可编程控制器（PLC）在自动并联柴油发电机组中的应用
发布时间：2022-07-02
可编程控制器简称PLC，是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面积极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械设备或生产过程。当今PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，以单片机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化；从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要角色。
自动化柴油发电机组用PLC控制具备很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力;由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，从而使系统的“柔性”大大提高；同时由于PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的环境下与强电设备一起工作，保证了发电机组运行的稳定和可靠。
自动并联柴油发电机组是在自动化柴油发电机组的基础上，将PLC与GPC（机组并联控制器）结合使用，可实现多台机组的自动启动及并联工作，其工作可靠、测量精度高、操作使用方便，可广泛应用于军、民等单位，作为主电站或备用电站使用。
一、可实现的主要功能
自动并联柴油发电机组应具备以下基本要求:
1、自动启动
当正常供电出现故障(断电)时，机组能自动启动、自动升速、自动合闸，向应急负载供电。
2、三次启动功能
机组有三次启动功能，若第一次启动不成功，经延时后再次启动，若第二次启动不成功，则延时后进行第三次启动，延时时间可设定。三次启动中只要有一次成功，就按预先设置的程序往下运行;若连续三次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号(也可以同时控制另一台机组启动)。
3、自动停机
当正常供电恢复，经判断正常后，控制切换开关，完成备用电到正常电的自动切换，然后控制机组降速到怠速、停机。
4、自动保护
机组在运行过程中，如果出现油压低、水温高、超速、逆功、电压异常等故障则发出声光报警信号（或紧急停机），提醒操作人员进行干预。
5、自动并联及解列
当负载达到单机功率的规定数值（可设定），并持续规定的时间（可设定），备用机组能自动启动，并自动投入并联运行；当负载低于单机功率的规定数值（可设定），并持续规定的时间（可设定），备用机组能自动解列并停机。
6、自动调频、调载
7、自动维持准启动状态
机组能自动维持准启动状态，此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投人工作。
8、具备手动、自动两种操作模式。
伊华电站设计生产的采用PLC及GPC控制的自动并联柴油发电机组，如DPR1000CXZ5、DPR500CXZ5、CZ150等，广泛应用于部队、石油、公路、电信等部门。
其自动并联功能由PLC及GPC共同实现，可分别完成对2台机组的手动远控起动、停止、升速、降速、合闸、分闸及自动并联功能。
以CZ150方舱电站为例，用PLC及GPC实现对柴油发电机组的自动并联控制
1.控制系统组成
该控制系统由三大部分组成：PLC控制部分；GPC控制部分，由于是两台机组并联，共两套；机组监控仪部分,两套。GPC控制部分及机组监控仪部分都采用现成的控制器在此不做详细介绍。
机组监控仪可实现对机组运行参数的采集及监测，对柴油机油压低、水温高、超速等故障发出报警信号，并实施停机保护。
GPC是机组并联控制器（Generator Paralleling Controller）的简称，它是DEIF公司为机组并联功能的实现而设计的，具有静态同步，动态同步，机组固定负荷(基本负荷) 运行，单机固定频率运行，负荷分配，调速器继电器控制输出，继电器输出控制主开关分/合闸，可调发电机负荷上升/下降垂线，备用发电机自动起/停继电器输出(高/底负荷)等标准控制功能；同时可实现机组运行中的逆功和过流保护。该控制器配有RS232显示和服务接口，可实现远程监测。
根据上节CZ150方舱电站的功能要求，可编程控制器选择西门子S7-300(带输入、输出模块并配备ROM-H存储器)，由于可编程控制器PLC输出触点的容量较小，通常只能驱动2A以下的负载，大容量负载必须通过固体继电器控制，重要控制部分还采用外部互锁结构。
2.控制系统分析
根据控制要求及控制系统图，PLC输入、输出信号分配
机组具有自动及手动功能，手动功能在此不作介绍，下面介绍自动控制线路。
a.自动启动
将机组手动/自动开关置于自动位，PLC 37输入端口得到自动运行信号，PLC程序开始运行扫描，程序状态选择输入端口（33、34、35），分别对应不同的程序运行方式：主电失电时，1号机启动，2号机为备机；主电网失电时，1号机、2号机同时启动，先启动成功的合闸送电，另一机组停机做备机；主电网失电时，2号机启动，1机为备机。下面以主电失电时，1号机启动，2号机为备机进行分析，其它类同。
当主电失电时， PLC 32输入端口得到失电信号，PLC 2输出端口发出1号机启动信号，11K继电器线圈得电，11K常开触点闭合，监控仪1启动输入端头得到启动信号，1号机组启动，PLC 2输入端口得到1号机点火信号， PLC 6输出端口发出1号机高速信号，15K继电器线圈得电，15K常开触点闭合，电调控制柴油机至高速，PLC 3输入端口得到1号机高速信号， GPC1 发合闸信号， 1号主开关合闸送电。
b.三次启动
若一次启动未成功，则PLC 2输入端口未得到1号机点火信号，由PLC内部的定时器来控制进行再次启动，以10秒作为一个周期，三次启动时间约30秒，32秒后输出报警，同时PLC 12输出端口发出2号机启动信号，21K继电器线圈得电，21K常开触点闭合，监控仪2启动输入端头得到启动信号，2号机组启动，PLC 12输入端口得到2号机点火信号， PLC 16输出端口发出2号机高速信号， 25K继电器线圈得电 , 25K常开触点闭合， 电调控制柴油机至高速，PLC 13输入端口得到2号机高速信号，GPC2 发合闸信号，2号主开关合闸送电。
c.自动停机
主电得电时，PLC 32输入端口未得到失电信号，GPC1发分闸信号柴油机分闸，PLC 6输出端口无信号，输出15K继电器线圈失电，15K常开触点断开，电调控制柴油机至低速，PLC 2输入端口得到1号机低速信号，PLC 3输出端口发出1号机停机信号，12K继电器线圈得电，12K常开触点闭合，6KA2继电器线圈得电，6KA2常闭触点断开，6KA4继电器线圈失电，6KA4常开触点断开，电调失电，机组停机。
d.自动并联及调频、调载
1号机组运行中，若负载超过单台机组额定负载的80%，并持继5秒时，GPC2 61端口发起备机信号，PLC 16端口得到2号机起备机信号，PLC 12输出端口发出2号机启动信号，21K继电器线圈得电，21K常开触点闭合，监控仪2启动输入端头得到启动信号，2号机组启动，PLC 12输入端口得到2号机点火信号， PLC 16输出端口发出2号机高速信号， 25K继电器线圈得电 ，25K常开触点闭合，电调控制2号柴油机至高速，PLC 13输入端口得到2号机高速信号，PLC 14输出端口发出2号机允许并车信号，23K继电器线圈得电，23K继电器常开触点得电，GPC2 25输入端口得到允许并车信号，通过调速、调压端口输出信号对2号机组进行调整，GPC2计算同步后17、18端口发同步合闸信号，2号主开关合闸并联供电，并联成功后，GPC将自动进行调频调载，使有功分配差度不超过10%。
当并联运行的负荷小于两台机组总额定负载的20%并持继10秒后，PLC 15端口发解列信号，24K继电器线圈得电，24K常开触点闭合，GPC2 43端口得到解列信号，GPC2 14、15端口发分闸信号，2号机组分闸，GPC2 63端口发停备机信号，PLC 17输入端口得到2号机停备机信号， PLC 16输出端口无信号，输出25K继电器线圈失电，25K常开触点断开，电调控制柴油机至低速，PLC 12输入端口得到2号机低速信号，PLC 13输出端口发出2号机停机信号，22K继电器线圈得电，22K常开触点闭合，7KA2继电器线圈得电，7KA2常闭触点断开，7KA4继电器线圈失电，7KA4常开触点断开，电调失电，2号机组停机。
e.故障自动保护
故障保护由机组监控仪来采集机组运行中的油机参数，如油压、水温、转速等；由GPC 来监测发电机电压、电流等参数，最终通过PLC及监控仪来实现机组的自动保护功能。CZ150方舱电站具有如下报警功能：机油压力低报警停机、水温高报警停机、超速报警停机、电瓶电压低报警、GPC故障报警、逆功报警停机、油箱油位低报警、启动失败报警、电压故障报警、停机失败报警、输出故障报警等。同时自动控制屏上设有“消音”和“复位”按钮来处理报警信号，按“消音”按钮，报警音响信号消失；按“复位”按钮，故障消除时，故障记忆消除，若故障未消除，故障记忆仍有效，提醒用户干预。
PLC采用以标准布尔表达式（AND、OR、ONT）为基础的简便语言，当程序未固化时，用户可根据自己的要求更改，以满足特殊要求。
根据上节描述，自动并联柴油发电机组程序控制逻辑图见图三。其程序设计简要介绍如下：
采用PLC控制的自动并联柴油发电机组，硬件简单，技术经济指标好，可靠性高，程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求。
与传统的继电器控制系统相比，采用PLC控制方式的机组控制线路简单，因此控制系统的可靠性高，同时可扩展性好，通过通信网络能够非常方便的把电站控制纳入到中央管理系统中去，利用计算机及网络技术、软件工程、通信技术及测控技术等现代手段，实现集中监控管理系统，即实现对被控设备的遥信、遥测和遥控。
自动化柴油发电机组用PLC控制具备很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力;由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，从而使系统的“柔性”大大提高；同时由于PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的环境下与强电设备一起工作，保证了发电机组运行的稳定和可靠。
自动并联柴油发电机组是在自动化柴油发电机组的基础上，将PLC与GPC（机组并联控制器）结合使用，可实现多台机组的自动启动及并联工作，其工作可靠、测量精度高、操作使用方便，可广泛应用于军、民等单位，作为主电站或备用电站使用。
一、可实现的主要功能
自动并联柴油发电机组应具备以下基本要求:
1、自动启动
当正常供电出现故障(断电)时，机组能自动启动、自动升速、自动合闸，向应急负载供电。
2、三次启动功能
机组有三次启动功能，若第一次启动不成功，经延时后再次启动，若第二次启动不成功，则延时后进行第三次启动，延时时间可设定。三次启动中只要有一次成功，就按预先设置的程序往下运行;若连续三次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号(也可以同时控制另一台机组启动)。
3、自动停机
当正常供电恢复，经判断正常后，控制切换开关，完成备用电到正常电的自动切换，然后控制机组降速到怠速、停机。
4、自动保护
机组在运行过程中，如果出现油压低、水温高、超速、逆功、电压异常等故障则发出声光报警信号（或紧急停机），提醒操作人员进行干预。
5、自动并联及解列
当负载达到单机功率的规定数值（可设定），并持续规定的时间（可设定），备用机组能自动启动，并自动投入并联运行；当负载低于单机功率的规定数值（可设定），并持续规定的时间（可设定），备用机组能自动解列并停机。
6、自动调频、调载
7、自动维持准启动状态
机组能自动维持准启动状态，此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投人工作。
8、具备手动、自动两种操作模式。
伊华电站设计生产的采用PLC及GPC控制的自动并联柴油发电机组，如DPR1000CXZ5、DPR500CXZ5、CZ150等，广泛应用于部队、石油、公路、电信等部门。
其自动并联功能由PLC及GPC共同实现，可分别完成对2台机组的手动远控起动、停止、升速、降速、合闸、分闸及自动并联功能。
在自动状态下，当市电失电时，PLC可控制2台机组按预先选定的顺序自动起动，起动成功后机组自动升速并自动合闸，向负载供电。每台机可经过三次起动循环，若三次起动不成功，则发出相应的“启动失败”信号，若起动成功并升速至额定转速后，经过10秒钟（可设定），主开关未能合闸，则发出相应的“输出故障”报警信号，并自动停机；另一台备用机自动起动。机组运行中，若负载超过单台机组额定负载的80%，并持继5秒时，PLC自动启动第二台备用机，且自动升速，并自动整步并车。若待并机经2分种后，仍未能并车成功 ，则发出并车失败信号。并联成功后，GPC将自动进行调频调载，使有功分配差度不超过10%。当并联运行的负荷小于两台机组总额定负载的20%并持继10秒后，PLC和GPC将自动解列投入并联的机组，怠速3分钟后自动停机。当并联运行中一台机组出现柴油机或发电机故障时，其主开关将自动跳闸。运行中若出现柴油机或发电机故障，系统将发出相应的声光报警，按下“消音”按钮，声报警消失。故障排除后，必须按一下“故障复位”按钮，系统恢复正常。当市电来电后，运行机组将按程序自动解列停机。当机组怠速3分钟后，PLC将发出停机信号，若经30秒后，机组未能停机，PLC将发出“停机失败”报警信号。
以CZ150方舱电站为例，用PLC及GPC实现对柴油发电机组的自动并联控制
1.控制系统组成
该控制系统由三大部分组成：PLC控制部分；GPC控制部分，由于是两台机组并联，共两套；机组监控仪部分,两套。GPC控制部分及机组监控仪部分都采用现成的控制器在此不做详细介绍。
机组监控仪可实现对机组运行参数的采集及监测，对柴油机油压低、水温高、超速等故障发出报警信号，并实施停机保护。
GPC是机组并联控制器（Generator Paralleling Controller）的简称，它是DEIF公司为机组并联功能的实现而设计的，具有静态同步，动态同步，机组固定负荷(基本负荷) 运行，单机固定频率运行，负荷分配，调速器继电器控制输出，继电器输出控制主开关分/合闸，可调发电机负荷上升/下降垂线，备用发电机自动起/停继电器输出(高/底负荷)等标准控制功能；同时可实现机组运行中的逆功和过流保护。该控制器配有RS232显示和服务接口，可实现远程监测。
根据上节CZ150方舱电站的功能要求，可编程控制器选择西门子S7-300(带输入、输出模块并配备ROM-H存储器)，由于可编程控制器PLC输出触点的容量较小，通常只能驱动2A以下的负载，大容量负载必须通过固体继电器控制，重要控制部分还采用外部互锁结构。
2.控制系统分析
根据控制要求及控制系统图，PLC输入、输出信号分配
机组具有自动及手动功能，手动功能在此不作介绍，下面介绍自动控制线路。
a.自动启动
将机组手动/自动开关置于自动位，PLC 37输入端口得到自动运行信号，PLC程序开始运行扫描，程序状态选择输入端口（33、34、35），分别对应不同的程序运行方式：主电失电时，1号机启动，2号机为备机；主电网失电时，1号机、2号机同时启动，先启动成功的合闸送电，另一机组停机做备机；主电网失电时，2号机启动，1机为备机。下面以主电失电时，1号机启动，2号机为备机进行分析，其它类同。
当主电失电时， PLC 32输入端口得到失电信号，PLC 2输出端口发出1号机启动信号，11K继电器线圈得电，11K常开触点闭合，监控仪1启动输入端头得到启动信号，1号机组启动，PLC 2输入端口得到1号机点火信号， PLC 6输出端口发出1号机高速信号，15K继电器线圈得电，15K常开触点闭合，电调控制柴油机至高速，PLC 3输入端口得到1号机高速信号， GPC1 发合闸信号， 1号主开关合闸送电。
b.三次启动
若一次启动未成功，则PLC 2输入端口未得到1号机点火信号，由PLC内部的定时器来控制进行再次启动，以10秒作为一个周期，三次启动时间约30秒，32秒后输出报警，同时PLC 12输出端口发出2号机启动信号，21K继电器线圈得电，21K常开触点闭合，监控仪2启动输入端头得到启动信号，2号机组启动，PLC 12输入端口得到2号机点火信号， PLC 16输出端口发出2号机高速信号， 25K继电器线圈得电 , 25K常开触点闭合， 电调控制柴油机至高速，PLC 13输入端口得到2号机高速信号，GPC2 发合闸信号，2号主开关合闸送电。
c.自动停机
主电得电时，PLC 32输入端口未得到失电信号，GPC1发分闸信号柴油机分闸，PLC 6输出端口无信号，输出15K继电器线圈失电，15K常开触点断开，电调控制柴油机至低速，PLC 2输入端口得到1号机低速信号，PLC 3输出端口发出1号机停机信号，12K继电器线圈得电，12K常开触点闭合，6KA2继电器线圈得电，6KA2常闭触点断开，6KA4继电器线圈失电，6KA4常开触点断开，电调失电，机组停机。
d.自动并联及调频、调载
1号机组运行中，若负载超过单台机组额定负载的80%，并持继5秒时，GPC2 61端口发起备机信号，PLC 16端口得到2号机起备机信号，PLC 12输出端口发出2号机启动信号，21K继电器线圈得电，21K常开触点闭合，监控仪2启动输入端头得到启动信号，2号机组启动，PLC 12输入端口得到2号机点火信号， PLC 16输出端口发出2号机高速信号， 25K继电器线圈得电 ，25K常开触点闭合，电调控制2号柴油机至高速，PLC 13输入端口得到2号机高速信号，PLC 14输出端口发出2号机允许并车信号，23K继电器线圈得电，23K继电器常开触点得电，GPC2 25输入端口得到允许并车信号，通过调速、调压端口输出信号对2号机组进行调整，GPC2计算同步后17、18端口发同步合闸信号，2号主开关合闸并联供电，并联成功后，GPC将自动进行调频调载，使有功分配差度不超过10%。
当并联运行的负荷小于两台机组总额定负载的20%并持继10秒后，PLC 15端口发解列信号，24K继电器线圈得电，24K常开触点闭合，GPC2 43端口得到解列信号，GPC2 14、15端口发分闸信号，2号机组分闸，GPC2 63端口发停备机信号，PLC 17输入端口得到2号机停备机信号， PLC 16输出端口无信号，输出25K继电器线圈失电，25K常开触点断开，电调控制柴油机至低速，PLC 12输入端口得到2号机低速信号，PLC 13输出端口发出2号机停机信号，22K继电器线圈得电，22K常开触点闭合，7KA2继电器线圈得电，7KA2常闭触点断开，7KA4继电器线圈失电，7KA4常开触点断开，电调失电，2号机组停机。
e.故障自动保护
故障保护由机组监控仪来采集机组运行中的油机参数，如油压、水温、转速等；由GPC 来监测发电机电压、电流等参数，最终通过PLC及监控仪来实现机组的自动保护功能。CZ150方舱电站具有如下报警功能：机油压力低报警停机、水温高报警停机、超速报警停机、电瓶电压低报警、GPC故障报警、逆功报警停机、油箱油位低报警、启动失败报警、电压故障报警、停机失败报警、输出故障报警等。同时自动控制屏上设有“消音”和“复位”按钮来处理报警信号，按“消音”按钮，报警音响信号消失；按“复位”按钮，故障消除时，故障记忆消除，若故障未消除，故障记忆仍有效，提醒用户干预。
自动控制屏上还设有“紧急停机”按钮，在任何情况下只要按“紧急停机”按钮便能自动停机，并按故障处理，以便有效的保护机组。
PLC采用以标准布尔表达式（AND、OR、ONT）为基础的简便语言，当程序未固化时，用户可根据自己的要求更改，以满足特殊要求。
根据上节描述，自动并联柴油发电机组程序控制逻辑图见图三。其程序设计简要介绍如下：
为完成自动控制任务，S7-300 CPU提供两类基本指令，同时基于计算机的编程软件AETP 7-MICRO/WIN32提供不同的编程器选择，可以利用这些指令创建机组控制程序，并可利用AETP 7-MICRO/WIN32将编写好的程序下装到CPU， S7-300 CPU程序由三个基本元素组成，主程序、子程序（可选）、和中断程序（可选），S7-300连续地执行用户程序，主程序中的指令按顺序在CPU的每个扫描周期执行一次，可以调用不同的子程序和中断程序。
四、结论
采用PLC控制的自动并联柴油发电机组，硬件简单，技术经济指标好，可靠性高，程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求。
与传统的继电器控制系统相比，采用PLC控制方式的机组控制线路简单，因此控制系统的可靠性高，同时可扩展性好，通过通信网络能够非常方便的把电站控制纳入到中央管理系统中去，利用计算机及网络技术、软件工程、通信技术及测控技术等现代手段，实现集中监控管理系统，即实现对被控设备的遥信、遥测和遥控。
