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可編程控制器(PLC)在自動并聯柴油發電機組中的應用
發布時間:2022-07-02
可編程控制器簡稱PLC,是20世紀60年代以來發展極為迅速、應用面積極為廣泛的工業控制裝置,是現代工業自動化的三大支柱之首。它采用可編程序的存儲器,用來存儲用戶指令,通過數字或模擬的輸入/輸出,完成確定的邏輯、順序、定時、計數、運算和一些確定的功能,來控制各種類型的機械設備或生產過程。當今PLC吸取了微電子技術和計算機技術的最新成果,以單片機自動化到整條生產線的自動化乃至整個工廠的生產自動化;從柔性制造系統、工業機器人到大型分散控制系統,PLC均承擔著重要角色。
自動化柴油發電機組用PLC控制具備很多優點,它主要通過軟件控制,從而省去了硬件開發工作,外圍電路很少,大大提高了系統的可靠性與抗干擾能力;由于它簡單易行的可編程序功能,無須改變系統的外部硬件接線,便能改變系統的控制要求,從而使系統的“柔性”大大提高;同時由于PLC是專門為工業控制設計的,在設計和制造過程中采用了多層次抗干擾和精選元件措施,可在惡劣的環境下與強電設備一起工作,保證了發電機組運行的穩定和可靠。
自動并聯柴油發電機組是在自動化柴油發電機組的基礎上,將PLC與GPC(機組并聯控制器)結合使用,可實現多臺機組的自動啟動及并聯工作,其工作可靠、測量精度高、操作使用方便,可廣泛應用于軍、民等單位,作為主電站或備用電站使用。

一、可實現的主要功能
自動并聯柴油發電機組應具備以下基本要求:
1、自動啟動
當正常供電出現故障(斷電)時,機組能自動啟動、自動升速、自動合閘,向應急負載供電。
2、三次啟動功能
機組有三次啟動功能,若第一次啟動不成功,經延時后再次啟動,若第二次啟動不成功,則延時后進行第三次啟動,延時時間可設定。三次啟動中只要有一次成功,就按預先設置的程序往下運行;若連續三次啟動均不成功,則視為啟動失敗,發出聲光報警信號(也可以同時控制另一臺機組啟動)。
3、自動停機
當正常供電恢復,經判斷正常后,控制切換開關,完成備用電到正常電的自動切換,然后控制機組降速到怠速、停機。
4、自動保護
機組在運行過程中,如果出現油壓低、水溫高、超速、逆功、電壓異常等故障則發出聲光報警信號(或緊急停機),提醒操作人員進行干預。
5、自動并聯及解列
當負載達到單機功率的規定數值(可設定),并持續規定的時間(可設定),備用機組能自動啟動,并自動投入并聯運行;當負載低于單機功率的規定數值(可設定),并持續規定的時間(可設定),備用機組能自動解列并停機。
6、自動調頻、調載
7、自動維持準啟動狀態
機組能自動維持準啟動狀態,此時,機組的自動周期性預供油系統、油和水的自動加溫系統、蓄電池的自動充電裝置投人工作。
8、具備手動、自動兩種操作模式。
伊華電站設計生產的采用PLC及GPC控制的自動并聯柴油發電機組,如DPR1000CXZ5、DPR500CXZ5、CZ150等,廣泛應用于部隊、石油、公路、電信等部門。
其自動并聯功能由PLC及GPC共同實現,可分別完成對2臺機組的手動遠控起動、停止、升速、降速、合閘、分閘及自動并聯功能。

在自動狀態下,當市電失電時,PLC可控制2臺機組按預先選定的順序自動起動,起動成功后機組自動升速并自動合閘,向負載供電。每臺機可經過三次起動循環,若三次起動不成功,則發出相應的“啟動失敗”信號,若起動成功并升速至額定轉速后,經過10秒鐘(可設定),主開關未能合閘,則發出相應的“輸出故障”報警信號,并自動停機;另一臺備用機自動起動。機組運行中,若負載超過單臺機組額定負載的80%,并持繼5秒時,PLC自動啟動第二臺備用機,且自動升速,并自動整步并車。若待并機經2分種后,仍未能并車成功 ,則發出并車失敗信號。并聯成功后,GPC將自動進行調頻調載,使有功分配差度不超過10%。當并聯運行的負荷小于兩臺機組總額定負載的20%并持繼10秒后,PLC和GPC將自動解列投入并聯的機組,怠速3分鐘后自動停機。當并聯運行中一臺機組出現柴油機或發電機故障時,其主開關將自動跳閘。運行中若出現柴油機或發電機故障,系統將發出相應的聲光報警,按下“消音”按鈕,聲報警消失。故障排除后,必須按一下“故障復位”按鈕,系統恢復正常。當市電來電后,運行機組將按程序自動解列停機。當機組怠速3分鐘后,PLC將發出停機信號,若經30秒后,機組未能停機,PLC將發出“停機失敗”報警信號。


二、硬件設計
以CZ150方艙電站為例,用PLC及GPC實現對柴油發電機組的自動并聯控制
1.控制系統組成
該控制系統由三大部分組成:PLC控制部分;GPC控制部分,由于是兩臺機組并聯,共兩套;機組監控儀部分,兩套。GPC控制部分及機組監控儀部分都采用現成的控制器在此不做詳細介紹。
機組監控儀可實現對機組運行參數的采集及監測,對柴油機油壓低、水溫高、超速等故障發出報警信號,并實施停機保護。
GPC是機組并聯控制器(Generator Paralleling Controller)的簡稱,它是DEIF公司為機組并聯功能的實現而設計的,具有靜態同步,動態同步,機組固定負荷(基本負荷) 運行,單機固定頻率運行,負荷分配,調速器繼電器控制輸出,繼電器輸出控制主開關分/合閘,可調發電機負荷上升/下降垂線,備用發電機自動起/停繼電器輸出(高/底負荷)等標準控制功能;同時可實現機組運行中的逆功和過流保護。該控制器配有RS232顯示和服務接口,可實現遠程監測。
根據上節CZ150方艙電站的功能要求,可編程控制器選擇西門子S7-300(帶輸入、輸出模塊并配備ROM-H存儲器),由于可編程控制器PLC輸出觸點的容量較小,通常只能驅動2A以下的負載,大容量負載必須通過固體繼電器控制,重要控制部分還采用外部互鎖結構。
2.控制系統分析
根據控制要求及控制系統圖,PLC輸入、輸出信號分配
機組具有自動及手動功能,手動功能在此不作介紹,下面介紹自動控制線路。
a.自動啟動
將機組手動/自動開關置于自動位,PLC 37輸入端口得到自動運行信號,PLC程序開始運行掃描,程序狀態選擇輸入端口(33、34、35),分別對應不同的程序運行方式:主電失電時,1號機啟動,2號機為備機;主電網失電時,1號機、2號機同時啟動,先啟動成功的合閘送電,另一機組停機做備機;主電網失電時,2號機啟動,1機為備機。下面以主電失電時,1號機啟動,2號機為備機進行分析,其它類同。
當主電失電時, PLC 32輸入端口得到失電信號,PLC 2輸出端口發出1號機啟動信號,11K繼電器線圈得電,11K常開觸點閉合,監控儀1啟動輸入端頭得到啟動信號,1號機組啟動,PLC 2輸入端口得到1號機點火信號, PLC 6輸出端口發出1號機高速信號,15K繼電器線圈得電,15K常開觸點閉合,電調控制柴油機至高速,PLC 3輸入端口得到1號機高速信號, GPC1 發合閘信號, 1號主開關合閘送電。
b.三次啟動
若一次啟動未成功,則PLC 2輸入端口未得到1號機點火信號,由PLC內部的定時器來控制進行再次啟動,以10秒作為一個周期,三次啟動時間約30秒,32秒后輸出報警,同時PLC 12輸出端口發出2號機啟動信號,21K繼電器線圈得電,21K常開觸點閉合,監控儀2啟動輸入端頭得到啟動信號,2號機組啟動,PLC 12輸入端口得到2號機點火信號, PLC 16輸出端口發出2號機高速信號, 25K繼電器線圈得電 , 25K常開觸點閉合, 電調控制柴油機至高速,PLC 13輸入端口得到2號機高速信號,GPC2 發合閘信號,2號主開關合閘送電。
c.自動停機
主電得電時,PLC 32輸入端口未得到失電信號,GPC1發分閘信號柴油機分閘,PLC 6輸出端口無信號,輸出15K繼電器線圈失電,15K常開觸點斷開,電調控制柴油機至低速,PLC 2輸入端口得到1號機低速信號,PLC 3輸出端口發出1號機停機信號,12K繼電器線圈得電,12K常開觸點閉合,6KA2繼電器線圈得電,6KA2常閉觸點斷開,6KA4繼電器線圈失電,6KA4常開觸點斷開,電調失電,機組停機。
d.自動并聯及調頻、調載
1號機組運行中,若負載超過單臺機組額定負載的80%,并持繼5秒時,GPC2 61端口發起備機信號,PLC 16端口得到2號機起備機信號,PLC 12輸出端口發出2號機啟動信號,21K繼電器線圈得電,21K常開觸點閉合,監控儀2啟動輸入端頭得到啟動信號,2號機組啟動,PLC 12輸入端口得到2號機點火信號, PLC 16輸出端口發出2號機高速信號, 25K繼電器線圈得電 ,25K常開觸點閉合,電調控制2號柴油機至高速,PLC 13輸入端口得到2號機高速信號,PLC 14輸出端口發出2號機允許并車信號,23K繼電器線圈得電,23K繼電器常開觸點得電,GPC2 25輸入端口得到允許并車信號,通過調速、調壓端口輸出信號對2號機組進行調整,GPC2計算同步后17、18端口發同步合閘信號,2號主開關合閘并聯供電,并聯成功后,GPC將自動進行調頻調載,使有功分配差度不超過10%。
當并聯運行的負荷小于兩臺機組總額定負載的20%并持繼10秒后,PLC 15端口發解列信號,24K繼電器線圈得電,24K常開觸點閉合,GPC2 43端口得到解列信號,GPC2 14、15端口發分閘信號,2號機組分閘,GPC2 63端口發停備機信號,PLC 17輸入端口得到2號機停備機信號, PLC 16輸出端口無信號,輸出25K繼電器線圈失電,25K常開觸點斷開,電調控制柴油機至低速,PLC 12輸入端口得到2號機低速信號,PLC 13輸出端口發出2號機停機信號,22K繼電器線圈得電,22K常開觸點閉合,7KA2繼電器線圈得電,7KA2常閉觸點斷開,7KA4繼電器線圈失電,7KA4常開觸點斷開,電調失電,2號機組停機。
e.故障自動保護
故障保護由機組監控儀來采集機組運行中的油機參數,如油壓、水溫、轉速等;由GPC 來監測發電機電壓、電流等參數,最終通過PLC及監控儀來實現機組的自動保護功能。CZ150方艙電站具有如下報警功能:機油壓力低報警停機、水溫高報警停機、超速報警停機、電瓶電壓低報警、GPC故障報警、逆功報警停機、油箱油位低報警、啟動失敗報警、電壓故障報警、停機失敗報警、輸出故障報警等。同時自動控制屏上設有“消音”和“復位”按鈕來處理報警信號,按“消音”按鈕,報警音響信號消失;按“復位”按鈕,故障消除時,故障記憶消除,若故障未消除,故障記憶仍有效,提醒用戶干預。

自動控制屏上還設有“緊急停機”按鈕,在任何情況下只要按“緊急停機”按鈕便能自動停機,并按故障處理,以便有效的保護機組。


三、控制系統邏輯圖設計
PLC采用以標準布爾表達式(AND、OR、ONT)為基礎的簡便語言,當程序未固化時,用戶可根據自己的要求更改,以滿足特殊要求。
根據上節描述,自動并聯柴油發電機組程序控制邏輯圖見圖三。其程序設計簡要介紹如下:

為完成自動控制任務,S7-300 CPU提供兩類基本指令,同時基于計算機的編程軟件AETP 7-MICRO/WIN32提供不同的編程器選擇,可以利用這些指令創建機組控制程序,并可利用AETP 7-MICRO/WIN32將編寫好的程序下裝到CPU, S7-300 CPU程序由三個基本元素組成,主程序、子程序(可選)、和中斷程序(可選),S7-300連續地執行用戶程序,主程序中的指令按順序在CPU的每個掃描周期執行一次,可以調用不同的子程序和中斷程序。


四、結論
采用PLC控制的自動并聯柴油發電機組,硬件簡單,技術經濟指標好,可靠性高,程序稍作修改,就可以滿足用戶不同的控制要求。
與傳統的繼電器控制系統相比,采用PLC控制方式的機組控制線路簡單,因此控制系統的可靠性高,同時可擴展性好,通過通信網絡能夠非常方便的把電站控制納入到中央管理系統中去,利用計算機及網絡技術、軟件工程、通信技術及測控技術等現代手段,實現集中監控管理系統,即實現對被控設備的遙信、遙測和遙控。
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