某型号发电机组控制系统的研究与实现

摘  要  针对一种发电设备的控制需求，开发了一种集多种启动程序控制、发电机运行监测与保护功能的自动控制系统。本系统通过接收外部指令，完成发电机组冷启动、假启动、工序启动和程序启动程序，工作中监测发电机组进气温度、排气温度、滑油压力及转速等运行参数，完成二十余项故障保护及报警功能，并将排气温度、转速及故障等信息传至显示控制装置，实现人机交互功能。经实验验证，本系统满足了发电设备的自动控制需求，解决了某型号发电机组启动可靠和发电质量稳定的问题。

关键词  发电机组;控制系统

中图分类号：TM31      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0022-02

某型号发电机组以其体积小、重量轻等优势在国内主要应用于飞机及地面设备。目前引进型号某型号发电机组的控制系统主要来源是进口装备配套，普遍存在采购渠道窄、售后保障困难等问题。国内目前尚无成熟产品，只有部分在研产品，在研产品普遍存在兼容性差、实时性差、可靠性不高、电路集成度不高、结构松散、体积大、质量大等问题。目前，国内在这方面的应用范围在逐步扩大。

为满足市场需求，增强某型号发电机组控制系统的实时性、稳定性，本设计采用主从通道备份工作方式，有效增强了系统稳定性;选用了高集成度的电路，减小了产品的体积和质量;增加了实时监测参数的种类，能够更准确的监测发电机组的工作状态;采用插件板结构，可实现板级替换和组合级替换，方便维修和维护。

1  系统介绍

本系统通过接收显示控制盒或总控制台指令，完成发电机组冷启动、假启动、工序启动和程序启动程序，监测发电机组进气温度、排气温度、滑油压力及转速等运行参数，完成28项故障保护及报警功能，并将排气温度、转速及故障等信息传至显示控制单元，用于运行状态监视，实现对某型号发电机组的自动控制。

2  系统设计

硬件组成：

本系统核心功能采用了无共因失效冗余备份设计方案，计算机为主控制，时序电路为备份控制。两部分控制电路原理完全不同，可完全独立工作，互不影响，也可同时工作。同时工作时，时序电路控制实现对计算机控制的热备份，完成对发电机组启动、运行的基本功能控制，有效提高了系统的可靠性。

1）主通道硬件设计。

①主通道组成。

主通道包括二次电源模块、主控制模块、光耦输入隔离模块、光伏继电器输出隔离模块、数据采集模块、电磁阀驱动电路模块。

二次电源为单片机等各工作模块提供工作电源;主控制模块由单片机、晶振、复位电路等外围电路组成，实现主通道的控制功能，完成多种启动程序和二十余种故障检测和保护功能;输入输出模块经过隔离处理实现信号转换;数据采集模块对温度和转速信号进行采集，经调理和转换后，送主控制模块进行处理，作为程序判断的依据;电磁阀驱动模块通过对电液伺服阀的控制，实现对燃油供油量的调节，以达到产生合格电能的目的。

主通道结构见图1。

图1  主通道结构图

②二次电源模块。

主通道系统一共使用了三个独立的二次电源，满足电源变化范围的要求。第1路DC/DC得到X1V电源，为控制模块提供工作电压;第2路DCDC得到X2V电源，为温度测量和转速测量模块提供工作电源;第3路DCDC得到X3V电源，为驱动燃油调节泵的电液伺服阀提供工作电源。在电源入口端并接一只稳压二极管，防止电压波动损伤内部电路;同时反向并接了一只大功率整流二级管，防止在使用时将电源接反，造成控制板损坏。

③主控制模块。

控制板主控制系统采用Atmel公司的AVR系列单片机ATmega640和晶振等外围电路组成。

晶体振荡器为单片机提供时钟源。P1为JTAG编辑调试接口。跳线JP1、二极管D1、电阻R1、电容C1组成上电复位电路。上电时，为电容C1充电，可延迟Reset复位信号的低电平有效时间;工作时，短接JP1即可将单片机复位;断电时，C1储存的电量可通过D1释放掉，防止下次上电时，系统没有及时可靠完成复位。

④输入输出信号的电气隔离模块。

系统的输入输出信号的额定电压值与主通道自身工作电压值不同，为保证外部信号不对控制板干扰或损坏，因此需要进行电气隔离。

主通道采用光耦和光伏固体继电器进行电气隔离。相对于电磁继电器等机械式隔离元器件，光隔离元件具有体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高等特点。

⑤排气温度及转速控制。

机组启动过程中的排气温度和转速均与机组的供油量有关，因此对排气温度和转速的控制也即为燃油阀门（电液伺服阀）的控制。

在硬件电路上，主通道对电液伺服阀采用了PWM脉宽调制技术，此技术使电液伺服阀电路工作在饱和区和截止区，因此元件发热量较低，功耗较小。同时PWM形成的脉动信号使电液伺服阀始终保持在振动状态，形成动力润滑，消除了阀门的启动电压，使控制更加流畅平稳。

2）从通道硬件设计。

从通道采用时序逻辑电路实现控制功能，完成主通道故障情况下的各种启动程序。从通道结构见图2。

图2  从通道结构图

从通道二次电源模块、输入输出模块的原理与主通道的相似。逻辑控制模块采用数字集成电路搭建。

3）软件设计。

系统软件主要负责采集信号的处理与分析，控制指令的发送与接收，发电机组启动控制流程的实现，故障信号的实时监测等。

本系统软件采用C语言进行编写，软件运行的硬件平台为Atmega640单片机，采用AVR公司推出的Atmel Studio6.0进行开发和设计。

软件功能按照程序结构分为主程序循环功能、外部中断功能、定时器中断功能和SPI中断功能。主程序功能包含了初始化功能、自检功能、启动信号判断功能、本控和遥控功能、温度检测功能、转速检测功能、燃油调节功能等。中断型功能又可分为开关盖类功能、启动类功能、停机类功能、故障类功能、查询类功能、定时器类功能。

3  实验测试与结果

为了验证某型号发电机组控制系统的可靠性，本文对该系统与某型号发电机组进行了联机调试测试试验，主要进行了启动控制测试和变负荷工况测试，测试结果满足设计要求。

1）启动控制测试。

在启动阶段，控制系统主要根据转速和排气温度，对启动电机、电加热器、注油泵、电磁阀等执行机构进行控制，使指令输出与指令撤销的时间点满足要求。时间点不满足要求会造成机组不能启动。启动过程的指令加载情况，可以通过监测启动电压来观察，启动曲线如图3所示，图中横坐标为时间点，纵坐标为启动电压。

图3  启动过程的启动电压曲线

通过观察图中启动电压的转折点时刻，可判断机组控制信号输出情况。电压变化与实践的对应关系与理论值一致。从启动电压监测曲线看出，本控制系统能够对机组各执行机构进行顺序控制，完成机组启动。

2）变负荷工况测试。

由于电力负荷经常变动，发电机组不可能经常在一个工况下运行，大多数在非额定工况或部分负荷情况下运行，为保证机组发出电能的电压和频率稳定，因此要求机组具有变工况下的运行稳定性。

图4和图5是机组在100%负载突加和100%负载突减时的机组发电频率瞬态响应曲线。

图4  系统100%负载突加时发电频率曲线

图5  系统100%负载突减时发电频率曲线

从图中可以看出，当机组负载突加100%或突减时，燃气轮机的转速会有小幅波动，从而导致机组发电频率有所下滑或上升（但仍然在标准频率稳态区间内）。此时控制系统根据转速偏差，对机组电液伺服阀进行快速调整，减少或增加系统供油量，让燃气轮机转速平稳、快速恢复，使发电频率恢复到标准频率附近。从机组发电频率瞬态响应曲线可以看出，本控制系统的控制效果较为理想。

4  结束语

本文设计了一套某型号发电机组的控制系统，该系统通过接收外部指令，完成发电机组冷启动、假启动、工序启动和程序启动程序，工作中监测发电机组进气温度、排气温度、滑油压力及转速等三十余项运行参数，完成二十余项故障保护及报警功能，并将排气温度、转速及故障等信息传至显示控制装置，实现人机交互功能。经实验验证，本系统满足了某型号发电机组的自动控制需求，解决了某型号发电机组启动可靠和发电质量稳定的问题。

作者简介

卢爽（1981-），女，辽宁沈阳人，工程师，工程硕士学位。

推荐访问:控制系统 机组 发电 型号 研究