基于PLC技術(shù)的柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：柴油發(fā)電機(jī)是火電廠常用后備供電設(shè)備，其繼電器控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代大中型火力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化程度與可靠性要求。本文設(shè)計(jì)了一種以S7-400H PLC為核心的控制系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)組成、硬件配置及其實(shí)現(xiàn)的功能。運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可靠性高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好、維修方便，其遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷、在線操作和自調(diào)試功能使系統(tǒng)在無(wú)人值守時(shí)可靠運(yùn)行，提高了控制系統(tǒng)的安全性、可靠性和企業(yè)的測(cè)、控、管一體化水平。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)PLC測(cè)控管一體化FECS

1 概述

柴油發(fā)電機(jī)是火電廠一種常用后備供電設(shè)備[1]，某電廠#1柴油發(fā)電機(jī)組以兩臺(tái)300MW機(jī)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(fù)雜、靈活性差、響應(yīng)周期長(zhǎng)、運(yùn)行可靠性低、故障率高等缺點(diǎn)，且系統(tǒng)已老化，給電廠正常運(yùn)行和事故檢修帶來(lái)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(jī)組對(duì)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度和可靠性的要求。

設(shè)計(jì)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(hù)和擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用PROFIBUS總線技術(shù)使系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程通信功能，柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)送入集控室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷、在線操作和調(diào)試功能。使后備供電設(shè)備更加安全可靠，同時(shí)，提高了系統(tǒng)的測(cè)、控、管一體化水平。

2 柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成及要求

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 柴油發(fā)電機(jī)為單元制布置，每?jī)膳_(tái)300MW機(jī)組配置一個(gè)單元系統(tǒng)。

柴油發(fā)電機(jī)組由主機(jī)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電氣饋線屏、測(cè)量控制裝置等六部分組成。主機(jī)系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及附屬設(shè)備。燃油系統(tǒng)包括燃油箱、燃油控制閥，為柴油發(fā)電機(jī)提供柴油，并控制燃油流量。啟動(dòng)系統(tǒng)包括24VDC充電機(jī)、蓄電池和啟動(dòng)電機(jī)，因柴油發(fā)電機(jī)組采用電啟動(dòng)方式，以全密封免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池為電源，其容量需能滿足連續(xù)啟動(dòng)15次。勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出口電壓。電氣饋線屏包括發(fā)電機(jī)出口斷路器、饋線屏和連至各段保安段饋線刀閘，用來(lái)控制發(fā)電機(jī)出口至保安段線路。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)工作流程 柴油發(fā)電機(jī)的工作流程分為3個(gè)階段。①啟動(dòng)階段：為保證柴油發(fā)電機(jī)組自啟動(dòng)快速性和成功率，保證柴油發(fā)電機(jī)組正常處于熱態(tài)，采取對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組冷卻水預(yù)加熱手段。當(dāng)保安段的運(yùn)行主電源（工作段）出現(xiàn)異常或保安段電源開(kāi)關(guān)誤跳閘，電氣控制系統(tǒng)（ECS）發(fā)出柴油機(jī)啟動(dòng)命令。電機(jī)開(kāi)始帶動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)打開(kāi)燃油控制閥，柴油發(fā)電機(jī)升速運(yùn)行直至額定轉(zhuǎn)速1450r/min。ECS系統(tǒng)發(fā)勵(lì)磁投入指令，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器開(kāi)始調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)的電壓直至額定電壓。10秒內(nèi)完成一次啟動(dòng)，60秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自啟動(dòng)循環(huán)（即三次啟動(dòng)）。若自啟動(dòng)連續(xù)三次失敗，則發(fā)出停機(jī)信號(hào)，并閉鎖自啟動(dòng)回路。柴油發(fā)電機(jī)組自啟動(dòng)成功的定義是: 柴油發(fā)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行2～3秒，并具備首次加載條件。②帶負(fù)載運(yùn)行階段：自啟動(dòng)成功后，保安負(fù)荷分兩級(jí)投入，待柴油機(jī)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(diǎn)聯(lián)鎖合上#1機(jī)組的出口刀閘K1和#2機(jī)組的出口刀閘K3，柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)始帶保安A段負(fù)荷運(yùn)行。柴油發(fā)電機(jī)組接到起動(dòng)指令后10秒內(nèi)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(fù)載(感性)。在首次加載后5秒內(nèi)再次發(fā)出加載指令，允許加載至滿負(fù)載(感性)運(yùn)行，此時(shí)合上#1機(jī)組出口刀閘K2和#2機(jī)組出口刀閘K4。至此，柴油發(fā)電機(jī)組已帶滿負(fù)載運(yùn)行。系統(tǒng)測(cè)量控制裝置對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)（如燃油壓力、柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行監(jiān)控，遇到異常工況則轉(zhuǎn)入停機(jī)階段。③停機(jī)階段：當(dāng)工作段恢復(fù)正常且保安段電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)恢復(fù)正常后，或者柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)異常，ECS發(fā)出柴油機(jī)跳機(jī)指令，同時(shí)閉鎖燃油控制閥開(kāi)指令。合上工作電源開(kāi)關(guān)K5(K6)，根據(jù)設(shè)定程序進(jìn)行柴油機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后，發(fā)出跳開(kāi)出口開(kāi)關(guān)QF命令。跳開(kāi)QF的同時(shí)，QF常閉接點(diǎn)聯(lián)跳K1、K2和K3、K4開(kāi)關(guān)。因柴油發(fā)電機(jī)不可帶負(fù)載停機(jī)，所以，卸載后需空載運(yùn)行3分鐘，使其進(jìn)入怠速停機(jī)狀態(tài)。3分鐘后，柴油發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行進(jìn)入熱備用狀態(tài)。

2.3 柴油發(fā)電機(jī)組的性能及結(jié)構(gòu)要求 ①運(yùn)行要求：柴油發(fā)電機(jī)組可在連續(xù)1000kW下運(yùn)行100小時(shí)。可通過(guò)運(yùn)行選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)關(guān)有“自動(dòng)（試驗(yàn)）”、“手動(dòng)”和“零位”三個(gè)位置。正常時(shí)處于準(zhǔn)起動(dòng)狀態(tài)即“自動(dòng)”狀態(tài)。自啟動(dòng)時(shí)間<10秒。②起動(dòng)要求：為保證柴油發(fā)電機(jī)組自起動(dòng)快速性和成功率，且正常時(shí)能處于熱態(tài)，對(duì)機(jī)組冷卻水采取預(yù)加熱手段。機(jī)組為電起動(dòng)方式，電源采用全密封免維護(hù)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(dòng)充電功能。③機(jī)組起動(dòng)過(guò)程：當(dāng)保安段運(yùn)行主電源（保安段上一級(jí)母線）出現(xiàn)異常或電源開(kāi)關(guān)誤跳閘時(shí)，F(xiàn)ECS系統(tǒng)先對(duì)備用電源進(jìn)行檢測(cè)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(kāi)關(guān)拒動(dòng)，則由FECS系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)柴油機(jī)命令。待符合并列運(yùn)行條件后，發(fā)出合出口開(kāi)關(guān)命令，QF合上。利用QF輔助接點(diǎn)聯(lián)鎖合上#1機(jī)組的K1、K2和#2機(jī)組的K3、K4開(kāi)關(guān)，由柴油機(jī)帶保安A和B段負(fù)荷。④機(jī)組跳機(jī)過(guò)程：當(dāng)保安段運(yùn)行主電源（保安段上一級(jí)母線）恢復(fù)正常且保安段電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)恢復(fù)正常后，通過(guò)手動(dòng)啟動(dòng)柴油機(jī)跳機(jī)程序，合上工作電源開(kāi)關(guān)K5(K6)，由設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，發(fā)出跳開(kāi)QF命令，QF跳開(kāi)。QF的常閉接點(diǎn)聯(lián)跳K1、K2和K3、K4開(kāi)關(guān)。⑤正常維護(hù)開(kāi)機(jī)過(guò)程：此時(shí)#1、#2機(jī)組保安段A和B都帶電，如要試機(jī)，手動(dòng)發(fā)出柴油機(jī)起動(dòng)命令，待柴油機(jī)組符合并列條件后，發(fā)出合QF命令，然后手動(dòng)同期合上K1、K2或K3、K4開(kāi)關(guān)，讓柴油機(jī)組帶保安段負(fù)荷。

3 控制系統(tǒng)硬件組成

柴油發(fā)電機(jī)后備電源，對(duì)系統(tǒng)可靠性要求較高，若不能及時(shí)為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組保安段提供電源，將造成主機(jī)設(shè)備損壞和重大經(jīng)濟(jì)損失。為此，PLC采用雙機(jī)熱備配置。采用“熱備用”模式的主動(dòng)原理來(lái)配置兩套完全相同的系統(tǒng)。無(wú)故障時(shí)，主模塊負(fù)責(zé)程序處理，備用模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控主模塊運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)主模塊故障時(shí)，備用模塊能無(wú)擾地自動(dòng)切換。以工控機(jī)為上位機(jī)，經(jīng)通信模塊CP與CPU模塊的MPI接口相連，形成“PLC+上位機(jī)”控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 PLC硬件配置 使用Rack0和Rack1兩個(gè)分區(qū)的UR2H機(jī)架，各分9槽，有CPU414-4H和PS407電源各一塊，經(jīng)光纖實(shí)現(xiàn)冗余。以單通道切換方式配置I/O模塊，通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)I/O模塊（見(jiàn)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(kāi)關(guān)量輸入40點(diǎn)、輸出39點(diǎn)和12路模擬量輸入。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的功能

本文只對(duì)系統(tǒng)軟件環(huán)境和編程思路進(jìn)行說(shuō)明。以STEP7 V5.3+ SP2為PLC軟件系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的特性曲線進(jìn)行分析，仿真出其運(yùn)行曲線，針對(duì)曲線編程，實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)行和輸出穩(wěn)定。系統(tǒng)具有自起動(dòng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制、模擬試驗(yàn)等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出的基于PLC技術(shù)的柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，已應(yīng)用到我省的火電廠中，運(yùn)行表明，硬件簡(jiǎn)單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(shí)用性和通用性。在機(jī)房無(wú)人值守的條件下能保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：羅明，男，（1979-），懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系教師，湖南大學(xué)在讀碩士。研究方向：軟件工程。