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

　　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、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)組對控制系統(tǒng)自動化程度和可靠性的要求。

　　設(shè)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(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)實時送入集控室，實現(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，提高了系統(tǒng)的測、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，每兩臺300MW機(jī)組配置一個單元系統(tǒng)。 

　　柴油發(fā)電機(jī)組由主機(jī)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電氣饋線屏、測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。啟動系統(tǒng)包括24VDC充電機(jī)、蓄電池和啟動電機(jī)，因柴油發(fā)電機(jī)組采用電啟動方式，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15次。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括自動電壓調(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個階段。①啟動階段：為保證柴油發(fā)電機(jī)組自啟動快速性和成功率，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關(guān)誤跳閘，電氣控制系統(tǒng)（ECS）發(fā)出柴油機(jī)啟動命令。電機(jī)開始帶動柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行，同時打開燃油控制閥，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)勵磁投入指令，自動電壓調(diào)節(jié)器開始調(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，60秒內(nèi)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(jī)信號，并閉鎖自啟動回路。柴油發(fā)電機(jī)組自啟動成功的定義是: 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：自啟動成功后，保安負(fù)荷分兩級投入，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)開始帶保安A段負(fù)荷運(yùn)行。柴油發(fā)電機(jī)組接到起動指令后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,轉(zhuǎn)自[星論文網(wǎng)]www.starlunwen.net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)測量控制裝置對柴油發(fā)電機(jī)的各項參數(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，同時閉鎖燃油控制閥開指令。合上工作電源開關(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)出跳開出口開關(guān)QF命令。跳開QF的同時，QF常閉接點(diǎn)聯(lián)跳K1、K2和K3、K4開關(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。可通過運(yùn)行選擇開關(guān)來選擇柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。開關(guān)有&ldquo;自動（試驗）&rdquo;、&ldquo;手動&rdquo;和&ldquo;零位&rdquo;三個位置。正常時處于準(zhǔn)起動狀態(tài)即&ldquo;自動&rdquo;狀態(tài)。自啟動時間<10秒。②起動要求：為保證柴油發(fā)電機(jī)組自起動快速性和成功率，且正常時能處于熱態(tài)，對機(jī)組冷卻水采取預(yù)加熱手段。機(jī)組為電起動方式，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充電功能。③機(jī)組起動過程：當(dāng)保安段運(yùn)行主電源（保安段上一級母線）出現(xiàn)異常或電源開關(guān)誤跳閘時，F(xiàn)ECS系統(tǒng)先對備用電源進(jìn)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(guān)拒動，則由FECS系統(tǒng)發(fā)出啟動柴油機(jī)命令。待符合并列運(yùn)行條件后，發(fā)出合出口開關(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)過程：當(dāng)保安段運(yùn)行主電源（保安段上一級母線）恢復(fù)正常且保安段電源開關(guān)狀態(tài)恢復(fù)正常后，通過手動啟動柴油機(jī)跳機(jī)程序，合上工作電源開關(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QF命令，QF跳開。QF的常閉接點(diǎn)聯(lián)跳K1、K2和K3、K4開關(guān)。⑤正常維護(hù)開機(jī)過程：此時#1、#2機(jī)組保安段A和B都帶電，如要試機(jī)，手動發(fā)出柴油機(jī)起動命令，待柴油機(jī)組符合并列條件后，發(fā)出合QF命令，然后手動同期合上K1、K2或K3、K4開關(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，對系統(tǒng)可靠性要求較高，若不能及時為兩臺發(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&ldquo;熱備用&rdquo;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(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，備用模塊能無擾地自動切換。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&ldquo;PLC 上位機(jī)&rdquo;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(luò)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(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(jìn)行說明。以STEP7 V5.3 SP2為PLC軟件系統(tǒng)平臺，對柴油發(fā)電機(jī)的特性曲線進(jìn)行分析，仿真出其運(yùn)行曲線，針對曲線編程，實現(xiàn)平滑運(yùn)行和輸出穩(wěn)定。系統(tǒng)具有自起動、自動調(diào)節(jié)、自動控制、模擬試驗等功能。

　　5 結(jié)束語 

　　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，具有一定的實用性和通用性。在機(jī)房無人值守的條件下能保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。