（电机与电器专业论文）基于plc的微型燃机发电机组控制系统的研究.pdf

基丁p l c 的微i 口燃机发i u 机纲控制系统的研究 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mf o rp o w e rg e n e r a t i o no fm i c r o t u r b i n e b a s e d o n p l c a b s t r a c t t h em i c r o t i l r b i n cp o w e rg e n e r a t i n gs e t sa r ec o m p o s e do ft u r b i n e ， c o m p r e s s o r ， c o m b u s t i o nc h 锄b e r ，r e g e n e r a t o r ，b e 撕n g s ，h i 曲s p e c d 脚e r a t o r ，p o w e rc o n v e r s i o ns y s t e m a n do i li n j e c t i o ns y s t c i l l ，e t c i ti sak i n do fe l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nd e v i c eo fe n v i m m e n t a l p m t e c t i o n nc a nb eu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h 舔n o 硼a le l c c t r i c a ls o u r c eo re m e r g e n c y e l e c t r i c a lp o w e r ，t h ed i s 诵b u t e dp o w e rg e n e r a t i o na i l dc o g e n c r a t i o no fc o o l i n go r h e a t i n ga i l d p o w e ra j l dh y b r i dp o w e ru n i t sf o ra u t o m o b i l e sa n dc o g e n e r a t i o no fm e lc e l l - g a st u r b i n e ，e t c s ot h es t u d yo nt h i st y p eo fp o w e rs e t si so fm a j o rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 0 nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed c v e l 叩m e n ts t a t u so ft h em i c r o t i l r b i n ep o w e rg e n e m t i n g s e t sa 1 1 dc o n t r o l t e c h n o l o g y t h ei l l l i tc o n t r 0 1s y s t e mo u g h tt ob ea b l et og u a r a l l t e et h eu n i t s a f es t a b l em o v e m e n t ，g i l a r a n t e e dt h eu n i ti na n ys i t u a t i o n ，d o e sn o th a v eu l t mw a n l l ，m eu l t r a e x t e n s i o np h e n o m e n o n s i m u l t a n e o u s l ys h o u l dc o n s i d e rt h eu n i tf 如mt h ei g n i t i o n ，t h e a c c e l e r a t i o n ，u n t i li nt h ef i x e dm o v e m e n tp r o c e s s ，e n a b l e st h eu n i tt ob em l lp r e h e a l i n g ， r e d u c e s t ou n i t s t h e m a ls h o c k ，a n de 1 1 h a n c e s t h eu n i t l i f e t h e u n i tr o t o rr o t a “o n a ls p e e d a r e ra c h i e v e d9 5 r a t e ds p e e di n v e s t sa c c o r d i n gt om er a t e ds p e e dc o n t r o lc l o s e d l o 叩 c o n t m l ，g u a r a n t e e sg e n e r a t o ro u t p u tv 0 1 t a g ea n dt h ep o w e ro u 印u tu n i ts t e a d yw o r k w h e n b r e a l ( sd o w ng e n e r a l c o r d i n gt o 硒s i 印st a b u l a t e s ) a l s of o rn o b o d yd u t yc o n d i t i o n ，t h eu n j t c o n t m ls y s t e ms h o u l dn o 肌a lc u t o f f ，w h e nt h eu i l i t b r e a l 【sd o w ng 锄e r a la l s of o rs o m ep e r s o n o fd u t i e s ，m eu i l i tc o m m ls y s t e ms h o u l ds e n do u tt h ea c o u s t o o p t i c st oa l a r m w h e nt h eu n i t h a st h em a j o rf a i l u r et h eu n i tc o n t r o ls y s t e ms h o u l ds e n do mt l l ea c o u s t o o p t i c st oa l a n i la n d e i l l e r g e n c ys t o p s i m u l t a i l c o u s i ya l s os h o u j dc o n s j d e rw h e ne s t a b h s l l l l l e n tu n “d e b u g g i n g n e e d sa n do t h e rc o n e s p o n d e n c e sd a t ac o l l l l e c t i o n s m ed e s i g ns c h e m e s 矗b o u tc o n t r 0 1s y s t e m o f t h em i c r o t u r b i n ep o w e rg e n e r a t i n gs e t sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dr e q u e s t a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e ds c h e i i l e 锄dt 1 1 e a c t i l a lr e q u e s to ft h ep r o j e c t ，t h ec e l l t r a l c o n t m ls y s t e i i lo fm ep o w c rg e n e r a t i n gs e t sa r ec o m p o s e do ft h es 7 3 0 0 p l c ，t h ea s s o c i a t e d d i g i t a li n p u ta 1 1 do u t p u tm o d u l ea n dt h er e l e v a n ta i l a l o gi n p u ta n do u t p u tm o d u l e 1 1 1t h i st h e s i s 沈肝fi ：业人学硕十学位论文 m a n yp l cm o d u l e sh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h es y s t e mp o w e rs u p p l y i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e d t h e nc o m p i e t et h es t a r t i n gc o n t r o is y s t e mo ft h ep o w e rg e n e r a t i n gs e t sa n dt h ed e s i g n i n go f t h ed e t e c t i n ga i a ms y s t e m d e s i g nt h es t o p p i n gg e n e r a t o rs o f h v a r e d u et oa d o p t i n gt h el a d i a n g u a g e ，e n r i c ht h ep r o 伊a mw i t ht h er e a d a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，m a n ya s s o c i a t e dq u e s t i o n s a r er e s o l v e da sf o l l o w i n g ：a d o p tg e r n l a ns i e m e n sp l c ( s 7 3 0 0 ) a n dr e l a t e di oc a r d s 船m e m a s t e rc o m r o i i e ro ft h em i c r o t i l r b i n ep o w e rg e n e r a t i n gs e t sc o n t m is y s t e m ；s e i e c tt h e f u l i a u t o m a t i cn o a t i n gt y p ec h a r g e rt h a td e v e l 叩e di ns h e l l y a n g 嘶v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya s t h es t a n i n gd i r e c tc u r r e n tp o w e ro f t h ee l e c t “c a lm o t o r t h ep r o b l e mt h a tt h ec u t t i n g so f f s t o i 氇g eb a t t e r yl o a da r e rp a r k i n gi sc o m p l e e j ys o l v e dv i aa d o p t j n gt h es t a r t i n ga n ds t o p p i n g s e l f l o c k e dl o g i c k e yw o r d s ： m i c r o t u r b i n ep o w e rg e n e r a t i n gs e t s ，c o n t r o is y s t e m ，p l c 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文足我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除厂文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：导师签名： 日期：之：! ：! 争 沈r i l ：业人孚颂十学位论文 l 绪论 微型燃气轮机是单机功率范围为几千瓦至几百千瓦，转速为每分钟几力到十 几万转，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的新一代小型热力发动机发展迅速。 微型燃气轮发电机组大都采用回热循环，通常它由透平、压气机、燃烧室、回热 器、发电机、变换及控制部分组成。 微型燃机发电机组提供了一种清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供 电的最佳方式，使电站更靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区 均能适用。有理由相信，一旦达到适当的批量，微型燃气轮发电机组有能力与中 心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电机装置相比，微型燃气轮发 电机组是一种更好的环保型发电装置。微型燃气轮发电机组可用作常规机组或紧 急备用电源，也可以用于分布式发电及冷热电联供系统，汽车混合动力系统和微 型燃机一燃料电池联合系统等。 1 1 课题研究的目的和意义 2 1 世纪的人类面l 临着能源与环境的双重压力，在能源方面，化石燃料属不 可再生资源，将逐渐耗尽；在环境方面，酸雨、温室效应和臭氧层破坏这三大问 题严重威胁着人类的生存环境。面对不墩重负的环境压力和有限的化石能源，迫 使人类丌发和建立更加清洁、高效的能源系统，这已成为人类社会的共识。由于 燃气轮机作为动力装置和发电设备在上一世纪所表现出的优异性和巨大的发展 潜力，发展微型燃气轮发电机组技术及其联合循环技术将成为新世纪能源动力发 展的主要方向，世界各先进国家均提出了各自的微型燃气轮机技术发展计划【1 2 1 。 近2 0 年来，我国电力工业生产发展迅速。1 9 8 2 年，全国总装机容量为7 2 3 6 万k w ，年发电量为3 2 7 6 7 8 亿k w h ，到2 0 0 2 年底，全国发电装机容量突破3 5 亿k w 大关，全国共完成发电量1 6 4 0 0 亿k w h 。目前，我国电力工业居世界第 二位。随着电力工业的发展，发电厂的装机容量在不断扩大，单机容量为2 0 、 3 0 、6 0 万k w 的机组已成为我国电网的主力机型。从电网方面看，电压等级越 来越高，输送距离越来越远，我国仅跨省连接的大电网就有6 个( 即：华北电网、 基rp i c 的微1 4 燃机发电机组控制系统的研究 东北电网、华东电网、华中电网、南方电网和西北电网) 。在不远的将来，将形 成以三峡电站为中心的全国性联合电网。尽管如此，由于我国幅员辽阔，电力 发展及分布很不均匀，而经济发展又极不平衡，偏远地区用电困难，中心城市用 电高峰期电力供应不足的情况仍很严重。 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分 配的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。这种集中供电方式，对 不同地区的用户共享电力资源，缓解局部地区电力紧张是十分有利的。但这种模 式并非没有缺点，如：电力输送所需要的成本随着输电距离的增加而增大；电能 在输送过程中存在着损耗；电力需求随时州、季节的不断变化，造成电力生产与 用户需求的不协调等等。另外，集中式供电模式面临的更为严重的问题是：一旦 供电中枢或电力网出现故障，所造成的经济损失将是难以估量的。2 0 世纪后半 叶发生在美国的五次灾难性大停电给以集中供电为主导的现代电力系统敲响了 警钟。 采用分布式供电系统作为辅助手段，可以较好地解决这些问题。分布式供电 是指将发电系统以小舰模( 几千瓦至5 0 m w ) 、分散式的方式御置在用户附近， 可独立地输出电能、热能或( 和) 冷能的系统。与集中式供电模式相比，分靠式供 电具有许多优点，如：不需远距离输配电设备，输电损失显著减少；可利用排气 热量实现热、电联产或热、电、冷三联产，提高能源利用率；可以弥补大电网在 安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害情况下，可维持重要用户的供电； 分布式供电系统体积小，各电站相互独立，非常适合对农村、牧区、山区以及发 展中地区提供电力，也可作为军用车载或舰载电源；用户可根据时间、季节变化 自行控制供电系统的工作，缓解电力生产与用户需求的不协调等等。 纵观西方发达国家电力工业的发展过程，可以发现：电力工业的发展经历了 从分布式供电到集中式供电，又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅 是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成 的。毋借胃疑，随着社会的发展，我国电力工业也将面临类似的问题。虽然，从 目前电力工业的发展情况来看，集中式供电仍是我国电力工业发展的主要方向， 沈目i j 。业人学硕十学位论文 但从长远看，只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式供电相结 合，才能构架更加安全、稳定的电力系统。 在各种分布式发电方案中，微型燃气轮发电机( m i c r o t u r b i n eg e n e r a t o r ) m t g 是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备，也是目前国际上分布式 供电系统的主要发展方向，有可能成为2 1 世纪能源技术的主流。 随着微型燃机技术的不断完善，微型燃气轮发电机效率己从1 7 一2 0 上升到 当前的2 6 一3 0 ，但和发电效率为3 5 一5 5 的大型发电厂相比，以微型燃气轮机 作为动力的简单分布式供电系统的热转功效率依然较低。如果利用微型燃气轮机 排气热量实现热、电联产或热、电、冷三联产，能源利用率可达到7 0 9 0 。 与其它的发电机( 如：柴油机) 相比，微型燃气轮发电机具有以下优势。 ( 1 ) 寿命长微型燃气轮发电机组工作寿命达4 5 0 0 0 h ，是同功率等级柴油发 电机组的1 0 倍。 ( 2 ) 移动性好3 0 k w 微型燃气轮发电机组的重量比3 婶柴油发电机组还轻。 ( 3 ) 安全性好由于采用单轴结构，运动部件少，故障率大为降低。采用无接 触支撑和空气冷却，无需更换机油和冷却介质，发电机组的首次维修时间在运行 8 0 0 0 h 以后，维修费用低。 ( 4 ) 环保性好噪声低，废气排出少，对环境污染程度较轻，有利于环境保护。 目前，美国和同本都有多家企业在积极丌发制造微型燃气轮发电机组，在美 国，c a p s t o n e 公司已经制造出6 5 k w 级微型燃气轮机发电机组，发电效率达到 2 6 ；h o n e y w e l l 公司丌发成功了7 5 k w 级的发电机组，发电效率为2 8 5 。 在我园，微型燃气轮机发电技术仍处于研制阶段，一些科研机构、高等院校 以及部分航空发动机制造公司j f 在开展相关技术的研究。2 0 0 2 年由哈尔滨东安 集团和中科院工程物理研究所、西安交通大学组成的联合体承担了国家8 6 3 计划 重大专项课题微型燃气轮机发电机设计与研发，计划到2 0 0 5 年推出具有自主知 识产权的国产微型燃气轮发电机组，其产品水平与美国2 0 0 0 年产品相当a 我国正 在积极致力于独立研制丌发微型燃气轮发电系统。 微型燃气轮发电系统在未来我国电力、动力等国民经济领域和国家安全等方 面具有重要作用和战略意义，先进的燃气轮发电技术是2 1 世纪能源动力系统中 基丁p l c 的微目9 燃机发电机组控制系统的研究 的核心关键技术，对于我国相关领域，如：能源、电力、航空、航天、军事等国 民经济和固防建设中的高新技术发展和移植有重大作用。因此，研究微型燃气轮 机驱动高速磁悬浮永磁发电机控制技术具有十分重要的现实意义。 微型燃气轮机在未来我国电力、动力等国民经济领域、国家安全、急需电力 和缺电地区等方面具有重要作用和战略意义，特别是我国目前的电力发展及分布 很不均匀，而经济发展又极不平衡；随着西部大丌发“西气东输”工程的实施以 及能源供应多样化的发展趋势，国内对微型燃气轮机具有明确的需求和产业化前 景；同时通过微型燃气轮机研发，可为大型燃气轮机研发提供技术储备和经验。“。 燃气轮机发电技术在我国兴起才十余年，但相对于燃煤发电技术，在热效率和环 境保护等方面均具有明显的技术经济效益和社会效益。微型燃气轮机作为小型分 布式发电技术或动力装置，具有更为灵活、安全、洁净、廉价的发电和热电联供 方式，符合对能源供给多样化的发展需求；而且由于不需要水，可以应用于我国 严重缺水地区，所有这些都特别符合我国2 l 世纪可持发展战略。 在未来十年内，我国将建成三力公罩输气管路干、支线，完成西气东输工程、 俄一中一韩等输气工程。随着我国“西气东输工程”的实施，燃气动力装备将成 为一个极具潜力的新兴产业。沈阳市己将燃气动力装备列为重点发展产业，组成 以黎明航空发电机集团和鼓风机厂为主体的产业链。其中，燃气动力高速发电机 是重点丌发产品之一，可用于需要独立供电或作为备用电源的军工或医院、宾馆、 购物中心、工厂等供电设施，具有广泛的推广应用前景。 微型燃气轮机发电技术是2 l 世纪能源动力系统中的核心关键技术，同时也 是世界上，一个国家工业技术先进程度的重要标志。因此，研发微型燃气轮发电 机组技术，逐步形成自主的研究、设计、制造体系和创新机制，为产业化铺平道 路，具有非常现实的意义。 1 2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势 微型燃气轮机的雏形可追溯至6 0 年代，但真正发展是在9 0 年代初，出现了 d i 燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃气轮发电机组，发出的高频电流经变频 为j o 6 0 i z 后去应用；这样不仅大大简化了结构，而且使整台发电机组的尺寸显 著减少，重量减轻。将燃气轮机与发电机设计成一整体，这是一个新的设计概念， 沈目i i 业人。硕十学位论文 优点显著，故一出现后即获得强大的生命力。国内外现在有多家公司正在研制和 生产这种燃气轮机。鉴于2 0 世纪9 0 年代大型燃气轮机最大的容量已从当年的数 力ik w 提高到3 0 0 m w 以上，相对来说数百k w 以下的燃气轮机功率较小，故称 为微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ，简称m t ) ，而小型燃气轮机则指千余至月余k w 功率范围的机组【4 】o 1 9 9 9 年在美国动力年会上，a i l i c d 、s j 缈a l 、c 印s t o n e 与e l l i o t t 等公司推出了 2 5 7 5 k w 微型燃气轮机样机，得到了电力、交通和军事等领域的高度重视。在 美、欧等国微型燃气轮机发展迅猛，每年均有样机推出5 q j 。美国专家预测微型 燃气轮机的潜在全球市场将达到每年8 0 1 0 0 亿美元。h o n e y w e l l ( a l l i e ds i n g a l ) 公司的7 5 k w 产品，c a p s t o n c 公司的3 0 k w 和6 0 k w 产品，e 1 1 i o t t 公司有4 5 k w 和8 0 k w 产品，欧洲( v 0 1 v o 和a b b ) 和只本( t o y o t a ，m i 和川崎) 公司也相继开发 出微型燃气轮机产品，并开始进入国际市场【8 】。 美国能源部( d o e ) 在其制定的2 1 世纪能源规划( v i s i o l l 2 1 ) 中指出，2 1 世纪的 “e n e r g yp l a n s ”应该具备高效率、低污染的特点。目前尽管出现了大量的可供 利用的其它能源形式，如太阳能、风能等，但当前能源工厂仍主要集中在使用化 石燃料。是高效率和对环境的最小破坏【9 】，是未来能源工厂必须具备的特点，并 应能在经济性方面具备吸引力。美国、日本和欧洲国家都在进一步强化新一代微 型燃气轮机系统的研究、开发。美国国家能源部( d o e ) 制定了年度“微型燃气轮 机系统”财政计划项目，该项目投资近1 6 3 亿u s d 。它所研制的微型燃气轮机 系统的功率范围从2 5 1 0 0 0 k w 之间，在微型燃气轮机系统中采用了带回热装罱 的微型燃气轮机，使得系统效率和寿命都有了很大的提高。目前，微型燃气轮机 的最大单机功率为8 0 2 0 0 k w 。 2 0 0 0 年5 月美国机械工程师协会国际燃气轮机研究院( a s m ei g t i ) 在 慕尼黑召丌的a s m e 第4 5 届国际燃气轮机和航空发动机大会上，首次设立了关 于微型燃气轮发电机分组会议( s e s s i o nm - 0 4 ：m i c r o t u r b i n eo p e r a t i o n a l e x p e r i e n c e s ) ，其中美国的c 印s t o n et u r b i n e ，e l l i o t te n e r g ys y s t 锄s ，h o n e y w e n p o w e rs y s t e l t l s ，n o r t h e mr e s e a r c h & e n 百n e e r i n gc o r p ， s o u t h e n lc a l i f o m i a 基丁p l c 的微1 q 燃机发l 也机组控制系统的研究 e d i s o n ，o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y 等6 家公司，加拿大的c a n m e te n e r g y t e c 1 1 1 0 1 0 9 y c e n t r e ，以及瑞典的t u r b e c a b 报告了各自的研发结果和运行经验。 截止到2 0 0 0 年1 1 月c a p s t o n e 已推出第l o o o 台微型燃气轮发电机。 2 0 0 1 年8 月美国建设了号称目前世界上最大的微型燃气轮发电机电站，总 容量为1 5 m w ，共有5 0 台c a p s t o n e3 0 k w 微型燃气轮发电机。 同本后起直追，东京透平系统公司和三菱重工也都开发出了微型燃气轮发电 机产品投入市场。 到目f i i 为止，h o n e y w e l l ( a 1 l i e ds i 印a 1 ) 公司的7 5 k w 产品，c a p s t o n e 公司 的3 0 k w 和6 0 k w 产品，e 1 1 i o t t 公司有4 5 k w 和8 0 k w 产品，g e 公司的7 5 3 5 0 k w 产品，英国b o w m a n 公司的3 5 2 0 0 k w 产品等丌始进入国际市场。 我国燃气轮机技术研发由于历史原凶，与国外相比差距很大。对于微型燃气 轮机的研发，总体上比较系统的研究和研发尚未深入进行：至今为止，只有极少 几个型号的微型燃气轮机用于商业运行中。国内一些研究单位虽说对微型燃气轮 发电机组进行了大量的研究工作，与国外相比还有很大差距。在微型燃气轮机领 域进行过研究的单位有中国北方车辆研究所、北京理工大学热能工程系等一些研 究单位【”。因此，科研院所和生产企业应该联合起来，积极开展微型燃气轮发电 机组的技术合作与联合攻关，以尽快推动国内微型燃气轮发电机组技术的进步。 国家科技部已将微型燃气轮发电机组列为8 6 3 攻关项目，此项目已由哈尔滨东安 集团承担。 针对我国燃气轮机的研究现状，微型燃气轮机的研制需要采用先进技术，需 要进行大量研究工作。具体研究涉及如下几个方面：微型燃气轮机总体设计技术 研究，包括总体方案、节点参数和全工况性能；压气机、燃烧室、涡轮机及回热 器等主要的热力参数匹配和最优化技术；旋转部件轴系稳定性研究，高效减噪音 技术；紧凑、合理的结构设计，进气系统设计，外形设计；高效高压比单级离心 式压气机研制；低n o x 排放高效燃烧室研制；数字控制系统的研制；6 0 0 0 0 r p m 高速发电机和变频系统研制：高速、高温轴承研制：微型燃气轮机产品总成、安 装、调试或试验等。 沈刚【：业人学硕 学位论文 国产微型燃气轮机发电机组的控制系统多数采用传统继电器控制装置进行 控制。然而随着工业现代化的发展，对燃气轮机运用率和燃气轮机质量的要求在 不断的提高，这样对燃气轮机控制系统的可靠性就提出更高的要求。因此继电器 控制系统的控制性能已无法满足适应现代工业控制的要求和发展。而可编程序控 制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t m l l e r ，简称p l c ) 是以微处理器为核心的通用工 业自动控制装置，它的发展适应了工业生产过程控制的要求和发展的，它不仅能 方便地处理丌关量和模拟量，还能实现自动定时、计数和算术运算处理等功能。 p l c 配有大容量的存贮器，用软件代替常规的继电器，使控制系统具有体积小、 重量轻、速度快、可靠性高和易调试等特点。同时还能适应高低温、冲击振动、 电磁干扰、电源波动等较恶劣的工作环境。所以p l c 完全可以取代继电器逻辑 控制装置，并且采用以p l c 为主的控制系统能够提高微型燃气轮机发电机组的 性能| 1 0 l 。 1 3 课题研究内容 ( 1 ) 课题研究的内容 本课题研究的具体内容包括如下几个方面： 1 ) 制定以p l c 为主控制系统总体设计方案； 2 1 针对设计方案进行微型燃机发电机组控制系统的结构设计： 3 1 进行基于p l c 的微型燃机发电机组控制系统硬件设计； 4 ) 完成基于p l c 的微型燃机发电机组控制系统软件设计( 编写软件程序) 以及仿真； 5 ) 完成基于p l c 微型燃机发电机组控制系统的研究。 ( 2 ) 设计中遇到的问题以及采取的解决方法和措施 1 1 微型燃机控制系统主控制器的选择问题。本次设计拟采用德国西门子p l c ( s 7 3 0 0 ) 及配套的系列i o 卡件； 2 1 电机的启动是由直流电源供电，需要考虑电源的节能与充电问题。本设计 选用沈阳工业大学研制的全自动浮动式充电器产品； 3 ) 如何在停车后彻底切断电瓶的负载问题。本设计采用启停自锁逻辑在停车 后彻底切断电瓶的负载。 基丁p l c 的微口q 燃机发电机细控制系统的研究 2 微型燃机发电机组控制系统 2 1 控制系统的设计要求 ( 1 ) 机组控制系统应能完成使机组从启动带转、 及停车全过程及各种状态的自动控制。 ( 2 ) 讥组控制系统应能傈证机组安全稳定运行， 发生超温、超转现象。 点火、加速直至额定状念以 保证机组在任何情况下，不 ( 3 ) 机组控制系统应考虑机组从点火、加速、直至额定运行过程中，使机组 能够充分预热，以降低对机组的热冲击，提高机组寿命。 ( 4 ) 机组转子转速达到9 5 额定转速后投入按额定转速控制的闭环控制，保 证发电机输出电压和电力输出单元稳定工作。 ( 5 ) 当发生一般性故障( 按给定列表) 且为无人职守状态时，机组控制系统 应f 常停车；当机组发生一般性故障且为有人职守时，机组控制系统应发出声光 报警。 ( 6 ) 当机组发生严重故障时机组控制系统应发出声光报警并紧急停车。 ( 7 ) 机组控制系统应设有“启动”、“停车”、“紧急停车”等按钮，同时 应考虑设置机组调试时所需的按钮、丌关等。 ( 8 ) 组控制系统应设有用于系统主要运行参数显示，操作提示等的人机交互 界面，同时应考虑设置机组调试时所需的与其它通信的数据接口。 2 2 控制系统的结构和工作原理 以当前应用较为普及的黎明发动机集团的w d 0 9 5 微型燃气轮机为例，发电 机组是黎明公司研制的具有自主知识产权的微型燃气轮机发电机组，该机组为可 移动的不并网独立电源，发电功率9 5 k w ( 3 8 0 v5 0 h z ) 可长期在1 0 0 k w 功率 范围内满足用户要求：机组体积小、重量轻、维护性好，可在无人看守的条件下 运行，可应用于多种工作条件，全自动调节，自动保护，自动化程度高，机组工 作寿命跃，运行和维护费用大大低于现广泛应用的柴油发电机组。 应用的相关技术：电磁轴承一保持转子在每分钟6 i 丁转运行：烟气回注一将 燃烧后的高温烟气通过小型回热器实现回热循环，对燃料预热；永磁电机技术； 沈舟f f ，业人中硕卜学何论文 变频技术。 幽2 1 微吒燃气轮机系统结构图 f 1 9 2 1s t n ，c l u r c o f p o w e r g 锄e r 鲥0 no f m i c r o 一i n es y s 胁 基丁p l c 的微型燃机发电机组控制系统的研究 微型燃气轮发电机组由涡轮机、压缩机、燃烧室、回热器、轴承、高速发电 机、电力变换系统、喷油系统等部分组成。其中发电机与涡轮机、压缩机同轴。 系统工作过程如下：清洁的空气经过压缩机增压后，进入回热器，与涡轮机 排出的尾气进行热交换，加热后的空气送入燃烧室，与燃油嘴喷出的燃料混合燃 烧，推动涡轮机做功，带动同轴的发电机发电。发电机发出的电力，经过电力变 换系统变换后，输出满足用户要求的交流电【9 】。 控制系统的结构如图2 2 所示。微型燃气轮发电机组的控制系统由中央控制 单元、传感器、开关面板、显示单元和控制器等几部分组成。中央控制单元是微 型燃气轮发电机组控制系统的核心，它负责对整个系统的监测与控制。传感器负 责各种信号的采集，系统中测量参数显示，主令控制信号的实施以及控制器的工 作都是在中央控制器的操控下实现的。 压力控制器通过燃油压力的闭环控制系统，保持燃油压力恒定。 采用功率和速度反馈实现燃油的闭环控制。空载时，功率反馈信号为零，燃 机在控制器的指挥下维持在某一转速( 自持转速) 。当负载功率变化时，功率反 馈信号与原来的供油量信号迭加以改变了燃机的转速给定值通过闭环控制，最 终使系统维待在该功率所对应的转速上。 中央控制单元通过电力变换实现微型燃机的启动、停止控制。 图2 2 说明燃气轮机的控制过程。 ( 1 ) 微型燃机的启动控制 微型燃机启动过程包括驱动、点火、暖机和加速到满载。从冷启动到满载整 个过程大约需要2 分钟。 启动过程中，用户负载断开，发电机用作启动机。备用电池组为整个系统供 电。电力变换系统的启动变频器输出频率由零到某一频率( 由燃机点火的转速决 定) 的交流电源给启动机，启动机拖动燃机的转子加速，当转速达到点火转速时， 燃机供油、点火，使其转速按一定规律( 升速曲线) 上升到自持转速。然后控制 系统断丌启动机电源，撤销逆变器控制信号，系统进入自持状态，为下一个步骤 做好准备。 燃机进入自持状态后，主变流器丌始工作，整流输出电压最终稳定在额定值。 沈阳工业大学硬士学位论文 图22 燃帆控制系统结构框图 f i g2 ，2 汹l c i l 鹏o f t u r b i n cc o n 叫跏幛m 且一 基丁p l c 的微q u 燃机发i 乜机组控制系统的研究 此时，整个系统转换为发电机供电，系统向用户和控制系统自身提供电能。 ( 2 ) 微型燃机的停i e 控制 系统接剑正常停机命令后，功率输出自动终止( 停止向用户提供电能) 。燃 机继续以一定的转速运转一段时删以冷却备部件，此过程称为冷机，整个时问大 约1 0 分钟。从进入冷机过程的6 分钟之内，如果需要，系统还可以再次启动。 当发出正常停机指令后，如果系统监测到蓄电池需要充电，则微型燃机将持 续运转大约需要2 0 分钟时 日j 为蓄电池充电，以保证电池的电量充到额定容量的 9 0 9 5 。 当紧急停机时，需要进行如下操作：1 ) 功率输出终止( 停止向用户提供电 能) ：2 ) 输出接触器断开( 切断外部电路) ：3 ) 燃料控制电磁阀关闭( 停止燃 料供给) ；4 ) 压缩机旁路阀打丌( 停止向涡轮机提供空气) ；5 ) 内部能量被断 开；6 ) 转子减速到停止。 紧急停机仅在紧急情况下使用，它j ，能对燃机使用寿命产生影响。 本论文重点实现机组起动控制( 包括起动机启动、燃机点火、慢车暖机、加 速过程控制) 、检测报警及停车等控制系统的没计。 沈日f j 业人学顾十学俺论文 3 微型燃机发电机组控制系统硬件设计 3 1 硬件系统设计思想 ( 1 ) 电机组的中心控制单元设计由德国西门子s 7 3 0 0 系列p l c 及相关的开关 量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、触摸屏等组 成。 ( 2 ) 系统的主要工作参数、工作状态和操作指导，由t p l 7 0 a 触摸屏显示和操 作。 ( 3 ) 通过起停自锁逻辑解决停车后彻底切断电瓶负载问题。 ( 4 ) 启动过程中，控制系统本身采用d c 2 4 v 直流电源供电。油泵电机采用 a c 2 2 0 v 的u p s 电源供电。启动机由d c 3 1 2 v 电源供电，系统启动进入发电状 态后，出发电机向所有部分提供电能。 3 2s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 系统特性与总体结构 热工控制系统对硬件的要求很高，其生产过程中的特点决定了系统必须具备 较高的可靠性，较快的速度等，在众多的p l c 产品中，s 7 3 0 0 p l c 功能强、速 度快、扩展灵活：它具有紧凑、无槽位限制的模块化结构，并易于扩展，便于以 后系统应用于电厂。本设计的控制系统选用的是s i m e n s 的s 7 3 0 0 型p l c ，它 是目的国内应用较多，性能价格比较好的高性能p l c j 。 s d “e n ss 7 3 0 0 和其他可编程控制器一样，都是采用循环扫描工作方式， 即c p u 首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像寄存器，然后执行程序， 最后在输出过程映像寄存器中将值输出到输出模块，因此循环下去。 s 7 3 0 0p l c 的主要组成部分有：导轨( r a c k ) 、电源模块( p s ) 、中央 处理器c p u 模块、接口模块( ) ，信号模块( s m ) ，功能模块( f m ) 等， 通过m p l 网的接口直接与p c 或其他p l c 相连。其系统构成如图3 1 所示。 s 7 3 0 0 是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不 同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架( 导轨) 或多个机架上。 c p u 3 1 4 3 1 5 最多可扩展为四个机架，i m 3 6 0 妇3 6 1 接口模块将s 7 3 0 0 背板总线从一个机架连接到下一个机架。 基丁p l c 的微1 9 燃机发电机组控制系统的研究 中央处理单元c p u 总是在o 号机架的2 号槽位上，l 号槽安装电源模块，3 号橹总是安装接口模块，槽号4 至1 1 ，可自由分配信号模块、功能模块和通信 模块，需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位【1 ”。 图3 1s 7 3 0 0 系统结构图 f 嘻3l s r u c u r eo f s 7 3 0 0s y s t “ 用于发送的接口模块i m 3 6 0 装在o 号机架3 号槽，通过专用电缆，将数据 从i m 3 6 0 发送到i m 3 6 1 ，两者之间的最大距离为1 0 m 。具有接收功能的模块 i m 3 6 l ，用于s 7 3 0 0 的机架l 到机架3 的扩展，通过连接电缆把数据从i m 3 6 0 接收到i m 3 6 l 或者从一个i m 3 6 1 传到另一个i m 3 6 1 ，它们之间的距离也不应大 于1 0 m 。 3 3s 7 3 0 0p l c 的主要模块介绍 s 7 3 0 0 是模块化的组合结构，有多种型号的模块，下面就常用的模块结构 及接线方式简单介绍一下。 3 3 1 中央处理单元c p u 模块 s 7 3 0 0 有c p u 3 1 2i f m 。 c p u3 1 3 。c p u3 1 4 ， c p u3 1 5 ， c p u3 1 5 2 沈r 1 i ：业人学硕十学位论文 d p 等中央处理单元可供选择。； c p u3 1 2l f m 模块上集成有l o 个数字量输入点和6 个数字量输出点，其余 模块上还带有继承i o 端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的加l 点 数、计数器定时器数量，软件块的数量等，随序号的递增而增加。 c p u3 1 5d p 除具有现场总线扩展功能外，其它特性与c p u 3 1 5 相同。 3 3 2 电源模块 p l c 的内部电源应具有这样的功能：与外部电源隔离减少供电线路的影响； 有较强的抗干扰能力；功耗低；有良好的保护功能。目前以开关型稳压电路为主。 电源模块种类有p s3 0 72 a 、p s3 0 71 0 a 、p s3 0 75 a 。 此外，为了使r a m 中的信息在突然失电情况下不丢失，p l c 一般都采用锂 电池作为r a m 的后备电源。 3 3 3 数字量模块 s 7 3 0 0 有多种型号的数字量i o 模块供选择，如数字量输入模块s m 3 2 1 、 数字量输出模块s m 3 2 2 ，数字量i 0 模块s m 3 2 3 ，此外还有仿真模块s m 3 7 4 ， 占位模块s m 3 7 0 等。 数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成s 7 3 0 0 内部信号 电平，并传送到系统总线上。 数字量模块，按电压分类有直流1 2 v 、2 4 v 、4 8 v 和交流1 2 0 v 、2 3 0 v ；按 保护形式分类有隔离和不隔离两种：按点数分类有8 点、1 6 点、3 2 点等。 数字量输入模块s m 3 2 l 有四种型号模块可供选择，即直流1 6 点输入、直流 3 2 点输入、交流1 6 点输入、交流8 点输入模块。 在实际应用中，无论选择哪种输入模块，都应该注意电压等级和输入点的设 计。 数字量输出模块就是将c p u 模块处理过的内部数字量信号转换成外部过程 所需要的信号，并驱动外部过程的执行机构、显示灯等负载。 数字量输出模块种类也很多。与输入模块一样，有各种电压等级、各种保护 形式、各种点数。数字量输出模块s m 3 2 2 有d 0 1 6 d c 2 4 v o 5 a 、d 0 3 2 a c l 2 0 v