自動(dòng)化發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的分類及功能
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，報(bào)警保護(hù)完全實(shí)現(xiàn)“無人值守”。
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、油機(jī)電監(jiān)測、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、油機(jī)電監(jiān)測、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)、油壓過低水溫過高報(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)測電路通過自起動(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接通潤滑油路電磁場閥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)行過程中，冷卻水出水溫度達(dá)到95℃±2℃時(shí)，溫度控制器jw通過系統(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)行過程中，當(dāng)潤滑油的油壓低于規(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，通過數(shù)字或模擬的輸入，輸出，實(shí)現(xiàn)各類型機(jī)械或過程的控制。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)組頻率過低和過高信號(hào)、發(fā)電機(jī)組的欠壓和過壓信號(hào)、發(fā)電機(jī)組的過載信號(hào)、冷卻水超溫信號(hào)、潤滑油壓力低信號(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)的簡便梯形圖語言。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(shù)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：檢測滑油壓力低傳感器、檢測冷卻水溫高傳感器及用于超速保護(hù)的轉(zhuǎn)速檢測裝置。
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、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)是通過自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（avr）來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電機(jī)輸出端電壓高時(shí)，通過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實(shí)現(xiàn)，分過載短延時(shí)和過載長延時(shí)二種。
b.短路保護(hù)：通過主開關(guān)的電磁脫扣特性來實(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)：通過加裝定子溫度傳感器。當(dāng)定子溫度超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警并保護(hù)。
d.防潮加熱：通過加裝防潮加熱器來實(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

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