自动控制与检测
燃气发电机组控制系统设计
姜 浩1
,李 勇2
,曹 勇
2
(1.中国石油大学(华东),山东东营257061;2.长城钻探集团测井公司,北京100096)
Desig n of M onitoring and Cont rolling System for Gas Generators
JIANG Hao 1,LI Yong 2,CAO Yong 2
(1.China U niv ersity of Petr oleum (Huadong),Do ng ying 257061,China;2.China N ational L og ging Cor po ratio n,
Beijing 100096,China)
摘要:研制了一种新型的燃气发电机组控制系统,控制终端以单片机为控制核心,采用液晶显示现场参数,通过键盘实现保护参数输入,实时监测燃气发电机运行参数,解决了工业电源和发电机发电自动切换的功能,实现了燃气发电机热机、怠速、高速、正常停机和紧急刹车等控制,具有上位机远程控制、参数存储、故障显示、声光报警和系统保护等功能,现场应用效果较好。
关键词:燃气发电机组;单片机;实时监测;远程控制
中图分类号:T P273文献标识码:A
文章编号:1001-2257(2011)09-0045-03收稿日期:2011-03-28
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目
(10CX04034A)
Abstract:A
new
type
of
monitoring
and
controlling system for gas generators w as developed.Micro processing unit (MPU)was used to analyze almost all kinds of rea-l time data of running generator,LCD w as used to display the parameters and the matrix keyboard was used to input or change the auto -run or protecting data for generator.The device solved the problem of sw itching industrial power and generating power,realized control functions of testing run,idle speed,high
speed,stop
and
emergency
stop,and
possessed the characters of remote control,protection parameters saving,fault information displaying,system alarming and protecting.After applications,to be effective.
Key words:gas engine g enerating set;M PU ;rea-l tim e mo nitoring;remo te control
0 引言
随着油气资源需求的增加和环境保护意识的增强,我国将大幅度开发和利用天然气、煤层气和焦化废气等可燃气体资源。
而石油、煤炭、石化、酿酒和养殖等产业每年会产生大量可燃气体,这就为以各种可燃气体为动力的燃气发电机组的推广应用提供了广阔的市场[1-2]。
以煤层气、油井套管气带动燃气发电机发电,并以之驱动电动机开采原油是一个经济实用的方法,在新疆等地已获得很成功的应用,此外燃气发电机组也是为偏远地区能源提供的有效途径。
然而目前发电机组操作基本是根据模拟指针式仪表读数手工操作,调整速度和精度往往受操作人员的经验、技术影响,容易出现故障。
针对燃气发电机组操作和维护比较复杂的问题,设计了具有智能控制功能的燃气发电机组控制系统,集在线监测、自动控制、远程监控与故障诊断于一体。
1 总体设计
根据燃气发电机组运行和使用特性,结合技术操作人员,确定了控制器的具体功能和设计方案。
燃气发电机组监控终端控制器采用AT 89C55WD 单片机作为数据处理和运算的核心;外扩64kB Flash M em ory,作为数据采集和处理的存储缓冲区[3-4],4 4键盘输入,点阵彩色液晶实时显示,485串行总线外扩电力参数采集模块EDA9033E,实现对工业电源和发电机组发电的电力参数测量;采用模拟量脉冲量采集模块EDA9083实现油压、油温、冷却水温、转速、排气温度和供电电源电压的测量。
参数存储和故障记录采用X5045芯片,以SD2203芯片实现控制器的时间计量,以场效应管实现开关量的控制输出。
为了便于数据的分析,控制终端扩展了485总
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燃气发电机组控制系统设计
线通讯口,可实现与PC 机进行数据交互。
系统原理如图1所示。
图1 燃气发电机组控制器原理
图3 控制终端I/O 控制电路
监控终端实现了发电机组运行时怠速、高速的
自动切换和手动、自动控制功能;具有启动后怠速和高速自动切换,以及停机时高速向低速自动运行的功能;实现了辨别工业电源进而控制发电机组自动运行、自动停机的控制功能;能够实时监测发电机组的输出电压、电流、功率和频率等电力参数,实现了发电机组运行的自动检测,并与输入保护参数进行对比,以实现实时的报警保护功能;为了防止燃气发电机组长时间不使用而出现故障,系统设计了定时热机(当系统运行于自动运行状态后,判断自动运行的时间间隔是否来到,自行判断启动和停止)、故障停机、反复启动和故障记录等功能。
控制系统功能如图2所示。
图2 控制系统功能
2 硬件设计
2.1 I/O 控制电路
发电机组I/O 控制包括气体导通电磁阀、点火器、调速器和报警器等,控制电压为DC 24V 。
单片机输出为TT L 电平,通过光电耦合器4N 25和场效应管4435组合实现大功率控制输出。
电路如图3所示。
2.2 时钟芯片电路
SD2003芯片是一种具有内置晶振、支持I 2C 总线接口的高精度实时时钟芯片,该系列芯片可保证时钟年误差小于2m in;由于控制终端时间记录是在没有外部供电情况下进行,因此设计了停机时采用电池给时钟供电,运行时给电池充电的电路,保证供电时间最长。
电路如图4所示。
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图4 控制终端时钟电路设计
2.3 I 2C 总线的EEPROM 电路
X25045芯片具有512B 的EEPROM ,采用I 2
C 总线进行数据和指令的输入和获取,主要用于实现保护参数和故障数据的存储和调用。
EEPROM 电路如图5
所示。
图5 EEPRO M 存储电路设计
3 软件设计
软件设计包括控制终端软件和上位机监控软件的设计。
3.1 监控控制终端软件
控制终端以单片机为核心,通过串行总线实现
实时参数采集。
终端控制软件采用C51语言编制[5]
,系统软件总体流程如图6所示。
485串行总线通讯采用全双工异步通讯方式
,
图6 控制终端软件流程
传输数据采用ASCII 码形式,波特率为19200bps,每帧11位,采用LC -4协议(起始码、单元地址、发数长度、功能码、数据域、LRC 校验和结束码)。
3.2 上位机软件
上位机通过232-485转换模块实现了与控制终端的数据交互。
系统软件通过485总线向控制终端发送数字命令,查询现场实时数据,包括发电机组输出电压、输出电流、输出功率和输出频率;市电输入电压、输入电流、输入频率和输入功率;发电机组冷却水温、油温、油压、排气温度、转速和供电电压等;同时检测当前的时间和日期、故障信息等。
操作上位机软件可实现远程控制,包括启动、停止、延时控制、报警参数设置和数据监测等功能。
人机交互界面友好,具有历史数据查询,故障记录打印输出等功能。
4 结束语
燃气发电机控制系统较好地解决了燃气发电机组操作和维护的问题,实现了发电机组的实时监测和控制功能,系统操作灵活方便。
控制终端液晶动态显示发电机组的运行参数和故障记录,可及时了解燃气机组运行状态。
通过总线数据接口,实现了控制终端和上位机的信息交互,使得上位机操作软件具有远程控制、监测,数据存储、报表输出等功能。
系统性能稳定可靠,具有较高的性价比,现场试验表明,系统控制效果十分理想。
参考文献:
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[4]
P&S.武汉力源电子有限公司产品资料手册[Z].
1999.
[5] 马忠梅,等.单片机的C 语言应用程序设计[M ].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
作者简介:姜 浩 (1977-),男,黑龙江哈尔滨人,讲师,博
士研究生,主要从事机电一体化技术、计算机测控等领域的研究工作;李 勇 (1977-),男,吉林松原人,工程师,主要从事随钻测井的研究工作。
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