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淺談柴油發(fā)電機系統(tǒng)設計:柴油發(fā)電機組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設計與分析

柴油發(fā)電機組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)研制過程中發(fā)現(xiàn)，采用普通PID運算，振蕩及超調(diào)時有發(fā)生，為了改善調(diào)速系統(tǒng)性能，采用了變速積分PID及模糊PID。變速積分PID用來調(diào)節(jié)積分系數(shù)，模糊PID用來調(diào)節(jié)比例系數(shù)。

1　變速積分PID原理

1．1　PID控制原理［1，2］

常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出構成控制偏差：

將此偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過 線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規(guī)律為：

式中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

在PID控制中，比例項用于糾正偏差，積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID控制器的性能就決定于Kp、T1和TD這3個系數(shù)。如何選用這3個系數(shù) 是PID控制的核心。

1．2　數(shù)字PID控制算法選擇

設計和調(diào)整數(shù)字PID控制器的任務就是根據(jù)被控對象和系統(tǒng)要求，選擇合適的PID模型，將其進行離散化處理，編出計算機程序由微處理器實現(xiàn)，最后確定KP、T1、TD、和T，T為采樣周期。微處理器控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，必須對PID模型進行離散化處理。

用矩形方法數(shù)值積分代替式（3）中的積分項，對式（3）中的導數(shù)項用后向差分逼近，經(jīng)推理可得到基 本PID控制的位置式算法：

式中　k——采樣序號，k＝0，1，2，……

U（k）——第k次采樣時刻輸出值

E（k）——第k次采樣時輸入的偏差值

E（k－1）——第（k－1）次采樣時刻輸入的偏差值

K1——積分系數(shù)，K1＝KpT／T1

KD——微分數(shù)系，KD＝KpTD／T1

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用程序來實現(xiàn)的，因而具有更大的靈活性。由于基本PID控制中引入了積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。但在柴油機調(diào)速過程中，突加突減負載時，會引起轉速的較大波動，導致短時間內(nèi)轉速出現(xiàn)較大偏差，通過PID積分運算積累，超調(diào)量過大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重影響發(fā)電機組輸出電能的品質(zhì)。

為避免PID控制中積分項引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，擬采用積分分離法對基本PID控制進行改進，簡稱變速積分PID。變速積分PID的基本思路是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應，偏差越大，積分越慢；反之，則越快。

式中，A、B為積分區(qū)間。

變速積分PID算法為：

式中，U1（k）為第k次采樣時刻PID運算的積分部分輸出值。

采用變速積分PID控制，系統(tǒng)具有以下特點：用比例消除大偏差，用積分消除小偏差，可完全消除積分飽和現(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且對A、B兩參數(shù)不要求十分精確；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應性較強。

2　柴油發(fā)電機組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中PID控制參數(shù)整定［3，4］

數(shù)字PID控制參數(shù)整定的任務主要是確定數(shù)字PID的參數(shù)KP、T1、TD和T。

對于簡單控制系統(tǒng)，可采用理論計算方法確定這些參數(shù)。但由于柴油機調(diào)速系統(tǒng)的工況較為復雜，其數(shù)學模型并非十分精確，在此，采用工程整定常用的擴充臨界比例帶法，結合經(jīng)驗法再對參數(shù)進行調(diào)整，得到最終的PID參數(shù)。

（1）采樣周期T的選擇

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T是一個比較重要的因素，采樣周期的選取，應與PID參數(shù)的整定綜合考慮。

首先，采樣周期T的選取應滿足以下要求：遠小于對象擾動周期；比對象時間常數(shù)小得多；盡量縮短采樣周期，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。

該系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)控制過程是在定時中斷狀態(tài)下完成的，因此，采樣周期T的大小必須保證中斷服務程序的正常運行。在不影響中斷程序運行的情況下，可取采樣周期T＝0．1τ（τ為柴油機的純滯后時間）。當中斷程序運行時間Tz大于0．1τ時，則取T＝Tz，

（2）臨界振蕩周期Ts的確定

初始確定數(shù)字PID參數(shù)時，在用上述方法確定采樣周期T的條件下，從調(diào)速系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)回路中，去掉數(shù)字控制器的微分控制作用和積分控制作用，只采用比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來確定系統(tǒng)的振蕩周期Ts和臨界比例系數(shù)Ks。由單片機系統(tǒng)自動控制比例系數(shù)KP，并逐漸增大Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，然后由單片機系統(tǒng)自動記錄并顯示調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時的臨界比例度δ和相應的臨界振蕩周期Ts。

控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基礎，定量衡量數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)器對同一對象的控制效果。控制效果就是采用某一積分準則，根據(jù)系統(tǒng)在規(guī)定的輸入下的輸出響應，使用該準則取最小值時的最

如前所述，采樣周期T的長短會影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，同樣是最佳整定，數(shù)字控制系統(tǒng)的品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)。即控制度總是大于1的，且控制度越大，相應的數(shù)字控制系統(tǒng)品質(zhì)越差。

為獲得與模擬控制器相當?shù)钠焚|(zhì)，控制度選為1．05。不同控制度時，擴充臨界比例帶法PID參數(shù)計算公式

（4）KP、K1、KD、T的求取

根據(jù)實驗所得Ks和Ts及選定的控制度，按表1計算出數(shù)字PID參數(shù)Kp、T1、TD和T。

（5）控制效果的調(diào)節(jié)

按求得的參數(shù)值在調(diào)速控制系統(tǒng)中運行，并觀察控制效果。如控制效果達不到控制要求，可基于以下原則，根據(jù)經(jīng)驗法對參數(shù)做適當調(diào)整。

①增大比例系數(shù)Kp，將加快系統(tǒng)的響應速度，但過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩。

②增大積分時間T1，有利于減小超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但會增加系統(tǒng)過渡過程時間。

③增大微分時間常數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)的響應，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。

基于上述原則，調(diào)整PID參數(shù)時，應先比例、后積分、再微分進行調(diào)整。

淺談柴油發(fā)電機系統(tǒng)設計:核電站用應急柴油發(fā)電機組質(zhì)量研究

摘要：本文對中核集團“華龍一號”項目應急柴油發(fā)電機組目前的國產(chǎn)化模式進行介紹，結合設備的工藝特點，從設備的開工先決條件檢查、設備零部件制造過程、柴油機零部件裝配、柴油機的試驗以及分包商的管理等方面的質(zhì)量控制要點進行闡述，確保設備質(zhì)量滿足核電站要求，為后續(xù)的設備監(jiān)造工作提供參考。

關鍵詞：核電；柴油機；監(jiān)造；質(zhì)量控制；華龍一號

應急柴油發(fā)電機組作為核電廠的應急電源，在核電廠主電源、備用電源及主發(fā)電機失效后10s內(nèi)啟動，達到額定電壓和額定功率，確保電廠應急照明和堆內(nèi)余熱排出，保證反應堆安全停堆，避免事態(tài)進一步擴大。眾所周知，應急電源的喪失是導致日本福島核事故發(fā)生和擴大的重要原因，因此日本福島核事故后，為了滿足核安全的需要，核電站用應急柴油發(fā)電機組受到了高度的重視。日本福島事故后，根據(jù)福島核事故經(jīng)驗反饋以及我國和全球最新安全要求，中核集團研發(fā)的先進百萬千瓦級壓水堆“華龍一號”堆型首堆建設已經(jīng)啟動，為福建福清5/6#項目。為滿足“華龍一號”的核安全需求，為我國核電安全地走出去打下堅實的基礎，對應急柴油發(fā)電機組的質(zhì)量控制提出了新的要求。

一、華龍一號應急柴油發(fā)電機組的性能要求

1.柴油發(fā)電機組轉速600rpm，額定輸出功率8000kW，額定電壓6.6kV，額定頻率50Hz，功率因數(shù)0.8，機組最低使用壽命40年；2.柴油機在正常工況運行下，累積有效運行時間不小于10000小時，啟動時間除外；3.柴油機啟動可靠性不低于99%；4.柴油機空載運行最大持續(xù)時間可達8小時；5.柴油機在使用壽命年限內(nèi)啟動次數(shù)為4000次；6.柴油機起動后，10s內(nèi)達到額定轉速和額定電壓；7.與應急柴油機應急運行及發(fā)電功率有關的柴油機承壓的輔助機械設備、部件核管線設定為核安全三級，電氣部件為1E級；8.柴油機加載時頻率不能低于95%額定頻率，電壓不能低于75%額定電壓，頻率恢復到額定值的98%及電壓恢復到額定值的90%的時間小于此程序開始與下一程序開始之間的時間間隔的60%。

二、核級應急柴油發(fā)電機組經(jīng)歷的國產(chǎn)化采購模式

應急柴油發(fā)電機組是一套非常復雜的集成化、模塊化設備。機組本體主要由柴油機、發(fā)電機、連接裝置和公共底座等構成，與柴油機輔助系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁和保護系統(tǒng)、儀表和控制系統(tǒng)等共同組成了核電廠內(nèi)應急交流電源。應急柴油發(fā)電機組的國產(chǎn)化模式主要還是與國外大型柴油機供貨商聯(lián)合設計制造為主，通過消化和吸收國外先進技術逐步進行國產(chǎn)化。

1.國內(nèi)二代加M310核電堆型主要采用了聯(lián)合體的采購模式：

（1）德國MTU、阿海琺公司和山西北方安特優(yōu)組成聯(lián)合體。MTU為聯(lián)合體的接口人負責柴油機系統(tǒng)設計，阿?，m負責電儀設備的設計和供貨，山西北方安特優(yōu)負責柴油機零部件的組裝和試驗，承擔了中核集團福清核電項目。（2）由法國ALSTOM、德國MAN公司、武漢ALTSOM、陜西柴油機重工有限公司組成聯(lián)合體。ALSTOM為聯(lián)合體帶路人，并負責電儀設備的設計和供貨，陜西柴油機重工負責部分國產(chǎn)化零部件的采購以及柴油機的組裝和試驗，承擔了中核集團田灣和海南核電項目。

2.目前中核集團三代核電“華龍一號”應急柴油發(fā)電機組采取的采購模式為：

總包商為陜西柴油機重工有限公司，法國MAN公司提供技術支持，中核集團河北分公司承擔部分系統(tǒng)布置設計。陜柴自制一臺柴油機的重要零部件供MAN公司進行評審，在MAN公司認可后，陜柴開展該型號柴油機的制造，用于核電的國產(chǎn)化。由于國內(nèi)企業(yè)沒有承擔過項目總承包的角色，并且國內(nèi)企業(yè)的設計、工藝、質(zhì)保、處理問題的能力都不如國外企業(yè)成熟，因此，在總承包模式改變?yōu)閲鴥?nèi)企業(yè)的背景下，如何對陜柴的制造活動進行質(zhì)量控制顯得尤為重要。

三、應急柴油發(fā)電機組的質(zhì)量控制要點

應急柴油發(fā)電機組為核1E級別設備，屬于重大設備，因此監(jiān)造等級定為監(jiān)造一級，根據(jù)現(xiàn)場需要在陜西柴油機重工有限公司派駐監(jiān)造人員一名，在發(fā)電機分包廠家派駐監(jiān)造人員一名，進口件由駐歐洲人員進行質(zhì)量控制。根據(jù)零部件的核安全等級、質(zhì)保等級、工藝復雜程度等在供應商提交的零部件制造質(zhì)量計劃上選取相應的見證點（停工待檢點H，見證點W,記錄點R）,監(jiān)造人員進行見證，同時對設備制造的全周期進行質(zhì)量控制。主要的監(jiān)造內(nèi)容有以下幾點。

1.開工先決條件檢查。

（1）設計文件的檢查。①檢查設備供應商已編制設計文件清單，檢查設計施工圖、技術規(guī)格書、技術條件等設計文件的種類和數(shù)量以及版本情況，以確定設計是否固化，對于設計沒有固化的堅決不允許開工，從源頭杜絕由于消化吸收不到位而產(chǎn)生的問題；②檢查設計聯(lián)絡會、設計審查會會議紀要與圖紙有關問題的澄清或解決情況，在設計變更和技術澄清沒有得到落實情況下，不得開工制造；③檢查國家核安全監(jiān)管部門對制造廠整改行動項目的落實情況，沒有整改完成堅決不開工。（2）主要外購件及原材料入廠驗收。設備監(jiān)造工程師對柴油機的結構材料和零部件等原材料、外購件、外協(xié)件進廠檢查，首先應檢查材料和零部件的合格證等質(zhì)量證明文件，根據(jù)合同和技術條件要求，需要進行復驗的進行入廠復驗。其次是監(jiān)督制造廠對材料和零部件進行實體檢驗，并對檢驗結果進行見證、審查、確認。柴油機的主要外購零部件有：曲軸、連桿、管路等，特別對高壓燃油管、空氣管路和啟動空氣管路應注意檢查壓力試驗參數(shù)的符合性。（3）制造廠資質(zhì)的檢查。檢查核安全設備設計或制造許可證，檢查制造單位名稱、住所、法定代表人、從事的活動種類和范圍是否符合國家核安全監(jiān)管部門的要求，確保關鍵工序無違規(guī)分包現(xiàn)象。焊工或焊接操作工應具有相應國家核安全局頒發(fā)的資格證書，焊工或焊接操作工人員數(shù)量、焊工考試合格項目應滿足車間產(chǎn)品焊接需要。無損檢測人員應具有國家法定培訓機構頒發(fā)的資質(zhì)證書，無損檢測人員數(shù)量和資質(zhì)范圍應能滿足無損檢測工作的需要，針對產(chǎn)品無損檢驗方法，確保每種方法具有2個Ⅱ級以上人員。無損檢測人員為本制造單位正式聘用人員，無其他單位人員在本單位從事無損檢測工作。

2.對主要零部件的質(zhì)量控制。

（1）主要鑄鍛件的控制。柴油機主要的鑄鍛件有機身、汽缸蓋、缸套、連桿、曲軸等，主要關注的是零部件的機械性能和硬度是否合格，粗加工前進行100%UT檢測，并禁止進行補焊和打磨等工序。對于連桿尤其注意零件號是否與實體一致，并檢查連桿螺栓是否存在裂紋。（2）對機械加工過程的監(jiān)督。主要的機加工工序為：缸套精加工、汽缸蓋精加工及水壓試驗、終檢、機身精加工、軸承蓋、精鏜曲軸孔、精鏜凸輪軸孔、精鏜缸孔。可適當設置精加工后的見證點，確保精加工后的零部件尺寸工差和表面粗糙度等滿足圖紙要求。精加工后進行MT檢測，檢測是否存在裂紋。

3.柴油機零部件裝配質(zhì)量控制要點。

（1）缸蓋裝配:檢查氣門座密封性能，檢查氣門沉入量及氣門間隙。（2）裝活塞—連桿組件:連桿小頭銅套上的油孔或油槽與連桿上的油孔要對正，連桿體和連桿蓋對應編號一致，每個連桿連接螺栓與連桿螺栓孔也是固定對應關系，組裝時注意連桿螺栓編號和螺栓孔編號一致。（3）裝配曲軸、軸承蓋:曲軸承蓋與機體曲軸孔座對應編號一致，曲軸螺栓的拉伸量符合組裝工藝要求，曲軸組裝后檢測軸向間隙符合工藝要求。（4）裝活塞、連桿、缸套總成:組裝前核查活塞、缸套尺寸，檢查連桿瓦孔尺寸。測量連桿瓦孔尺寸和組裝曲軸、連桿時，連桿連接螺栓應分次緊固，緊固力矩、轉角符合工藝要求，螺栓緊固位置刻線應一次對準，如果擰緊時超過刻線位置，不允許倒擰對準，需松開后重新緊固。（5）裝凸輪軸:裝入凸輪軸時，應使用凸輪軸導入工裝、凸輪軸及孔涂機油，防止剮蹭凸輪軸軸承銅套。定位后檢測軸向間隙符合工藝要求。調(diào)整凸輪軸定時，檢查曲軸和凸輪軸的定位是否準確，精度是否滿足工藝要求。在緊固凸輪軸定時齒輪螺栓時，要注意觀察是否造成凸輪軸、齒輪的跑動，一旦出現(xiàn)上述現(xiàn)象，要重新進行定位和裝配。（6）裝配曲軸齒輪、減震器：在進行此類過盈配合零部件的裝配工作時，擴張壓力和推進壓力同步達到組裝工藝要求壓力后，卸去擴張油壓，推進油壓保持工藝要求時間。（7）裝缸蓋：缸蓋螺栓拉伸量或緊固力矩、轉角符合工藝要求。（8）裝噴油泵、橫向控制機構:裝噴油泵前根據(jù)測量結果選配調(diào)整墊片厚度。（9）排氣總管裝配：增壓器箱與排氣總管結合面清潔，組裝前結合面涂高溫密封膠，檢查增壓器潤滑系統(tǒng)單向閥組裝方向。

4.柴油機單機試驗的質(zhì)量控制要點。

柴油機單機試驗應當包括磨合試驗和性能試驗。柴油機磨合試驗是發(fā)現(xiàn)和排除柴油機組裝質(zhì)量問題的重要環(huán)節(jié)，試驗前應注意檢查試驗操作人員是否已按試驗大綱完成試驗前準備工作，啟機前柴油機安全防護功能的靜態(tài)檢查驗證結果應符合安全防護參數(shù)要求，應對所有柴油機的報警和停機裝置進行整定和檢查，觸發(fā)點應記載在試驗記錄中，應確認試驗臺所有傳感器信號正常，無報警信號出現(xiàn)，避免由于柴油機存在組裝質(zhì)量問題而對柴油機造成重大損失。柴油機性能試驗是對柴油機應具備的基本性能的驗證，試驗內(nèi)容應至少滿足相關標準及技術規(guī)格書對柴油機出廠性能試驗的要求。

5.柴油發(fā)電機組的試驗。

柴油發(fā)電機試驗前與發(fā)電機進行組裝，檢查聯(lián)軸器的材料證明，審查柴油機、發(fā)電機聯(lián)軸器符合性聲明文件。檢查材料、零部件質(zhì)量證明文件，柴油機質(zhì)量計劃已執(zhí)行完畢且質(zhì)量計劃見證點簽署齊全，無問題遺漏項。審查空氣啟動總閥、預潤滑油泵、冷卻水泵、預熱器、燃油冷卻器，空氣啟動管路管件，滑油、燃油管路管件質(zhì)量證明文件、合格證、符合性聲明文件，審查啟動空氣管路管件焊接無損探傷報告等。檢查發(fā)動機和發(fā)電機之間的同軸度，檢查機組在試驗臺就位后的柴油機和發(fā)電機的同軸度應符合工藝文件要求。機組試驗內(nèi)容一般應包括：功率驗證試驗、調(diào)速器試驗、啟動試驗、振動測量、負載試驗、裕度試驗、輕載試驗、空載試驗、空載試驗后50%加載試驗等試驗項目。試驗過程中應注意觀察試驗臺有無報警信號出現(xiàn)，柴油發(fā)電機相關參數(shù)是否異常。試驗結束后應按試驗大綱要求的拆檢項目進行檢查。

四、加強對柴油機組分包商的管理

一套應急柴油發(fā)電機組系統(tǒng)包括400多臺設備，一萬多項部件和材料，約涉及上百個分包商，大部分分包設備為輔助系統(tǒng)的設備，當前項目實際操作過程中發(fā)生的大部分質(zhì)量問題的也基本屬于輔助系統(tǒng)設備部件。

1.目前應急柴油發(fā)動機組分包商存在的問題有：

（1）柴油機非關鍵零部件存在多級供應鏈，主供應商對分供應商的控制存在薄弱環(huán)節(jié)，造成由于分供應商采購的零部件質(zhì)量控制不夠，業(yè)主方又難以深入監(jiān)控。

（2）國內(nèi)制造水平不高和分供應商在采購時過多考慮低價格，造成一些零件的質(zhì)量存在隱患。

（3）對于國外采購的輔助系統(tǒng)設備，供應商考慮到出國費用高，一般不派人出席見證，質(zhì)量控制薄弱。

（4）供應商在核電站處理現(xiàn)場問題時質(zhì)量控制不到位，部分活動未編制質(zhì)量計劃或者現(xiàn)場環(huán)境帶來柴油機試驗次生質(zhì)量問題。

2.對柴油機組分包商的質(zhì)量控制措施。

（1）加強對外購件分包商的合格供應商的評價，做好資格審查工作，取得認可后，方能作為合格分包商參與項目。

（2）根據(jù)設備質(zhì)量分級和以往項目經(jīng)驗，對不同的分包商進行不同級別的監(jiān)造管理，對于質(zhì)保等級在QA3級以上的設備，總包商均按我司要求，提交設備質(zhì)量計劃，各方對質(zhì)量計劃進行選點，對薄弱環(huán)節(jié)進行控制。

（3）加強現(xiàn)場監(jiān)造對分包商的幫扶力度。加強現(xiàn)場監(jiān)造監(jiān)督作為對分包商制造過程質(zhì)量管理的一種控制手段，是必不可少的。通過經(jīng)常性地對制造過程進行質(zhì)量檢查、巡查，可以幫助各級分包商積攢寶貴經(jīng)驗，養(yǎng)成良好的質(zhì)量管理習慣，在后續(xù)的項目中也便于我司及總包商的質(zhì)量管理。

（4）將核安全質(zhì)保的理念積極灌輸?shù)娇偘碳案骷壏职讨?。要求總包商嚴格按照核安全質(zhì)保要求管理其下級分包商，力求做到每一級分包商都能夠在質(zhì)量上受控于上一級承包商，做到盡可能地深入管理，防微杜漸，并防患于未然。

五、結束語

核電設備的國產(chǎn)化是我國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，百萬千瓦級核電站用應急柴油機組是核電廠重要安全級設備，是國家重點鼓勵的國產(chǎn)化設備之一。目前，我國百萬千瓦級核電站用應急柴油機組國產(chǎn)化進入了關鍵階段，總包商由外方變成了中方，設備制造質(zhì)量風險加大。因此對柴油機的質(zhì)量控制工作提出了新的要求。但只要我們從設備的采購全過程對質(zhì)量進行預控，加強設備制造先決條件檢查，確保柴油機制造企業(yè)按照核電設備質(zhì)量保證有效運轉，從源頭上杜絕問題的產(chǎn)生，加強對分包商的質(zhì)量控制，確保外購件的到貨質(zhì)量，確保重點零部件的制造以及柴油機系統(tǒng)的試驗過程中嚴格按相關標準及程序執(zhí)行，相信百萬千瓦級核電站用應急柴油機組一定能順利交付核電現(xiàn)場，為我國第三代核電“華龍一號”走出去打下良好基礎。

作者：孫建民 張強

淺談柴油發(fā)電機系統(tǒng)設計:協(xié)議在石油鉆機柴油發(fā)電機組監(jiān)控中的應用

摘要:結合實際使用，通過Modbus協(xié)議將柴油發(fā)電機組的數(shù)據(jù)接入PLC系統(tǒng)，實現(xiàn)主要參數(shù)監(jiān)控并進行報警設置，既減輕了體力勞動也可提早發(fā)現(xiàn)隱患。

關鍵字：Modbus;石油;柴油發(fā)電機組;監(jiān)控

0引言

石油電驅動鉆機的使用開始于20世紀50年代中期，并隨著技術的發(fā)展不斷完善和成熟。電驅動就是利用交流電動機或者直流電動機驅動鉆機的機械傳動裝置，從而實現(xiàn)設備的運轉。其具有傳動柔和、調(diào)速特性好、經(jīng)濟性好、可靠性高、噪聲小、污染少等特點，至今一直是石油鉆機驅動的主要方式。石油電驅動鉆機的動力源主要采用柴油發(fā)電機組提供，每臺柴油發(fā)電機組由柴油機、交流發(fā)電機及控制系統(tǒng)組成。為滿足鉆井作業(yè)供電的可靠性和經(jīng)濟性，一般會配置2臺以上的柴油發(fā)電機組，通過單機或者并網(wǎng)運行給電氣控制系統(tǒng)供電。柴油發(fā)電機組是以柴油機為動力的工頻交流同步發(fā)電機，具有結構緊湊、熱效率高、占地小、啟動快、便于運輸?shù)忍攸c。同其它設備一樣，柴油發(fā)電機組在運行時也會出現(xiàn)機械或者電氣故障。故障產(chǎn)生必然會影響正常的供電，對生產(chǎn)作業(yè)造成一定的影響。近些年來隨著鉆機電氣控制系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，為了保證柴油發(fā)電機組運行的可靠性和穩(wěn)定性，引入切實可靠的監(jiān)控措施非常重要，這樣一旦出現(xiàn)故障可以及時發(fā)現(xiàn)并排查。本文采用S7-300PLC作為控制器，通過Modbus協(xié)議和卡特彼勒的EMCP4.2控制器進行通訊，讀取發(fā)電機組的電壓、電流、功率、軸承溫度等參數(shù)，并對主要參數(shù)進行報警設置，當達到報警值時發(fā)出報警信號提醒操作和維護人員。

1Modbus協(xié)議概述

Modbus是由Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。使用的是主從通訊技術，一般將主控設備方所使用的協(xié)議稱為ModbusMaster，從設備方使用的協(xié)議稱為ModbusSlave。Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設備，目前許多工業(yè)設備，譬如PLC、智能儀表、DCS等都在使用Modbus協(xié)議作為它們之間的通訊標準。Modbus協(xié)議具有ASCII(美國信息交換碼)和RTU(遠程終端設備)兩種傳輸模式，并且支持RS230、RS485等電氣接口，標準的Modicon控制器使用的是RS232C的串行接口。根據(jù)Modbus通信協(xié)議，“主站-從站”和、或“從站-主站”數(shù)據(jù)交換以從站地址開始，然后是功能代碼，然后傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的結構取決于使用的功能代碼，最后傳送的是CRC校驗碼。Modbus定義了4種基本數(shù)據(jù)類型和16種功能代碼。數(shù)據(jù)類型有可讀寫位數(shù)據(jù)、只讀位數(shù)據(jù)、只讀16位數(shù)據(jù)、可讀寫16位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別被稱為線圈狀態(tài)、輸入狀態(tài)、輸入寄存器、保持寄存器。功能代碼也是在這4種數(shù)據(jù)的基礎上進行功能的設置。

2柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)構成及功能

監(jiān)控系統(tǒng)采用S7-300PLC為控制器，是整個Modbus網(wǎng)絡中駐站，PLC系統(tǒng)選用支持ModbusRTU協(xié)議的CP341通訊模塊，將數(shù)據(jù)轉換成滿足Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)，在整個Modbus網(wǎng)絡中起到承上啟下的作用。對于柴油發(fā)電機組而言，是整個網(wǎng)絡中的從站。隨著卡特彼勒發(fā)電機組控制器的不斷升級，之前的第三代控制器如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵭枰黾覲L1000E通訊模塊，而第四代控制器出現(xiàn)后，控制器上集成有ModbusRTU通訊的接口，可以直接進行通訊。監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要有兩個方面：一是對電流、電壓、功率、頻率、轉速、軸承溫度等參數(shù)進行實時的檢測顯示；二是對頻率、轉速、軸承溫度、繞組溫度、燃油溫度等參數(shù)進行監(jiān)控，當實時值超過設定值后發(fā)出報警提醒操作維護人員進行檢查。

3柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

Modbus是主/從通信模式，整個網(wǎng)絡中只有一個主站，主站在網(wǎng)絡上沒有地址，從站的地址范圍為0～247，其中0為廣播地址，從站的實際地址范圍為1～247。在本項目中，S7-300是整個控制系統(tǒng)的中央控制器，在網(wǎng)絡中承擔主站的作用，卡特發(fā)電機組的EMCP4.3控制器是從站，二者之間通過Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)的交換和實現(xiàn)對柴油發(fā)電機組數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控功能。

3.1硬件及其線路

對于Modbus通訊來說，硬件比較簡單，主站采用西門子S7-300系列PLC，并在機架上安裝有CP341通訊模塊，CP341模塊需要安裝有通訊專用的dongle加密狗，以保證數(shù)據(jù)和CPU之間的交換。子站在卡特彼勒控制器上已經(jīng)集成，不需要額外的硬件。硬件都滿足條件后，就需要實現(xiàn)硬件線路上的連接。系統(tǒng)中采用的是RS485的半雙工通訊方式，因此電路采用RS485雙絞線進行物理電路的連接。進行硬件電路連接時要注意如下三點：1）連接駐站和從站的電纜采用LIYCY3*2*0.14R(A)/R(B)或者T(A)/T(B)類型的雙絞線；2）各站點必須安裝外殼屏蔽；3）網(wǎng)絡上的兩端最后一個接收器的連接器上要焊接一個330Ω的終端電阻。

3.2主、子站設置及程序功能

為保證軟件的可靠運行，在主站和從站上都需要進行相應的設置才可以保證程序的正常運行。主站上在進行PLC硬件的組態(tài)時，需要安裝CP341作為駐站以及點對點通訊的驅動程序，并且配置其主站信息、通訊模式和通訊速率。作為從站的EMCP4.3控制器，按照卡特彼勒的使用手冊，在EMCP4.2上對RS485通訊的參數(shù)進行設置，包括子站地址和通訊速率。S7-300和EMCP的通信中，主要是進行16位數(shù)據(jù)的讀取，這些數(shù)據(jù)都存儲在保持寄存器，所以在整個PLC程序中主要使用讀取保持寄存器的功能(功能代碼03)。在PLC程序中，通過調(diào)用Modbus功能塊，發(fā)送需要讀取的子站的功能代碼。返回數(shù)據(jù)按照不同站點定義不同的數(shù)據(jù)塊，然后將需要參數(shù)從數(shù)據(jù)塊中讀取出來。

3.3上位機監(jiān)控功能

上位機采用西門子TP150015in觸摸屏，與S7-300采用Profibus進行通訊。作為監(jiān)測、控制、維護和事故處理的HMI（人機界面），可以調(diào)出相關的畫面進行監(jiān)視和控制。在觸摸屏上既可以進行主要參數(shù)的實時顯示也可以進行重要參數(shù)的保護設置，當實際值超過保護值后系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒操作維護人員。

4結語

與傳統(tǒng)直接在發(fā)電機組上觀察數(shù)據(jù)、報警記錄的方式相比，采用Modbus總線控制方便操作維護人員實時看到機組的實時信息和狀態(tài)，可以根據(jù)用戶的要求進行信息的定制化顯示，對于主要的參數(shù)進行報警設置，可以使故障在初始狀態(tài)就被發(fā)現(xiàn)，進而避免柴油發(fā)電機組發(fā)生重大故障，也減輕了現(xiàn)場柴油發(fā)電機組的維護人員的勞動強度。采用Modbus協(xié)議進行柴油發(fā)電機組的監(jiān)控也為柴油發(fā)電機組的遠程故障診斷提供了一定的基礎，同時也為大鉆機的遠程監(jiān)控平臺提供了技術基礎。

作者：李崇博 單位：西安寶美電氣工業(yè)有限公司