CN105422288A - 一种微型燃气轮机发电机组控制系统 - Google Patents

一种微型燃气轮机发电机组控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微型燃气轮机发电机组控制系统，控制电经电压转换模块和滤波模块变压和滤波后给控制系统供电；指令/开关信号通过光耦输入隔离模块与中央控制模块的信号输入端连接；温度传感器信号依次通过信号调理模块和运放电路模块与中央控制模块的信号输入端连接；转速/频率信号通过频率测量模块与中央控制模块的信号输入端连接；所述中央控制模块的输出端通过电磁阀驱动模块控制电磁阀动作。采用模糊推理的方法实现对机组运行PID参数的在线自动整定，并依此设计出用于该燃气轮机发电机组启动控制与发电频率控制的模糊参数自整定PID控制算法，从而达到对不同目标机组自适应控制的目的。

Description

一种微型燃气轮机发电机组控制系统
技术领域
本发明属于燃气轮机控制技术领域，具体涉及一种微型燃气轮机发电机组控制系统。
背景技术
控制系统是燃气轮机发电机组的重要组成部分，其主要负责机组状态监测、启动控制、发电控制、故障检测、停机控制等。因此，控制系统不仅要有逻辑控制，还有复杂的过程控制、各种严格的保护控制等。
燃气轮机启动控制与发电控制是机组运行过程中的两个重要环节，而这两个环节控制的关键点是对燃料系统中的电磁阀控制。
在传统的燃气轮机控制系统中，通常采用常规PID控制方法对燃料电磁阀进行控制。即工程人员根据经验值，先给定一个初始PID控制参数，之后根据目标燃气轮机组的运行状态，人工调整相应的PID参数，将参数固化后，便可获得对指定目标机组较好的控制效果。但是，当目标机组更换或机组固有工作状态发生变化时，需要重新调整控制参数。
此外，当燃气轮机组所接负载变化剧烈时，机组的工作状态将发生较大变化，如转速超速或熄火停机现象。控制系统要能够根据负载变化情况，实时调整燃料供应量，使机组发电频率快速、平稳的恢复到正常范围内。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种微型燃气轮机发电机组控制系统，该微型燃气轮机发电机组控制系统可以实时根据机组环境温度、排气温度、机组转速、发电频率等自行调整PID控制参数，实现对不同目标机组的冷转、启动控制、发电控制、故障保护以及停车等控制，最终达到加快燃气轮机组的启动速度，提高机组发电频率稳定性的目的。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种微型燃气轮机发电机组控制系统，包括光耦输入隔离模块、信号调理模块、运放电路模块、频率测量模块、中央控制模块、RS485电平转换模块、电磁阀驱动模块和固体继电器开关模块，控制电经电压转换模块和滤波模块变压和滤波后给控制系统供电；指令/开关信号通过光耦输入隔离模块与中央控制模块的信号输入端连接；温度传感器信号依次通过信号调理模块和运放电路模块与中央控制模块的信号输入端连接；转速/频率信号通过频率测量模块与中央控制模块的信号输入端连接；所述中央控制模块的输出端通过电磁阀驱动模块控制电磁阀动作；所述中央控制模块的输出端还通过固体继电器开关模块控制外部执行机构。
所述电磁阀驱动模块采用PWM脉宽调制技术调节阀门的开度来控制供油量。
所述中央控制模块通过RS485电平转换模块与控制台通讯连接。
所述频率测量模块将转速/频率传感器输出的正弦波信号转换成能被中央控制模块识别的TTL脉冲信号。
所述中央控制模块的控制芯片为Atmega640。
所述电磁阀驱动模块采用半桥驱动电路。
所述频率测量模块输入输出端均接有能够限幅的稳压二极管。
所述控制系统在机组启动运行阶段和发电运行阶段均采用模糊参数自整定PID控制方法进行控制。
本发明的有益效果在于：该控制系统的集成化程度较高，相比于原有国外控制系统，其体积小、重量轻；采用光隔离模式，相对于电磁继电器等机械式隔离元器件，光隔离元件具有体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高等特点；采用模糊推理的方法实现对机组运行PID参数的在线自动整定，并依此设计出用于该燃气轮机发电机组启动控制与发电频率控制的模糊参数自整定PID控制算法。该控制算法不依赖于燃气轮机的模型，能够根据环境温度、排气温度、机组转速、发电频率等变量对机组运行PID参数进行在线自动调整，从而达到对不同目标机组自适应控制的目的。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是图1控制系统的控制流程图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示的一种微型燃气轮机发电机组控制系统，包括光耦输入隔离模块、信号调理模块、运放电路模块、频率测量模块、中央控制模块、RS485电平转换模块、电磁阀驱动模块和固体继电器开关模块，控制电经电压转换模块和滤波模块变压和滤波后给控制系统供电；指令/开关信号通过光耦输入隔离模块与中央控制模块的信号输入端连接；温度传感器信号依次通过信号调理模块和运放电路模块与中央控制模块的信号输入端连接；转速/频率信号通过频率测量模块与中央控制模块的信号输入端连接；所述中央控制模块的输出端通过电磁阀驱动模块控制电磁阀动作；所述中央控制模块的输出端还通过固体继电器开关模块控制外部执行机构。控制系统中有硬件看门狗模块，其看门狗定时器溢出时间为1.6秒。控制系统采用光耦输入隔离模块和固体继电器开关模块对输入、输出信号进行电气隔离。电压转换模块与滤波模块对直流电压进行变压和滤波，且输出电压为+5V、+12V、±15V，为中央控制模块、信号调理模块等供电。所述信号调理模块主要对热电阻、热电偶等温度传感器的信号进行变换、隔离、滤波等处理，使调理后的信号满足中央控制模块进行数据采集的要求。
所述中央控制模块由控制芯片、晶振、复位芯片、数据采集芯片、程序加载接口等器件组成，主要实现开关量信号检测、数据采集与分析、机组冷转控制、启动流程控制、模糊参数自整定PID控制、总线通讯等功能。所述中央控制模块的控制芯片为Atmega640。所述中央控制模块通过RS485电平转换模块与控制台通讯连接。所述RS485电平转换模块能够将远程控制台传输过来的RS485总线信号进行电平转换，并提供给中央控制模块处理。
所述电磁阀驱动模块采用PWM脉宽调制技术调节阀门的开度来控制供油量；所述电磁阀驱动模块采用半桥驱动电路。
所述频率测量模块将转速/频率传感器输出的正弦波信号转换成能被中央控制模块识别的TTL脉冲信号；所述频率测量模块输入、输出端均接有能够限幅的稳压二极管。
所述控制系统在机组启动运行阶段和发电运行阶段均采用模糊参数自整定PID控制方法进行控制。
本发明的控制系统在机组启动运行阶段，以排气温度T0为控制目标，当实际排气温度T介于T0±30℃之间时，以排气温度T和该温度变化率ΔT作为输入变量，以机组燃料电磁阀开度Y作为输出，进行模糊PID控制；当实际排气温度T在T0±30℃区间之外时，燃料电磁阀开到最大或关闭。
本发明的控制系统在发电运行阶段，以发电机输出频率f0为控制目标，当实际发电频率f介于f0(1±5％)区间时，以发电频率f和该频率变化率Δf作为输入变量，以机组燃料电磁阀开度Y作为输出，进行模糊PID控制；当实际发电频率在f0(1±5％)区间之外时，燃料电磁阀开到最大或关闭。
本发明中，控制系统上电后，对发电机组的检测与控制流程如图2所示。
控制系统上电，进行上电延时并系统初始化后，首先进入系统自检，若自检合格则继续执行后续程序，否则报警提示。
进一步地，自检合格后，首先获取存储在EEPROM中的历史故障信息，然后再进行滑油温度、排气温度、进气温度、转速测量以及实时故障检测。
进一步地，如果检测发电机组当前转速为零且无故障信息，则允许机组启动指示灯亮。
进一步地，控制器通过RS485电平转换模块将当前温度、转速、故障信息发送到操控台进行更新显示。
进一步地，控制系统等待操控台的冷转、启动、查询等指令，并以中断方式响应。
本发明的控制系统的集成化程度较高，相比于原有国外控制器，其体积小、重量轻；采用光隔离模式，相对于电磁继电器等机械式隔离元器件，光隔离元件具有体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高等特点；采用模糊推理的方法实现对机组运行PID参数的在线自动整定，并依此设计出用于该燃气轮机发电机组启动控制与发电频率控制的模糊参数自整定PID控制算法。该控制算法不依赖于燃气轮机的模型，能够根据环境温度、排气温度、机组转速、发电频率等变量对机组运行PID参数进行在线自动调整。从而达到对不同目标机组自适应控制的目的。

Claims (8)

1.一种微型燃气轮机发电机组控制系统，包括光耦输入隔离模块、信号调理模块、运放电路模块、频率测量模块、中央控制模块、RS485电平转换模块、电磁阀驱动模块和固体继电器开关模块，控制电经电压转换模块和滤波模块变压和滤波后给控制系统供电，其特征在于：指令/开关信号通过光耦输入隔离模块与中央控制模块的信号输入端连接；温度传感器信号依次通过信号调理模块和运放电路模块与中央控制模块的信号输入端连接；转速/频率信号通过频率测量模块与中央控制模块的信号输入端连接；所述中央控制模块的输出端通过电磁阀驱动模块控制电磁阀动作；所述中央控制模块的输出端还通过固体继电器开关模块控制外部执行机构。
2.如权利要求1所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述电磁阀驱动模块采用PWM脉宽调制技术调节阀门的开度来控制供油量。
3.如权利要求1所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述中央控制模块通过RS485电平转换模块与控制台通讯连接。
4.如权利要求1所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述频率测量模块将转速/频率传感器输出的正弦波信号转换成能被中央控制模块识别的TTL脉冲信号。
5.如权利要求1所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述中央控制模块的控制芯片为Atmega640。
6.如权利要求1～5中任一所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述电磁阀驱动模块采用半桥驱动电路。
7.如权利要求1～5中任一所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述频率测量模块输入输出端均接有能够限幅的稳压二极管。
8.如权利要求1～5中任一所述的微型燃气轮机发电机组控制系统，其特征在于：所述控制系统在机组启动运行阶段和发电运行阶段均采用模糊参数自整定PID控制方法进行控制。
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