火电厂柴油发电机组启停过程控制策略研究

摘要：本研究采用经验规则探讨柴油发电机组启停过程控制策略。火电厂机电一体化系统的控制部门划分为3个级别，其中，现场处理级（手动/自动选择开关）的控制权是系统的最高优先级，软件程序联锁具有操作所有系统设备的第2个优先权，远程集控室中央监控和数据采集系统（SCADA）是操作所有系统设备的第3个优先事项。不同级别的操作通过远程控制系统的接口控制器使控制系统的功能与SCADA系统兼容。SCADA系统的控制成为一个统一协调的实体，既提高了柴油机的自动化水平，也提高了柴油发电机组运行的安全性和可靠性。

关键词：过程控制策略；机电一体化；监控与数据采集系统；远程控制系统

中图分类号：TP273

文献标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0001-03

0 引言

柴油发电机组由柴油机、发电机、控制系统和公用支架组成。柴油机驱动发电机，柴油的能量转化为电能。其原理是将燃料直接送入柴油机气缸内进行压缩和燃烧。燃烧后的高压、高温排气膨胀推动活塞运动，直线往复运动变成旋转运动，带动轴连接发电机发电。

1.系统的体系结构

柴油发电机组控制系统，虽然在应用中有所不同，但大致都可以分为3个部分：在柴油机房就地控制（自动/手动控制开关），在机房通过人机界面控制，通过收集数据用网络通信的远程控制。集控室操作员可以通过SCADA系统监控和控制柴油发电机的操作。柴油机房和集控室人机界面的机电一体化控制系统可分为3个层次[1]：系统架构包括硬件和机房现场配置为第1层（LOP内置EDS I/O设备），第2层是发动机接口控制单元（内置冗余PLC控制器、网络系统和S.0.E），第3层是远程SCADA系统（包括继电器、仪表板、控制器、S.0.E.、电力、公用和辅助控制）。

计算机控制监视系统总线连接所有系统模块。这种冗余的现场总线系统成为模块之间数据交换的基础，并允许在传感器故障的情况下接收来自其他模块的冗余测量值。

2 柴油发电机组起动/停止控制方式及策略

2.1运行控制方式

控制模式应提供计算机工作站和具有启/停操作的主控面板，控制模式要求如下：

（1）现场控制层优先控制（手动/自动选择开关）应该是最高优先级，功能程序应是操作所有设备的第二优先事项，计算机远程控制应是操作所有设备的第三优先事项。

（2）控制模式和优先级顺序应允许控制系统和现场控制驱动器相互支持。现场控制驱动程序应以手动方式接管控制和监视，以确保在控制系统故障时正常运行。

（3）在正常控制状态下，对系统进行自动控制，实现系统的自动控制。

2.2操作要求和策略

SCADA系统中的负载请求。如果需要，柴油机组可以通过SCADA/人机界面手动或自动启动。每个请求都需要以下数字信号[2]。启动请求和请求的功率值。为每个柴油机提供数字信号。可用柴油机，可用负荷和实际负荷。注意：需要一个最低负荷，在此负荷下不允许继续操作。发电机组的最低负荷是预定为50%。

2.3远程启动控制功能特性

柴油机启动过程：如果条件允许，柴油机可以启动。如果启动时出现故障或任何报警消息，则在检查远程启动互锁条件满足之后，重置所有信号，然后启动柴油机。对于远程柴油机启动联锁条件，如果联锁条件有以下问题：外部速度有异，齿轮啮合不到位，人工急停，远程停止、柴油机尚未停止，或柴油机控制面板选择开关设置为“就地運行”，则柴油机启动将停止并“启动失败”。

柴油机远程启动序列参数设置：柴油机远程启动序列和柴油机的确认（Tl）、开始（T5）、开始（T7）、停止、加载、卸载、油泵驱动（T2）、高压冷却水（T3）、起动阀最大（T6）、T/C油压力表的时间（T4），其中柴油机、润滑油、冷却水、高温压力、初始点火，柴油机启动速度是相互关联的。在最佳参数设置时，应将时间和转速参数进行相互协调。

柴油机远程启动顺序如下。

步骤1：启动联锁是否动作，若是，则设备接收SCADA系统指令，中止启动并复位“远程启动”信号。若否，则设备接收SCADA系统指令，发送“远程启动”指令并继续下一个步骤[3]。

步骤2：柴油机静止时触发启动信号，当选择开关选择自动时，SCADA系统指令下载到设备上执行“柴油机远程启动信号”并继续。在启动操作中，故障信号通过传感器上传到SCADA系统，并予以显示。

步骤3：通过控制命令，启动外部润滑油泵，冷却水泵，自动执行缸套润滑和阀座润滑功能，并启动调速器来调节速度。

步骤4：启动定时器T2、T3和T4，在T2时，初始润滑油的最低压力必须足以使用；因此，若初始润滑油压达不到这一最低值，低油压设定报警，并中止启动。

步骤5：如果涡轮增压器的润滑油压力（定时器T3）和高温冷却水压力（定时器T4）在定时器T2时不符合规定值，则发出故障报警，并中止启动。

步骤6：在启动柴油机的初始润滑压力时间间隔T5内，必须达到上述润滑油的最小压力[4]。柴油机停止时间不超过发动机的最大允许停止时间，或初始润滑油的最小压力已达到并且持续超过1min，则不用再关注初始润滑油压。

步骤7：如果柴油机的停止时间超过了柴油机最大允许停止时间，并且不是慢转，则需要慢速启动。如果柴油机没有慢启动，首先需向设备发出一个明确的命令信号；并且操作人员必须打开指示器阀旋塞以排空发动机内部的流体，这意味着在控制面板接收到控制系统的柴油机清理完毕信号之前，中止远程启动。然后，继续到步骤11。

步骤8：如果检测到慢启动错误，则停止远程启动，并将慢启动信号发送给ECU设备。操作人员必须使用慢转装置，指示阀旋塞接通，以便气缸内有流体，观察ECU控制面板，并手动转动发动机。

步驟9：如果在缓慢的启动过程中没有发现故障，或者柴油机的清理已经完毕，启动过程可以正常地驱动主空气阀，则启动空气压缩机[5]。

步骤10：在启动过程中发动机转速增加，如柴油转速在T6允许的最大时间内不能达到点火速度，则中止启动过程并关闭启动阀。

步骤11：如果点火速度随着时间的推移，不能打开启动阀，则柴油机定时器T7开始计数。

步骤12：在定时器T7时间内，如果柴油机转速不能达到启动所需转速，则中止启动程序，停下柴油机。

步骤13：如果柴油机转速在定时器T7内达到启动所需转速，柴油机运行信号通过传感器上传到SCADA系统并显示出来。

步骤14： ECU执行柴油机启动准备（启动泵，预压，清理），操作员必须在启动程序前检查显示在仪器控制面板上的信息，来确定柴油机的工作状态信息（可以与否），集控室远程执行步骤5到步骤10。

2.4远程停止控制功能特性

（1）柴油机远程停止序列参数设置：远程发动机停机顺序，柴油机的确认（Tl），停止（T8），柴油机停止的速度和旋转速度项参数是相互关联的，时间和转速等参数应相互协调，柴油机可以通过安全系统停止。

（2）柴油机远程停止顺序如下。

步骤1：SCADA操作员将停止指令下发到设备以执行柴油机的停止程序。当安全系统已经确认，柴油机的停止程序继续执行步骤l到步骤5。

步骤2：当柴油机没有停止时，自动控制/手动控制选择开关设置为“自动”时，柴油机通过步骤1到步骤5执行停止程序，当选择开关设置为“手动”时，柴油机通过步骤1到步骤4执行停止程序。

步骤3：当控制面板中有报警信息时，启动辅助风机来配合停止柴油机。

步骤4：如果操作员未能在确认时间（Tl）内执行命令确认，则不能执行柴油机的停止程序；如果在确认时间（Tl）内执行命令确认，则可以执行柴油机的停止程序。

步骤5：当气缸控制装置的控制阀启动，启动外部阻塞减速并且发送一个零信号到调速器仪器控制面板（联锁），这将中断柴油机停止程序。在柴油机减速时，柴油机不能强行启动，直到柴油机停止运转。当ECU控制系统确认柴油机已经停止，在停止时间（T8）后，柴油机的停止可以实际确认。如果柴油机停止运转，安全系统被取消，调速器松开，遥控停止阀在发动机停止之前复位。

步骤6：一旦发动机停止，仪器控制面板显示“发动机停止”，“缸套润滑”和“阀座润滑”功能关闭。

步骤7：取消启动联锁指令，遥控止回阀复位，信息上传到SCADA系统并显示。

3.相关讨论

我们的研究和实验结果可以总结为以下几个特点：

（1）柴油发电机组一旦发生故障，系统的应急电源将受到严重影响。因此，如何提高维修人员的故障诊断能力是一个非常重要的课题。

（2）如何提高柴油发电机组运行的安全性、可靠性和经济性是发电厂经营管理的重要组成部分。

4.结论

根据实际经验，将柴油发电机组控制机构划分为3个层次。各加工层的控制面板按功能分类，不同的项目有不同的接口和组合要求，局部控制面板根据个人要求组合或分离。操作界面可以根据预算选择。通过分析进一步了解机电一体化SCADA系统和ECS软件应用的实用技术。

参考文献

[1] Chih-Ju Chou， Kuo-Hsiung Tseng ， To-Cheng Liu， Kang-Chin Liu， A Case Study of Mechatronics Human MachineInterface Technology Development Research for DieselGenerator Engine Power Plant， 9th IEEE Conference onIndustrial Electronics and Applications .2014， ISBN978-1-4799-4316-6.

[2] Francesco Adamo， Filippo Attivissimo ， GiuseppeCavone， and Nicola Giaquinto，

"SCADA/HMI Systemsin Advanced Educational Courses，” IEEE Trans. onInstrumentation and Measurement， vol. 56， No. 1，pp.4 - 10， February 2007

[3] Endi， M.： Elhalwagy， Y.Z.： Hashad， A. “ThreeLayer PLC/SCADA System Architacture in ProcessAutomation and Data Monitoring，” IEEE ConferencesComputer and Automation Engineering （ICCAE）， The 2ndInternational Conference on Volume： 2， pp. 774779， 2010.

[4] 陈炜，杨琪，于振兴.火电厂后备柴油发电机监控系统的设计和实现[J].可编程控制器与工厂自动化，2008 （5）：110-113+121.

[5] 雷朝辉.火电厂保安电源柴油发电机组电气系统改造[J].价值工程，2011， 30 （35）：61-62.

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