3 1 4 秒) 3 自动电站的组成： 自动电站应由互不相关的自控系统及监测系统组成。 3 1 自控系统由一屏与主配电屏相配的自控屏组成，除本身功能所需的部件外。 还应有与配电板、机组及外延报警等接口。 3 2 监测系统由一装有微机、c r t 、打印机及数据处理单元的操作台和传感器组 成。 4 自控系统的要求及主要功能： 4 1 机组运行方式可自由设定为机旁、遥控、自动、越拧四种。机旁优先于遥 控，遥控优先于自动。在越控状态下，主发电机组均需投入。 4 2 机组运行程序可自动选定和人为选定。机组按控制程序运行。 4 3 机组的自启动和自停机( 包括解列) 。 4 3 1 以计算机指令或人为指令对机组实现正常、故障一：种状态的l l 们动和亡】 停机( 包括解列) 。 4 3 2 以功率原则自动增减运行机组。单机运行时，负载功率火于8 5 额定功率 上海交通大学硕士学位论文7 柴油电站全f l 动控制系统设计 第一争课逝的姐休刈蒙成嘤求 ( 可调) 时自动增机。双机运行时。负载功率大干8 5 的双机额定功率( 可调) 时自动增机。负载功率小于双机并联运行机组3 0 的舣机额定功率( 可调) 时自动减机。负载功率小于三机并联运行机组3 0 的三机额定功率( 可调) 时自动减机。 4 3 3 启动程序可人为选择。当某一台机组因故障不能启动时，自动转入下一台 备用机组。 4 3 4 当电网发生失电、持续的电压或频率降低以及运行机纽发生故障时，应能 立即自动启动备用机组。 4 3 4 1 柴油发电机组发生b 类赦障，如冷却水温度高等，要求机组必须在备用 机组启动并网后，故障机组才能解列。 4 3 4 2 柴油发电机组产生超速、滑油压力过低等a 类故障时，应立即停机，并同 时启动备用柴油发电机组投网供电。 4 3 4 3 对因故障而停机的机组，要求设有5 i 塞该机组自启动信号。在故障排除 后，才能允许重新启动。 4 3 4 4 柴油发电机组自启动失败，应能发出声光报警信号。 4 3 5 机组由自启动剑投网供电时间不超过3 0 秒。 4 3 6 并联运行机组需自动同步投入。同步合闸允许工作频率差跟踪范甬不大 于l o h z ，合闸指令超前时间0 1 一o 4 秒连续可调，频率闭锁控制芷羞频 o 2 0 5 h z 连续可调。电压差闭锁5 一l o u n 连续可调。 4 3 7 并联运行机组采用自动频率控制。当负载为。一1 0 0 额定负载变化时，电 网的稳态频率保持在5 0 0 5 h z 范围内。 4 3 8 并网运行机组采用自动分配负载。主发电机组有功功率分配的筹度应不 超过各台发电机额定有功功率的1 0 ，无功功率分再己的筹度卜超过各台 发电机的额定无功功率的1 0 。 4 3 9 运行机组负载电流大于1 1 0 - - 1 2 0 的单机额定电流，延时5 1 0 秒应能自 动卸去所有设定的次要负载，并发出声光报警。 4 3 1 0 有重载讯问功能。 4 3 1 1 为保证供电的连续性，主发电机组与停泊发电机组之| h j 神：联络开关合上 后应能自动准同步投入并联，实现主电站与停泊电站之间的负荷转移。 4 3 1 2 设有声光报警功能，并有试灯、自检功能。 4 3 1 3 装置采用不问断电源供电，主电源为a c 2 2 0 v 。 5 监测系统的要求及主要功能： 5 1 监测报警装置应能满足对三台t b d 2 3 4 v 1 2 型、一台t b d 2 3 4 v 6 型柴油机的转 速、滑油压力、淡水温度、滑油温度、排气温度和对三台1 f c 53 5 6 - 4 t a 9 5 一z 型、一台i f c 62 8 6 - 4 s a 9 5 - z 型发电机的电压、频率，电流、功率及其它设备 的参数进行监测、报警、显示及记录。 5 2 监测报警装置的功能 5 2 1 监测报警 5 2 1 1 每个模拟量监测点的高低报警界限可以在键盘上修改设定，修改时应 设有“修改”密码，防止非操作人员修改。 5 2 i 2 每个开关量监测点动作报警。 5 2 i 3 每个报警点均能通过操作退出或进入报警。 5 2 1 ，4 装置设有声光报警。报警点在故障发生后闪光显示并有声报警。按“消 上海交通大学硕士学位论文 s 柴油电站全自动控制系统设计 第鼍章课题的具 奉对象及嘤求 音”按钮后，声报警信号消失，闪光变平光。在故障排除后，按“复位”按钮， 光报警消除。 5 2 1 5 为便于对自行纠正的故障报警进行查找，监测系统在按“消音”按钮 前，报警信号应予以锁定，即保留声光撒警状态。 5 2 1 6 装置精度为1 。 5 2 2c r t 显示 5 2 2 1 所有监测点按三台主发电机组和一台停泊发电机组进行菜单式显 示。并通过操作显示指定内容。 5 2 2 2 所有报警记录( 报警和恢复) 按时间先后进行显示在故障记录中。 5 2 2 3 装置机组监测报警点见表3 - 1 ： 表3 1 监测点类别报警显示场所备注 滑油进机压力模拟琏低集控童 滑油出机温度模拟量高集控室 冷却水出口温度模拟最高集拧窀 排气温度模拟量高集控窀 转速( 超速)模拟垦 高集控室 肩动电池低压模拟睦低集拧气 发电机功率模拟最高集豁窀 发电机电压模拟量高、低集拧室 发电机频率模拟鼍 低 集控室 发电机电流模拟量 高集控窀 逆功率开关鞋越i j 艮集栉帑 绕组高温开关量高集拄窀 主丌天状态开关鞋通、断集拧审 5 2 2 4 机舱综合报警点见表3 - 2 ： 表3 2 监测点类别报警 显示场所各注 舱底水位开关量低集摔窀 日用燃油柜油位开关量低集控宅 辅锅炉日用油柜油位开关邕低集拧窀 舱机泵电源开关量低集控窀 左舵泵过载开关垦过载集拧宅 左舵采油压开关量低集控审 右舵泵过载 开关量过载集控室 右舵泵油压开关量低集拧窀 5 2 3 打印配录 通过操作可选定定时打印、间隔打印、故障打印。 5 2 4 装置具有自检功能。 5 2 5 装置采用不问断电源供电，主电源为a c 2 2 0 v 。 5 2 6 参量单位采_ j 国务院1 9 9 6 年颁布的法定计量单位制。 5 2 7 显示器及工控机需进行加固。 上海交通大学硕士学位论文 9 柴油电站全自动控制系统设计 第四章奉课题伞n 动拧制系统设讨模式及力法的确定 四、本课题全自动控制系统设计模式及方案的确定 1 全自动控制系统设计模式的确定 上述电站控制系统的要求比较详尽地规定了自控系统所应j 备的功能，在整 个控制系统的设计方案确定前，旨先应确定控制的模式。在本文的开头，比较详 细地介绍了目前较为普遍的三种控制模式，在本课题中采用哪种模式在可行性、 经济性以及对公司技术水平的提高方面较为适用呢? 针对以单功能模块为基础单元，根据自动化电站的要求等级内容使用相应的 模块组成自动化电站系统的模式，我们考察j ，许多厂商如s e l c o 、s i e m e n s 、 0 m r o m 、d e i f 等的大量的自动化模块后发现，由于本课题的自控系统功能繁 复，若纯粹通过模块的堆砌来实现控制的话：一方面模块的数聂太多，模块功能 的重复浪费不可避免，经济性差；另一方面对公司的技术开发能力的提高也没有 好处。然而若自主开发这一系列的功能模块，一方面工作量太大，在经济匕得不 偿失；另一方面作坊式的小批量生产使可靠性无法得到保证。考虑剑以上困素， 我们也放弃了更集成化的控制模式，而以可编程控制器为控制核心，并辅以部分 功能模块来组成自动电站系统的控制模式成为首选。 2 全自动控制系统设计方案的确定 在确定设计方案时，为了提高可靠性，根据自动化控制规范的要求，对本课 题所确定的自动控制系统，应将其分为两个互不相关的子系统：自动挡制系统和 监测系统( 其中安保系统的内容分别分解到以上两个系统中) 。下面就简单介绍 一下这两个子系统的设计方案的确定情况。 2 1 自动控制系统设计方案的确定 在本课题自动控制系统的技术要求中，详细舰定j ，奉设计方案所心完成的主 要功能：整个电站的自动控制系统将有四种工作状态：手动、遥控、自动和越控。 其中前三种状态遵循手动优于遥控、遥控优于自动的原则而相互关联。( 越控是 作为用于军事目的而出现的一种特殊状态，应属于自动状态的一种特例) 。考虑 到四种状态互相依存，不可能截然分割的特点，在电站控制的形式上，应采用分 布式控制系统最为合理。既为每台柴油发电机组单独配置一套可编稃控制器，用 于手动和遥控状态下对柴油发电机组的操控；另外冉配置一套可变成控制器用于 整个电站四台柴油发电机组的管理调配，用于完成自动及越控状态的功能。整个 电站控制系统框图如图4 1 所示： 如图4 1 所示，可编程控制器通过接收系统状态选择开关的位置信号来确定 当前应该执行的操作程序，这样就能完成各种状态下的控制任务。现在就完成这 些功能在设计上的一些主要思路综合归纳如下： 2 1 1 手动功能 当自控系统工作在手动状态下，它对整个电站系统的操作不进行任何干预， 柴油发电机组以及配电系统的操作完全由操作人员人工处理，安保系统主要由柴 油发电机组及其配电系统自身所配置的安保系统组成，在自动控制系统上仅对故 障点做出相应的卢光报警指示，起到警示值班人员的作川。岗此，在这种丁况f ， 上海交通大学顾士学位论文l o 盘u一嘉丢ill9石s 匦拣账 一占匹 一占匾 柴油电站全自动控制系统设计第四章奉课题全自动拧制系统设模式及方法的确定 整个电站自动控制系统所有的故障点检测信号必须输入自拧系统。考虑剑在自控 系统工作在另三种状态：遥控、自动和越控时，对这些故障报警点除j j 样具有 卢光报警指示外，还要进行相应的处理，所以这些报警茕应该直接输入可编程控 制器。至于输入可编程控制器的报警量的性质，鉴于可靠性、绛济性以及白控系 统使用这些信号的特点，选择开关量输入为好。由各类传感器采集的模拟韪信号， 经过转换器，变为开关量后输入可编程控制器。 2 1 2 遥控功能 当自控系统工作在遥控状态下，由每台柴油发电机组单独配簧的一套可编程 摔制器负责完成对柴油发电机组的启动、停机以及升降速操作，并且完成对发电 机主开关分闸、合闸的控制。此外，在遥控状态下，电站的供电品质指标电压频 率必须稳定在一定范围内，在多台柴油发电机组并联运行供电时，其单机所承受 的负荷也必须保持均衡。在这样的要求下，根据电站控制系统的实际使用情况， 应该使用可编程控制器和自动并机模块以及调频调载模块共蚓组成控制系统的 方案。如图4 - 2 所示： 图4 - 2 f i g 4 - 2 如上图所示，当可编程控制器接收到遥控启动指令时，即向相廊的柴油发电 机组发出启动信号，可编程控制器根据检测的柴油机转速信号( 由磁脉冲传感器 提供，可编程控制器的高速计数器接收) ，判断柴油机转速达到7 0 0 r p m ，即启动 成功后，停发启动指令。继续向柴油机发出升速指令，3 当柴油机转速r ：升剑 1 4 7 0 r p m 时，可编程控制器停发升速指令，同时向自动斤机模块发出并机指令， 并检测发电机主开关的状态，将柴油发电机组的并联t 作交给并机模块完成。并 机模块在收到可编程控制器发来的并机指令后，调整柴油发电机组的状态，当电 上海交通大学硕士学位论文 2 柴油电站全自动控制系统设计第四章本_ i 震题仝自动控制系统设计模式及力法的确定 压、频率和相位满足并联条件后，模块向发电机主开关发出合阿信号，待接收剑 主开关处于合闸状态信号后，并机模块退出工作。可编程托制器检测剑发电机主 开关处于合闸状态后，向调频调载模块发出工作指令，i 可时完成遥控扁动程序。 调频调载模块投入工作后，对上网供电的机组的频率及负衙进行调节，使供 电频率稳定在5 0 0 g i - i z ，若多机组并联供电则可使它们所承受的负荷基本均衡。 当可编程控制器接收到遥控停机指令时，即向相应机纽的调频谢载模块发出 负荷转移指令，口j 时检测相应主开关的状态信号，调频调载模块接收信号后向柴 油发电机组发出降速信号，使该机组的功率逐渐降低，至模块内部设定的分闸功 率时，就向发电机主开关发出分闸信号，待接收到主开关处于分闸状态信号后， 调频调载模块退出工作。可编程控制器检测到发电机主开关处于分闸状态后，向 丰甘应的柴油发电机组发出降速信号，待机组转速降至7 5 0 z p m 后，停发降速信号。 待柴油发电机组在转速稳定运行数分钟后，可编程控制器冉向柴油机发出停机电 磁阀动作指令，使柴油机停机，可编程控制器检测到柴油机转速为零后，停发停 机指令，完成遥控停机程序。机组又重新回到备_ = i j 状态。 柴油发电机组在稳定运行过程中以及在启动、停机过 甲小，( 1 拎系统小仪对 电站机组的各个报警点持续保持检测，随时为操作人员提供预警，而且对在启动 或停机过程中出现的一些故障，诸如柴汕机转速无法升降，1 ：丌火分介闸厄j = 、完 成，柴油机无法停机等做出相应的故障指示。以便操作人员及时j ，解情况，迅速 排除故障，最大程度地提高设备的完好率。 2 1 3 自动功能 当自控系统工作在自动状态下，由用于整个电站系统柴油发电机组管理调配 的一套可编程控制器根据整个电站运行中的实际情况以及人为颅先改j 定的机组 启停顺序，对四套负责控制四台柴油发电机组的可编稃控制器发出具体的指令， 通过它们实现对电站供电结构的调整。因此。负责电站管理的可编程控制器4 i 仅 要接收电站系统的信息，例如检测电网的电压、频率信号，各台机组的功率负荷 情况，而且还要了解各台柴油发电机组的实际状况，例如足古存拒故障、足否处 于备用状态，更要随时对接收到的人为对于电站机组备：i jj f l 睡序的改变f 时做杆ij , i i 的反应。电站管理的具体内容主要有以下三大方面： 2 1 3 i 电网失电后的自动恢复供电。 在电站运行过程中，由于种种意外可造成电网的突然失电，负责电站管理的 可编程控制器检测到失电信号后，根据人为预先设定的备用机组的顺序，结合机 组的具体情况( 是否具备启动供电条件) ，决定向哪台用于控制备用的柴油发电 机组的可编程控制器发出启动该机组的指令，由控制该机组的可编程控制器具体 完成机组的启动、投嘲供电过程，而负责电站管理的可编稃控制器始终检测这一 过程，若在规定时间( 3 0 秒) 内无法恢复供电或该机组在启动过程中出现故障， 则要再向用于控制下一台备用机组的可编程控制器发出启动信号，直至电站恢复 供电。 2 1 3 2 柴油发电机组的故障管理。 在供电运行中的柴油发电机组的故障主要分为二类，a 类故障是不影响供电 品质，也不至于损害柴油发电机组的故障，诸如润滑油温度高、发电机绕组r 莳温、 冷却水温度高等，b 类故障是严重影响供电品质，并将对柴油发电机组造成严重 损害的故障，诸如柴油机润滑油压力过低、柴油机超速、发电机逆功率等。针对 a 类故障，负责电站管理的可编程控制器应向控制备用的柴油发电机组的可编程 上海交通大学硕士学位论文 柴油电站全自动控制系统设计第四章本课题全自动控制系统设计模式及方法的确定 控制器发出启动该机组的指令，待备用机组投网供电后，再向拧制故障机组的可 编程控制器发出停机指令，完成一个不问断供电的换机过程。在没有备用机组的 情况下，存在a 类故障的机组将继续工作，而负责电站管珲的可编榨拧制器将记 忆这一故障，待条件具备时，再完成上述过程。针对b 类故障，由于其对电站供 电设备及用电设备均会造成很大的损坏，所以对发生b 类故障的柴油发电机组可 编程控制器将会对该机组发出紧急停机和发电机主开关分闸的指令。若在单机组 供电的情况下，发生b 类故障会造成电网的失电，负责电站管理的可编程控制器 将执行电嘲失电的控制程序( 1 3 1 所述) 恢复向电网供电。若多机组并联运行 供电情况下，其中某一台机组发生b 类故障，柴油发电机组可编干n 拧制器将会对 该机组发出紧急停机和发电机主开关分闸的指令后，将根捌电站的机组负荷情况 做进一步处理( 后文将详述) 。 2 1 3 3 柴油发电机组的功率管理。 电站负荷随着用电设备的多少时刻在变化，针对这一状况，负责电站管理的 可编程控制器就需要通过检测各台机组以及整个电站的功率来决定投刚机组的 数量，从而最大程度地提高供电的安全性，以及电站运行经济性。在充分考虑r 柴油机及发电机的运行指标后，应采用图4 - 3 所示的功率增减机组管理原则来决 定投网机组的数量。如图所示，在正常情况下，根据这样的原则进行自动控制并 网的机组数量，可使电网的实际负荷始终处于投网机纽总奔艟的3 0 8 0 的范 l 舯 8 0 长 h a h 五 加 鲫 摹 五 闪 厶 增撑1增援2 增槲3 减槲1减机”2减彬3 a d d 8 1a d d 8 2a d d u 3 c u t ”1g u t ”2g u t “3 ( a ) 增机特性a d ds e t c h a r a c t e r l s t l c s ( b ) 减机特性c u ts e t c h a r a c t e n s t z c s p - 电网负载p 一在网机额定功率之和 p - e l e c t r i c n e t l o a dp i s l i m o f r a t i n g p o w e r s o f m - n e ts e t s 图4 - 3 在网机台数管理特性 f i 9 4 - 3m a n a g e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f n e t w o r k m gs e t s 围内，确保了电站的安全、可靠、经济地运行。在某些非正常情况f ，如果电网 的实际负荷超过了右网机组总容量的8 0 ，而无备用机组可用，负责电站管理的 可编程控制器将在实际负荷电流超过投网机组总容篷电流的1 0 0 l v j 发出卸载指 令，将电网的某些非重要负载的电源断开，降低实际负荷，以达到电站能保汪对 上海交通大学硕士学位论文1 4 柴油电蛄全自动控制系统设计第四章本谍题全自动控制系统设；l 模式墨力法的确室 重要负荷的持续供电，不至于因为严重的超负荷而造成电嘲的崩溃。 从以上所述的电站管理的三大方面内容来看，这些方新的功能在具体的实现 上其实都是相互紧密地交织在一起，我中有你，你中有我，不可分割。相对而言， 在明确了控制对象的具体工作流程后，控制软件的编制的难度及重要性就充分地 体现了f 【；来( 将在后文软件编制章节中详述) 2 l4 越控功能 当自控系统工作在越拧状态下，整个电站处于一种特殊的f 动状况。这一状 态是电站系统为了满足战时特殊需求的情况酊设定的。作为电站自动状态的一种 特例，它和自动状态下的电站功能有二个方向的不同： 2 l4 1 在柴油发电机组的故障管理方面。当运行机组发生a 类故障时，故障 机组将继续带障工作，负责电站管理的可编秤控制器对故障机组小做停机处理， 尉时发出备用机组启动投嘲指令，以减轻带障机组的工作压力。当运行机组发生 b 类故障时，处理方法同前所述。 2 1 4 2 在柴油发电机组的功率管理方面。负责电站管理的可编稃摔制器仍然 依据功率增机的原则根据电网功率的增大析增加在刚机组的数量，但是不冉依据 功率减机的原则减少在网机组。 以上二方面的改变是为了适应战时负荷变化频繁剧烈的特点，为保证更可靠 地供电而不考虑电站运行的经济性要求。 在前一章中详细了解了自控系统的技术要求后，本小节又更具体地描述了将 技术要求付诸实现的设计方案及思路，为了使方寨得到更好地实践，在产品上能 够更完美地体现出来，系统的硬件配置和软件编制就显得格外重要。 2 2 监测系统设计方案的确定 经过前期的调查论证，综合成本、可靠性和稳定性等多方面凼索，下位机采 用可编程序控制器较采用数据采集卡来说有一定的优势；一足数引采集一安装 要占用工控机内部插槽接口，在系统模拟量硐j 数字量需要较多的情况f 壬1 1 胜能力 差，系统稳定性幸| j 对不强，同样在控制点数较多的复杂场合，可编程序控制器占 有较大优势；二是在恶劣工况下可编程序控制器由于是整合模块化装置，抗干扰 能力强，能保证长时间可靠运行，而数据采集卡抗干扰能力相对较弱，信号易衰 减或丢失；三是可编程序功能简单易行，采用软件控制方式，使系统更改相当方 便，并可以实现多【旦1 路、多系统控制及通信连接，在小批量、多舳种的生产方式 下更具优势。因此整个方案拟采用可编程序控制器作为下位机进行数掘采集，上 位机使用工控机并采用自主开发的监测软件，配合外围的系列传感器和电量变送 器等辅助设备，构成完整的柴油发电机组监测系统。 由于本系统是为船用柴油发电机组开发的配套监测系统，所以按照铡质海 船入级与建造规范1 9 9 6 及( 9 8 修改通报中第7 篇第2 章自动化系统的基本 要求里第4 节报警系统、第6 节电子计算机系统和第8 节传感器中对监测系统的 要求进行系统软硬件的选型和设计。同时参考中国邮电电信总局1 9 9 9 年的通 信局( 站) 电源、空调及环境集中监控管理系统前端智能设备通信协议进行上 f 位机间通信协议的设计。其中，该协议对柴油发电机组智能接口的通信协议有 如下规定：“物理接口：串行通信口可以是r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、r s 4 2 2 中的一种 或全都。信息传输为异步方式，起始位1 位，数捌位8 位，停止位1 位，无校验。 通信数据传输速率为1 2 k b s 、2 4 k 坼s 、4 8 k b s 、96 k b 砖或1 9 2 k b s 中的一种。通 信方式采用主从方式，柴油发电机组为下位机，当柴油发电机组收到上位机卜发 上海交通大学硕士学位论文 柴油电站全自动控制系统设计第四章本瀑题全自动拧制系统设计模式及方珐确定 命令后，应在3 0 0 m s 作出响应。” 本系统构成方式如图4 4 所示： 电参量 】f 发乞机鼻匕= = = = = 二= 机参量 j - 襞油机匕= = 电善量 竺竺岳i 2 f 襞油机仁= = = 一电毒量 ，l 发电机屏乍= = 蚕拦 电誊量 4 f 发电机屏亡= = = 机孛量 4 l 桌佃机e = = = ! 型坠j ”p l c 歉磐地理 司 。l 一 ! ：! 唑i “ h i 开差t1 p 4 8 5 r s - 4 8 5 圈4 4监；曼l ；系统原理图 f i g 4 - 4 s y s t e mp r m e l p l ed r a w i n g 本课题的监测系统中，系统的数据传送是由传感器、变送器通过可编程序控 制器将采集的监测参巷传输入工控机。可编程序控制器的物胛接l j 足r s - 4 8 5 ，