柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

柴油機(jī)以其高效、起動(dòng)性好等一系列優(yōu)勢(shì)，在發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-2]。柴油發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)包括各種傳感器、起動(dòng)電路、柴油機(jī)控制及保護(hù)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制及保護(hù)、并聯(lián)運(yùn)行控制、通信及監(jiān)控、供配電控制及各組成電氣元件。因此，柴油發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)是機(jī)組起動(dòng)、運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、保護(hù)、輸出電能和通信的控制中心，是不可缺少的重要組成部分，也是近年來發(fā)電機(jī)組發(fā)展最快的技術(shù)。

1 柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成及其技術(shù)特點(diǎn)

柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)從早期的手動(dòng)控制、半自動(dòng)、全自動(dòng)、機(jī)組一體化控制直到現(xiàn)代云服務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?？刂破翉闹羔槂x表發(fā)展為數(shù)碼顯示及液晶顯示等。

1.1 指針儀表顯示屏

1）主要用作發(fā)電機(jī)組控制、測(cè)量及簡(jiǎn)單保護(hù)配電使用。

2）主要配置為面板裝有指示燈（信號(hào)狀態(tài)指示燈）、直流電壓表、直流電流表、功率表、功率因數(shù)表、頻率表、交流電壓表、交流電流表、計(jì)時(shí)表、油壓表、水溫表、按鈕等顯示和控制元件。

控制屏內(nèi)配置有電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器等繼電保護(hù)元件。測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數(shù)表、計(jì)時(shí)表、油壓表、水溫表等）來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)相關(guān)主要參數(shù)的顯示過程[3]。

操作功能：通過按鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的起動(dòng)、停機(jī)，斷路器的合閘、分閘控制。

保護(hù)功能：由自動(dòng)開關(guān)進(jìn)行過載及短路保護(hù)；電壓繼電器實(shí)現(xiàn)過電壓、欠電壓保護(hù)；柴油機(jī)的保護(hù)通過油壓開關(guān)、水溫開關(guān)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。

1.2 簡(jiǎn)單模塊控制屏

1）主要用作發(fā)電機(jī)組控制、測(cè)量及簡(jiǎn)單保護(hù)配電使用。

2）主要配置：配置一個(gè)簡(jiǎn)單的起動(dòng)、停止模塊，面板裝有指示燈（信號(hào)狀態(tài)指示燈）、電壓表、交流電流表、功率表、功率因數(shù)表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、計(jì)時(shí)表、油壓表、水溫表和按鈕等顯示和控制元件?？刂破羶?nèi)配置有電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、中間繼電器等繼電保護(hù)元件。

測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)：由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數(shù)表、計(jì)時(shí)表、油壓表和水溫表等）來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)主要參數(shù)顯示。

操作功能：通過鑰匙/開關(guān)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的起動(dòng)、停機(jī)，通過按鈕控制斷路器的合閘、分閘。

保護(hù)功能：由自動(dòng)開關(guān)進(jìn)行過載及短路保護(hù)；電壓繼電器實(shí)現(xiàn)過電壓、欠電壓保護(hù)；柴油機(jī)的保護(hù)通過油壓開關(guān)、水溫開關(guān)可以進(jìn)入信號(hào)輸入口，并可在面板顯示報(bào)警指示，該模塊也可以用來實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)功能。

3）主要特點(diǎn)：采用控制模塊，集成了開關(guān)量報(bào)警，具有充電失敗、超速保護(hù)功能，鑰匙/開關(guān)起動(dòng)停止功能，將控制系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)化，向模塊化發(fā)展。

1.3 具有通信功能的控制屏

1）主要作為發(fā)電機(jī)組控制、測(cè)量、柴油機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)使用。

2）主要配置集成可編程邏輯控制器（PLC）功能的控制模塊，能夠進(jìn)行起動(dòng)、停止、檢測(cè)柴油機(jī)主要參數(shù)、發(fā)電機(jī)主要參數(shù)。控制面板僅僅配置一個(gè)緊急停機(jī)按鈕，操作記錄、報(bào)警歷史記錄都可以通過控制模塊上的按鍵來進(jìn)行操作翻看，交流電壓表、交流電流表、功率表、功率因數(shù)表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、計(jì)時(shí)表、油壓表、水溫表等儀表功能可以在模塊上由液晶顯示器（LCD）進(jìn)行顯示。

控制屏內(nèi)主要配置有中間繼電器、熔斷器和轉(zhuǎn)接端子等元件。

測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)：面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數(shù)表、計(jì)時(shí)表、油壓表和水溫表等）都由控制模塊上的LCD 屏幕來顯示，通過翻頁(yè)鍵即可顯示各種參數(shù)。

操作功能：通過模塊上“起動(dòng)”“停止”“自動(dòng)”“手動(dòng)”按鍵來進(jìn)行機(jī)組的操作控制，控制模塊一般設(shè)置斷路器的“合閘”“分閘”按鍵功能，通過模塊上面的組合按鍵可以實(shí)現(xiàn)查看實(shí)時(shí)參數(shù)、報(bào)警記錄和歷史記錄，也可以通過模塊上的按鍵根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3）控制屏主要特點(diǎn)是控制模塊的功能越來越強(qiáng)大，隨著柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電控技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)的控制[4]，機(jī)組控制模塊也需要能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行通信，交換數(shù)據(jù)。機(jī)組控制系統(tǒng)這時(shí)也要求能夠支持與柴油機(jī)的通信功能，例如具有控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（CANBUS）通信功能[5]，能夠直接采集柴油機(jī)的主要參數(shù)，不用再加裝柴油機(jī)的傳感器，控制系統(tǒng)就可以讀取到柴油機(jī)的水溫、油壓、油耗及故障代碼等主要的參數(shù)。另外，控制系統(tǒng)還需要具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能來滿足機(jī)房的集中監(jiān)控功能[6]。一般會(huì)為其配置Modbus監(jiān)控接口，遠(yuǎn)程上位機(jī)可以對(duì)監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)單臺(tái)或者多臺(tái)機(jī)組的工作狀況進(jìn)行監(jiān)控。

1.4 智能型控制系統(tǒng)

1.4.1 智能型控制系統(tǒng)概述

柴油發(fā)電機(jī)組的智能型控制系統(tǒng)包括燃油管理系統(tǒng)或調(diào)速控制、發(fā)電機(jī)數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器（DVR）或自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）、機(jī)組的測(cè)量與保護(hù)、并機(jī)的測(cè)量與控制、遙控遙測(cè)與通信等，將機(jī)組所需的控制全部由一個(gè)界面完成?？得魉闺娏Φ摹癙CC3100”控制系統(tǒng)就是典型的代表。

1.4.2 康明斯電力PCC3100控制系統(tǒng)

PCC3100 是康明斯電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組上使用的以微處理器為基礎(chǔ)的控制器，其可用于提供燃油控制和柴油機(jī)調(diào)速功能、主發(fā)電機(jī)輸出電壓調(diào)整和全套機(jī)組控制和監(jiān)測(cè)。同時(shí)，它還提供隔離母排或市電（主用電源）并聯(lián)電力系統(tǒng)的自動(dòng)和半自動(dòng)同步以及自動(dòng)負(fù)載分配控制功能[7]。

操作軟件控制發(fā)電機(jī)組及其性能特征，并通過數(shù)字式顯示屏顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，由前端面板上的按鍵進(jìn)行控制或功能設(shè)定。

PCC3100控制器的主要控制功能：

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制經(jīng)由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器（MPU）獲取頻率信號(hào)，控制盤送岀低功率脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)到調(diào)速器輸出模塊，然后向柴油機(jī)燃油控制器輸出一個(gè)放大信號(hào)控制燃油量以控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)通過電壓互感器（PT）/電流互感器（CT）模塊向控制器主板提供信號(hào)至發(fā)電機(jī)調(diào)壓器輸出模塊控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，以控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓[8]。

機(jī)油、冷卻液和排煙溫度等由傳感器傳送信號(hào)至柴油機(jī)傳送器和傳感器模塊后再傳送至控制器主板，通過燃油控制卡控制燃油的關(guān)斷，以保護(hù)機(jī)組的運(yùn)行安全。

母排電壓、頻率信號(hào)通過母排PT 模塊及發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流信號(hào)通過PT/CT 模塊分別送至并聯(lián)模塊向控制器主板傳送，由控制器主板分別調(diào)整機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓，待并聯(lián)條件滿足時(shí)控制并聯(lián)電路斷電器合閘，隨后控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓以進(jìn)行有功和無(wú)功功率分配；監(jiān)控通信功能通過網(wǎng)卡連接系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行通信、監(jiān)控。

整個(gè)機(jī)組的參數(shù)設(shè)定包括轉(zhuǎn)速（頻率）、電壓、增益、穩(wěn)定、下垂（速降、壓降）、傳感器設(shè)定、功率分配等均在面板上操作設(shè)定。

2 柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)不僅要滿足發(fā)電機(jī)組控制、測(cè)量、柴油機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)等功能的需要，而且還要滿足日益增長(zhǎng)的安全性和可靠性的需求。那么，對(duì)于控制系統(tǒng)的功能就需要個(gè)性化、復(fù)雜化，如果將每個(gè)項(xiàng)目都做單獨(dú)的設(shè)計(jì)，又將對(duì)設(shè)計(jì)工程師提出比較高的要求。這樣就需要投入比較多的人力和精力去做這方面的工作，如果能夠把不同的控制系統(tǒng)分為不同的模塊，需要哪一部分就安裝哪一部分，既能降低成本，又能實(shí)現(xiàn)各種功能。

2.1 個(gè)性化

1）功能個(gè)性化。在常規(guī)項(xiàng)目中普通的控制系統(tǒng)可以滿足客戶需要，應(yīng)對(duì)不同客戶的不同需求，往往提出超出常用控制系統(tǒng)以外的功能要求。比如要運(yùn)行、自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、公共報(bào)警等輸岀繼電器信號(hào)，這些信號(hào)自身并不復(fù)雜，但是如果每個(gè)控制屏都配置的話，對(duì)于成本和實(shí)際需要而言將會(huì)產(chǎn)生較大的浪費(fèi)。然而，如果根據(jù)需要進(jìn)行配置，又會(huì)面臨無(wú)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的問題，每臺(tái)控制屏都可能不盡相同，所以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的個(gè)性化需求，都是讓控制屏的設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員比較棘手的一件事情。

2）公司特色個(gè)性化。在柴油發(fā)電機(jī)組行業(yè)，柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的核心技術(shù)控制在主機(jī)廠家手中，原始設(shè)備制造商（OEM）能掌控的內(nèi)容只有控制系統(tǒng)，市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，可能會(huì)出現(xiàn)相同的柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)拼裝的機(jī)組，體現(xiàn)不同廠家機(jī)組性能的差異化的東西就只能是控制系統(tǒng)。此時(shí)的控制系統(tǒng)再體現(xiàn)公司的個(gè)性，例如：卡特彼勒的“奇才控制屏”，康明斯電力的“PCC”系列控制屏。

3）不管是功能的個(gè)性化，還是公司特色個(gè)性化，都為控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、安全性及可靠性帶來了挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中要盡量避免功能的個(gè)性化，否則如果測(cè)試驗(yàn)證不足，則有可能帶來不可靠的風(fēng)險(xiǎn)。在生產(chǎn)數(shù)量沒有達(dá)到一定的量時(shí)，追求公司特色個(gè)性化則會(huì)引起成本的上升。

2.2 復(fù)雜化

隨著安全性意識(shí)的提高，往往要求控制屏滿足一定的安全功能。相較以往需要增加額外的保護(hù)功能。目前現(xiàn)有的控制模塊可以滿足大眾需要的控制保護(hù)要求，對(duì)于功能要求較多的項(xiàng)目就顯得明顯不足。比如差動(dòng)保護(hù)功能往往需要一個(gè)差動(dòng)繼電器和另外安裝兩組保護(hù)CT。接地保護(hù)功能需要加裝一組CT和漏電繼電器。

控制系統(tǒng)LCD 能夠以數(shù)字形式顯示電壓、電流、頻率、水溫、油壓等參數(shù)，然而，對(duì)于一些比較傳統(tǒng)的客戶更喜歡指針儀表的簡(jiǎn)單直接，就再配置—組指針儀表，增加了越來越多的功能，也就添加了更多的元件。如果有一處接觸不良，就可能產(chǎn)生故障，從而降低了控制系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)于發(fā)電機(jī)應(yīng)用的項(xiàng)目日趨高端，一個(gè)發(fā)電機(jī)組在整個(gè)項(xiàng)目中扮演的不僅僅是能發(fā)出電就可以的簡(jiǎn)單角色，它往往是在供電系統(tǒng)扮演著重要的角色。后臺(tái)系統(tǒng)也越來越智能，與柴油發(fā)電機(jī)交換信息的界面也越來越復(fù)雜。系統(tǒng)后臺(tái)要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視控制，就需要柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行配合。系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的控制要求越多，柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)就越復(fù)雜。

2.3 模塊化

目前，柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)采用專用的PLC控制模塊，集合了發(fā)電機(jī)保護(hù)、柴油機(jī)保護(hù)、柴油機(jī)主要參數(shù)、發(fā)電機(jī)參數(shù)，具備三遙功能，滿足一般的功能要求。隨著個(gè)性化、復(fù)雜化的控制系統(tǒng)需求的增加，控制模塊自身也在不斷地將新的功能集成進(jìn)去，然而還是跟不上實(shí)際應(yīng)用的需要，這時(shí)就需要外部邏輯來完成。不少發(fā)電機(jī)組廠家為了滿足項(xiàng)目需要，基于現(xiàn)有的控制模塊進(jìn)行二次設(shè)計(jì)開發(fā)，增加保護(hù)模塊[9]，或者增加PC在外面做邏輯。

然而，復(fù)雜的邏輯，不但增加了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度，也降低了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也給后期維護(hù)增加了成本。這時(shí)候就需要在專用模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊化，在專用控制模塊內(nèi)置PLC 功能，可以滿足機(jī)組廠家進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，另外一些實(shí)在不能內(nèi)置的功能作為輔助功能模塊，需要該功能就安裝，不需要就拆除。

目前，具有復(fù)雜系統(tǒng)需求項(xiàng)目往往在數(shù)量上不足以引起國(guó)內(nèi)模塊廠家的重視，進(jìn)口模塊價(jià)格成本則居高不下，一定程度上也限制了模塊化趨勢(shì)的發(fā)展。隨著控制模塊競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，利潤(rùn)的空間越來越小，廠家就會(huì)把目光投向滿足不同應(yīng)用的模塊市場(chǎng)控制系統(tǒng)用戶，制作接線簡(jiǎn)單，增加功能簡(jiǎn)單，調(diào)試也簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。

既要滿足發(fā)電機(jī)組OEM 工廠的技術(shù)要求及設(shè)計(jì)生產(chǎn)簡(jiǎn)單、調(diào)試維護(hù)方便的需要，又要滿足最終使用客戶日益增加的功能需要，就需要牢牢把握模塊化的趨勢(shì)。就發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的發(fā)展方向來看，應(yīng)以模塊化組合方式為主，即根據(jù)用戶的不同要求，選用不同功能的控制模塊組合成各種不同功能的柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。模塊功能的高度集成化和使用的高度靈活性，將會(huì)使柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能變得越來越完美、設(shè)計(jì)起來更簡(jiǎn)單[10-12]、使用起來更可靠。

2.4 集成化

隨著使用計(jì)算機(jī)作為信息來源的與日俱增，觸摸屏易于操作、堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著該領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)該類型產(chǎn)品的興起，觸摸屏在技術(shù)上成熟可靠，在經(jīng)濟(jì)上性價(jià)比較高，對(duì)集中監(jiān)控采用該元件的全面推廣提供可能。

在柴油發(fā)電機(jī)組主要項(xiàng)目中往往會(huì)使用人機(jī)接口（HMI）觸摸控制技術(shù)編寫相應(yīng)的組態(tài)，將常用的一些參數(shù)、報(bào)警信息以動(dòng)態(tài)直觀的形式表現(xiàn)出來，不再是看起來比較枯燥的文字。另外，HMI 觸摸屏是用于整合整個(gè)機(jī)房的專用模塊，做到集中監(jiān)視，測(cè)試控制，大屏幕快捷直觀操作，滿足運(yùn)維人員的及時(shí)査看，不需要到機(jī)房的每個(gè)機(jī)組控制屏進(jìn)行查看，讀取參數(shù)，減少人員成本，降低運(yùn)維人員技術(shù)水平門檻。HMI 觸摸屏越來越得到用戶的認(rèn)可。目前，制約HMI控制系統(tǒng)應(yīng)用的主要原因還是HMI屏的本身工作環(huán)境不能適應(yīng)所有的機(jī)組環(huán)境，作為應(yīng)急電源一大部分柴油發(fā)電機(jī)組工作在高溫、高濕等惡劣環(huán)境，國(guó)內(nèi)不少HMI觸摸屏的使用環(huán)境不能適應(yīng)極限環(huán)境。另外，對(duì)應(yīng)的HMI的組態(tài)軟件還是需要機(jī)組控制系統(tǒng)廠家進(jìn)行編寫，也要投入一定的成本[13]。

3 結(jié)論及展望

盡管整機(jī)輸出功率通常低于汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等動(dòng)力裝置[14-17]，難以承擔(dān)發(fā)電基本負(fù)荷，但考慮到柴油機(jī)自身的技術(shù)特點(diǎn)，其在移動(dòng)發(fā)電設(shè)備中依然有著廣泛應(yīng)用。在此前提下，針對(duì)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)而開展的相關(guān)研究仍有著重要意義。就目前而言，控制系統(tǒng)在柴油發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域仍扮演著重要角色，并且會(huì)向著個(gè)性化、復(fù)雜化、模塊化及集成化的方向不斷發(fā)展。