某燃机发电机综合控制系统设计方案

某燃机发电机综合控制系统设计方案

赵祎,王海龙,李成鑫

中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110066

摘要：本文针对某燃机发电机系统提出一套基于S7-1500PLC的综合控制系统设计方案，使发电机系统中励磁、滑油等系统协调稳定的运行，进而保障燃机试验安全可靠。

关键词：发电机系统、S7-1500PLC

1 引言

某燃机采用后输出电负载方式，利用后输出轴将功率通过扭轴、齿轮箱以及联轴器传递至发电机，经发电机将机械能转化为电能后通过负载箱以热能型式耗散掉，完成吸收燃机输出功率的功能。作为燃机中重要的组成部分，发电机系统承担与燃机的测控系统相互发送和接收无源接点报警信号，配合完成燃机性能稳定性验证、性能调试、专项测试、耐久性考核等试验，故其系统的稳定性对于燃机的整体性能至关重要。鉴于此，本文针对发电机系统中的指挥中心提出一套基于S7-1500PLC的综合控制系统设计方案，旨在使发电机系统中励磁、滑油等系统协调稳定的工作，进而保障燃机试验稳定可靠。

2 燃机发电机系统概况

某燃机采用后输出电负载方式，利用后输出轴将功率通过扭轴、齿轮箱以及联轴器传递至发电机，经发电机将机械能转化为电能后通过负载箱以热能型式耗散掉，完成吸收燃机输出功率的功能。发电机系统包括发电机本体、励磁系统、保护系统、滑油系统、冷却系统、配电系统及控制系统，各个系统功能独立，共同完成发电机建压发电、电能传输、电气隔离等一系列工作，如图1所示为发电机系统一次侧示意简图。

K0-中性点柜；K1-倒相柜；K2-PT柜；K3-发电机出口柜；K4-1#负载箱断路器柜；K5-2#负载箱断路器柜；K6-3#负载箱断路器柜；K7-4#负载箱断路器柜；K8-5#负载箱断路器柜。

图1 发电机系统一次侧示意简图

此外，发电机控制及保护系统可以与燃机的测控系统相互发送和接收无源接点报警信号，配合完成燃机性能稳定性验证、性能调试、专项测试、耐久性考核等试验；发电机系统包含本地/远程控制模式，通过操作间内上位机界面实现励磁投入、油泵启停及状态检测等远程监控，保证系统功能齐全且安全可靠。

3 综合控制系统设计方案

3.1总体设计思路

综合控制系统主要用于对励磁系统、滑油系统、配电系统的协调控制及系统运行状态参数的采集监控。结合发电机系统概况和图1所示的发电机系统一次侧示意简图，发电机综合控制系统采用以可编程控制器为主控制器，与上位计算机组成工业以太网控制网络的系统架构。其按工业以太网网络结构中各节点功能可分为用于操作监控的上位机和用于设备控制、参数采集的下位机。

3.2硬件设计

结合发电机系统的工作原理，汇总所需的监控点，并配有一定的余量，匹配相应故障诊断和报警提示等保障性功能，使整个系统能够正常、稳定、安全、高效、低耗运行，减少操作和维护工作量，主要硬件选型清单如下：

表1 主要硬件选型清单

3.3软件设计

软件设计包含上位机监控软件设计和下位机控制软件设计。其中，上位机采用西门子WINCC软件开发，通过工业以太网与可编程控制器进行通讯，采集发电机各系统的参数及主要设备的运行状态信息，并对现场数据进行分析、处理、存储，对主要运行监视参数作出趋势曲线，对系统中重要器件的状态等进行监控、归档；上位机可实现远程控制油泵、合分主断路器、负载箱高压开关柜断路器、灭磁开关、励磁电压的给定、发电机温度的显示和报警等功能，按功能区域划分，包括监控界面、一次系统、配电数据、状态画面、数据报表、数据曲线、报警记录、操作记录这8个部分。

下位机采用西门子S7-1500系列PLC，与上位机的通讯方式采用Profinet通讯协议。通过上位机与PLC模块通讯，实时采集发电机系统运行工况下的各项运行参数，实现所有控制功能，完成燃机相关试验。下位机在TIA博途软件开发，采用模块化编程方式，按功能类别划分程序模块，各模块间相互独立，程序清晰简洁，便于调试与更改。

4 试验验证

为验证上述设计方案的可行性，对燃机进行多次联调试验，试验结果显示发电机综合控制系统满足试验需求，可正常试验。对于试验中出现的故障，通过机理分析加以解决，具体内容如下：

a)励磁故障：

1)故障现象：上位机监控画面提示励磁故障报警，查看报警记录，若信号背景为黄色，表示励磁系统某项保护触发；

2)可能原因：一般为低频保护；

3)处理办法：当刚开始发电机转速较低或为0时，励磁报警可不予考虑；当加载过程中出现励磁报警，若机端电压能维持不变，则应暂停当前加载，向试验指挥报告请示，并派出人员到本地查看具体报警名称进行排故。

b)机端电压波动故障：

1)故障现象：上位机监控画面中的发电机电压显示值波动大，机端电压不稳；

2)可能原因：动力涡轮转速波动大或者励磁报警；

3)处理办法：请示指挥将负载减载至零，进行分闸灭磁操作，并派出人员检查励磁系统及燃机控制系统。

5 结语

本文基于S7-1500PLC提出一套发电机综合控制系统设计方案， 采用PROFINET的分布式控制方式，满足用户需求的同时可兼顾扩展需求，有效减少电缆量、降低成本、提高数据传输稳定性。该方案已通过试验验证，具有较高的经济和使用价值，可为相关系统设计提供参考。

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