CC BY
71
УДК 62-523
РАК А.Н., к.т.н., доцент (Донецкий национальный технический университет)
Применение программируемого логического контроллера «Овен» 63/67 в системе автоматического ввода в действие резервного генератора
Rak A.N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DONNTU)
Application of the programmable logic controller «Овен» 63/67 in the system of automatic commissioning of the backup generator
Введение
Автономные (судовые)
электростанции характеризуются
большим многообразием, поскольку предназначены для обеспечения электроэнергией тех специфических потребителей, которые характерны для данного типа (класса) судов (кораблей). Однако, в подавляющем большинстве случаев, автономная электростанция -это электростанция, состоящая из ряда синхронных генераторов с типовым напряжением, характерным для данной электростанции (в зависимости от типа судов от 0,4 до 10 кВ).
Выбор энергетической установки и назначение судна оказывают влияние на схемы электрической сети. По правилам SOLAS (International Convention for the Safety of Life at Sea -Международной конвенции по охране человеческой жизни на море), государство флага и администрация порта устанавливают базовый уровень безопасности, в то время как классификационные общества
устанавливают основные
навигационные правила.
Судовая электроэнергетическая система (СЭЭС) является единым электротехническим комплексом,
предназначенным для бесперебойного снабжения потребителей электрической
энергией требуемого количества и качества. Классическая схема генерирования и распределения электроэнергии СЭЭС, содержит два-три генераторных агрегата ДГ1 - ДГ3, работающих в параллель на общую систему распределения электроэнергии - главный распределительный щит (ГРЩ). Через ГРЩ и ряд электрораспределительных устройств (ЭРУ) электроэнергия поступает различным потребителям, которые подключаются в случайные моменты времени.
Анализ последних исследований и публикаций
Проблема автоматического ввода в действие резервных генераторов сама по себе не является новой, существует достаточное количество источников, в том числе нормативных, касающихся данной тематики [1, 2]. Но все существовавшие до настоящего времени системы создавались в основном на уже устаревающей аналоговой элементной базе, которые были достаточно громоздкими или же вообще все операции выполнялись вручную. Однако, с широким внедрением в системы автоматизации программируемых логических
контроллеров (ПЛК), задача процесса
автоматизации значительно
упрощается. Кроме того в работе предлагается применять ПЛК производства РФ, который является на порядок дешевле известных
зарубежных аналогов.
Цель работы
Целью исследования является разработка системы автоматического ввода в действие резервного генератора на базе ПЛК «Овен» 63/67.
Основной материал
В современных СЭЭС, где требуется большая точность
поддержания качества электроэнергии, должны применяться специальные системы управления и регулирования. Для этой цели следует применять специальные системы синхронизации, распределения активной и реактивной мощности. В то же время, эти системы обеспечивают надлежащее качество электроэнергии по всем
контролируемым параметрам.
Постоянно включенная система контроля работы приводного ДГ позволяет с высокой точностью поддерживать частоту на всех режимах независимо от внешних условий. Использование этой системы без системы автоматического
распределения активной нагрузки при параллельной работе синхронных генераторов невозможно, так как, перемещая статическую характеристику базового агрегата, она тем самым производит перераспределение
активных нагрузок.
Таким образом, современная судовая автоматизированная
электростанция (САЭС) с точки зрения управления процессом производства и распределения электрической энергии
определенного качества и количества может быть разделена на следующие основные части:
1. Объект управления, включающий в себя ГА.
2. Управляющая часть комплекса, которая своими устройствами, осуществляет автоматическое регулирование режимных параметров генераторных агрегатов (стабилизация напряжений, частоты), распределение активной и реактивной нагрузки, устранение обменных колебаний между генераторными агрегатами.
3. Управляющая часть комплекса, с помощью которой осуществляется ручное управление режимными параметрами генераторных агрегатов структурой цепи главного тока.
Параллельное соединение
необходимо в случае, если потребляемая мощность нагрузки превышает возможности одного генератора или когда один из них используется в качестве резервного.
Перед соединением в параллель двух генераторов или генератора и электросети проверяются и
настраиваются следующие параметры:
- порядок чередования фаз выходного напряжения на силовых клеммах генераторов;
- равенство частот выходного напряжения;
- равенство выходных напряжений генераторов;
- синфазность напряжений обоих генераторов.
Типовая схема параллельного соединения двух генераторов показана на схеме рис. 1.
Порядок чередования фаз всех параллельно соединяемых источников тока должен совпадать. Для трёхфазных генераторов переменного тока применяется цветовая (буквенная) кодировка. Провод красного цвета (и),
синфазности выходных напряжений производится синхроскопом или простейшим трехламповым
индикатором (рис. 1).
Три лампы накаливания устанавливаются по кругу на радиусах, исходящих из центра под углом 1200 градусов относительно друг друга, и подсоединяются параллельно главному силовому выключателю,
подключаемого генератора. Две лампы соединены как перемычки между двумя цепями, третья - параллельно выключателю одной из фаз.
По показаниям штатных или внешних частотомеров с максимально возможной точностью устанавливается равенство частот обоих генераторов (генератора и другого источника).
Основной дизель-генератор Резервный дизель-генератор
Рис. 1. Включение синхронных генераторов вручную с контролем синфазности входных напряжений с помощью синхроноскопа
желтого (V) и голубого Соединения с объединительными шинами должны быть одинаковыми для каждого из генераторов.
Значения напряжения генераторов не должны существенно отличаться. Панели управления энергоагрегатов имеют регуляторы напряжения, позволяющие установить равенство напряжений на выходах обоих генераторов. Эта регулировка производится до параллельного соединения агрегатов.
Выходное напряжение генератора должно быть синфазно напряжению, вырабатываемым другими источниками, включаемыми в параллель. Это обеспечивается подстройкой частоты подключаемого источника. Контроль
При сближении значений частот все три лампы с увеличивающимся периодом медленно загораются и гаснут в порядке, зависящем от того, частота напряжения какого из генераторов выше. Обороты (соответственно и частота) подключаемого генератора регулируется до тех пор, пока лампа, параллельная выключателю одной из фаз, не перестанет загораться, а две остальные, соединенные как перемычки между двумя фазными цепями, не начнут гореть постоянно с максимальной яркостью, что
подтверждает синхронизацию
синфазность вырабатываемого обоими генераторами напряжения.
Дизельные генераторы,
включаемые на параллельную работу, должны иметь одинаковые
регуляторные характеристики.
Однако, несмотря на множество систем автоматики, качество
электроэнергии, вырабатываемой
судовыми электростанциями, а значит, точность и стабильность распределения мощностей при параллельной работе ДГ не всегда можно считать даже удовлетворительными, особенно в случае многогенераторных
электростанций. В результате даже на судах с классом автоматизации А1 при некоторых переходных режимах имеют место случаи полного обесточивания, а на судах с меньшим классом автоматизации наблюдаются проблемы и в установившихся режимах работы судовой электростанции.
После подключения генератора на параллельную работу его нагрузка равна нулю. Распределение активной нагрузки между параллельно работающими синхронными
генераторами производится
регулированием вращающего момента на валу генератора. При изменении вращающего момента ротор генератора
смещается относительно статора, что определяет величину активной мощности генератора. Изменение вращающего момента производится регулированием подачи топлива в приводной двигатель с помощью серводвигателя регулятора скорости вращения.
Современные системы управления параллельной работой СГ представляет собой комбинированный синхронизатор и распределитель нагрузки для параллельно работающих генераторов. Данный модуль можно применять везде, где требуется обеспечить работу генераторов в параллель друг с другом или с энергосистемой.
В соответствии с подходом, изложенным выше, была разработана система автоматического управления вводом в действие резервного генератора при перегрузке рабочего. Для создания системы автоматического управления был использован программируемый логический
контроллер (ПЛК) «Овен» ПЛК 63/73.
Для визуализации работы резервного и рабочего генераторов и наглядности с применением ПО ПЛК разработана программа.
На рис. 2 приведен пульт управления системой автоматического управления. В исходном состоянии все органы управления обнулены.
На пульте представлены органы управления и индикация: «VRG» -включение резервного генератора; «PRG» - подключение резервного генератора к сети; «VMP» - включение маслопрокачивающего насоса; -
запуск резерва невозможен; «rez» -сигнализация о необходимости включения резерва; «Ю^ - проверка наличия топлива. Органы задания: температуры и давления масла резервного генератора; частоты вращения и тока ведущего генератора;
частоты и тока резервного генератора; управление синфазностью напряжений. Система функционирует следующим образом. Принцип действия системы состоит в сравнении фактических величин, определяющих работу генератора (тока и частоты вращения (частоты питающей сети)) рабочего генератора с допустимыми значениями. В случае выхода указанных величин за
допустимые пределы формируется команда на запуск резервного генератора. Но для обеспечения пуска резервного генератора необходимо выполнить целый ряд условий: проверку наличия топлива,
температуры и давления масла. После соблюдения всех этих условий резервный генератор выводится на номинальную частоту вращения.
Рис. 2. Схема пульта системы управления автоматическим вводом в действие
резервного генератора
При соблюдении синфазности напряжений осуществляется включение автоматического выключателя с дистанционным приводом. Генераторы работают параллельно. После снижения в сети тока до уровня номинального тока рабочего (резервного) генератора происходит отключение резерва.
Блок-схема алгоритма
разработанной системы приведена на рис. 3.
Список идентификаторов и сокращений в системе: 1Н -номинальный ток рабочего генератора; пн - номинальная частота вращения рабочего генератора; ¿мн - номинальная температура масла; рмн - номинальное давление масла; пР - частота вращения
резервного генератора; рмн -номинальное давление масла; ¿м -текущее значение температуры масла резервного генератора; ЦД -напряжение рабочего генератора; иР -напряжение резервного генератора; ВМН - включение масляного насоса резервного генератора; ЗРГН - запуск резервного генератора невозможен; ПРГ - подключение резервного генератора; 1д - ток рабочего генератора; 1Р - ток резервного генератора.
По показаниям штатных или внешних частотомеров с максимально возможной точностью устанавливается равенство частот. В качестве ПЛК используется ПЛК ПЛК63-РРРРРР-Ь.
( ^Начало У~ -
Запуск системы
-9-ЗРГН
1нд, пн 1мн, рмн, ип
Пд>1нд~
или ,пд<пн.
+
т
X
т=1
1м,рм
' ВМН=1
рм>рмн +
+
п-6—:
- - Ввод исходных данных
" Проверка превышения уровня тока и снижения - частоты вращения
Ввод информации о наличиии топлива
Проверка наличия топлива в танке
Ввод информации о давлении масла и температуры масла "резервного генератора
"Включение масляного насоса резервного генератора
Проверка давления масла резервного насоса
Запрет на запуск резервного генератора
(19Конец -
Ввод информации о частоте вращения резервного генератора
Проверка частоты вращения резервного генератора
Проверка синфазности напряжений
Подключение резервного генератора
Ввод информации о токах нагрузки рабочего и резервного генераторов
Проверка условия возможности отключения резервного генератора
Отключение резервного генератора
Остановка системы
Проверка температуры масла резервного насоса
г44 ВРГ=1 /---
Включение резервного генератора
+
Рис. 3. Блок-схема алгоритма разработанной системы
Исполнению контроллера
соответствует следующее условное обозначение:
P - тип встроенного выходного устройства (реле электромагнитное);
L - тип лицензионного соглашения на размер памяти области ввода-вывода (искусственное ограничение в 360 байт).
Контроллер выпускается в различных исполнениях, отличающихся типом встроенных выходных устройств, предназначенных для управления внешними исполнительными
механизмами и устройствами, и различными лицензионными
ограничениями на размер памяти области ввода-вывода программы контроллера ПЛК63.
Контроллер предназначен для создания систем автоматизированного управления технологическим
оборудованием в энергетике, на транспорте, в различных областях промышленности.
Логика работы ПЛК63 определяется потребителем в процессе программирования контроллера.
Программирование осуществляется с помощью программного обеспечения CoDeSys 2.3 (версии 2.3.9.9). При этом поддерживаются все языки
программирования, указанные в МЭК 61131-3.
Документация по
программированию контроллера и работе с программным обеспечением CoDeSys приводится на компакт-диске, входящем в комплект поставки.
Контроллер может быть использован как:
- специализированное устройство управления выделенным локализованным объектом;
- устройство мониторинга локализованного объекта в составе комплексной информационной сети;
- специализированное устройство управления и мониторинга группой локализованных объектов в составе комплексной информационной сети.
В контроллере реализованы следующие функции:
- выполнение пользовательской программы работы контроллера (созданной в среде «CoDeSys 2.3»);
- снятие измеренных значений со встроенных аналоговых и дискретных входов с последующей передачей их в пользовательскую программу;
- управление встроенными ВУ контроллера из пользовательской программы;
- расширение количества выходных устройств с использованием модуля МР1, подключаемого к контроллеру по специальному интерфейсу;
- обмен данными по интерфейсам ЯБ-485 и RS-232;
- отображение символьных данных, формируемых в пользовательской программе, на ЖКИ;
- отсчет реального времени встроенными часами с автономным источником питания;
- настройка параметров функционирования встроенных входов, выходов и прочего периферийного оборудования контроллера и сохранение значений конфигурационных параметров в энергонезависимой памяти:
- изменение значений конфигурационных параметров контроллера на ЖКИ с помощью встроенной клавиатуры;
- изменение значений параметров из среды программирования CoDeSys.
Контроллер ПЛК63 имеет в своем составе шесть встроенных выходных устройств, может комплектоваться, по требованию заказчика, выходными устройствами одного или различных типов. Требуемые устройства должны быть перечислены при заказе контроллера с указанием конкретных типа и места монтажа выходного устройства.
Первым выходным устройством всегда должно быть реле.
Функциональная схема
микроконтроллера приведена на рис.4 и содержит: центральный процессорный элемент; источник питания устройства; источник вторичного питания 24В; 8 аналоговых измерительных входов; 2 цифровых входа;
жидкокристаллический экран для отображения информации о состоянии объекта; клавиатуру о вводе информации; 3 аналоговых выхода; 3 цифровых выхода; выход для подключения к персональному компьютеру; выход для подключения к компьютерной сети.
ПЛК 63
Рис. 4. Функциональная схема микроконтроллера
Структурная схема МП системы управления генераторами приведена на рис. 5.
В состав структурной схемы (рис. 5) входят: дизель основного генератора, дизель резервного генератора, основной генератор ^1), резервный генератор ^2),
программируемый логический
контроллер (ПЛК), датчики тока (EL (И, 12)), датчики напряжения (EL (Ш, ТО)), датчики частоты вращения ^ (щ,п2)), датчик уровня (Ь), датчик давления (Р), датчик температуры (Т), двигатель маслопрокачивающего насоса (ДМН), маслопрокачивающий насос (МН), выключатель (QS), топливный танк (ТТ).
Основной дизель-генератор
Резервный дизель-генератор
Рис. 5. Структурная схема МП системы управления автоматическим вводом в действие
резервного генератора
Выводы
В заключении следует отметить, что разработка систем автоматического ввода в действие резервных генераторов позволяет приобрести навыки и умения по программированию ПЛК. Визуализация, применяемая в разработанной системе, позволяет получить большее представление о процессе ввода в действие резервных генераторов. Подобные системы могут входить в состав тренажерных комплексов, позволяющих
совершенствовать навыки по отработке последовательности действий без использования дорогостоящего
электромеханического оборудования и затрат топлива.
Список литературы:
1. КНД 31.2.002-07-96 Правила технической эксплуатации морских и речных судов. Электрооборудование. Нормативный документ морского транспорта Украины.
2. Справочник судового электротехника. Т.1. Судовые электроэнергетические системы и устройства / Под ред. Г.И. Китаенко. -2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1980. - 528 с., ил.
3. Программирование программируемых логических контроллеров ОВЕН ПЛК 63 и ПЛК 73. Руководство пользователя. Версия 1.3.2. Москва, 2010. - 127 с.
4. Контроллер программируемый логический ОВЕН ПЛК63. Руководство по эксплуатации КУВФ.421445.009 РЭ Москва, 2010. - 67 с.
5. Измерения в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Кн.1. Теоретические основы. Пер. с нем./ Профоса П. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1990. - 492 с.
6. Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн.2. Способы измерения и аппаратура. Пер. с нем./ Профоса П. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1990. - 384 с.
7. Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн.3. Теоретические основы. Пер. с нем./ Профоса П. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1990. - 344 с.
8. ГОСТ 21.404-85 Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.
Аннотации:
В статье рассматриваются вопросы создания систем автоматического ввода в действие резервных генераторов в судовых
электроэнергетических системах. При этом предлагается применять систему с ПЛК. Разработанная система может быть использована в составе тренажерных комплексов, а также позволяет приобрести навыки и умения по сборке самих систем, наладке программированию ПЛК,
совершенствовать навыки по отработке действий без использования дорогостоящего электромеханического оборудования.
Ключевые слова: система, дизельный генератор, аппаратура, автоматизация, программа, логика, контроллер, синхроноскоп.
The article deals with the creation of systems for the automatic commissioning of backup generators in ship electrical power systems. It is proposed to use a system with a PLC. The developed system can be used as part of training complexes, and also allows you to acquire skills and abilities in assembling the systems themselves, adjusting the programming of the PLC, and improve skills in working out actions without using expensive electromechanical equipment.
Keywords: system, diesel generator, equipment, automation, program, logic, controller, synchronoscope.
