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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2007/12/26 21:38:35
内燃发电机组自启动控制与故障检测装置设计陈红卫，张健(华东船舶工业学院电子与信息系，江苏镇江212003)［摘要］该装置以M68HC11E9单片机为核心，完成多种机型的监测与控制任务，并能实现远程遥控与监测。文中叙述了它的主要功能与工作原理，并给出了装置的软硬件设计以及解决的主要技术问题，使用结果表明：该装置工作可靠，性能稳定，操作方便。
［关键词］内燃发电机；自启动控制；故障检测；单片机内燃发电机组是工厂、邮电、医疗、学校、旅游设施及购物商场等部门或场所的一种常用后备供电设备，当主电源发生故障时，能够及时提供电源，保证供电的正常，最大限度地减少因主电源故障而造成的损失。本文将讨论内燃发电机组自启动控制与故障检测装置，该装置能在无人值守条件下全自动启动运行、合闸、分闸、供电切换、停机、启动以及运行过程中各种故障检测与报警，适用于95、6135、12V135、D234，CUMMINN、YANMAR，180、190等机型。1主要功能
完成的装置具有以下一些主要功能：
(1)可单机使用也可作为网络节点使用；完成本地监测与控制，也能用于远程监测与遥控；
(2)在机旁可设置机组的运行操作方式；自动、机旁和试车3种；远程时外加摇控方式；
(3)能在无人值守条件下实现全自动启动运行、合闸、分闸、供电切换以及停机等操作；
(4)具有启动保护功能：在有点火转速、滑油建压或发电机建压等一种或几种情况下，禁止接通启动电机；故障未排除，禁止接通启动电机；
(5)具有故障检测功能：能对启动用蓄电池低压，自启动失败，发电机过压、欠压、超速，滑油失压等故障信号进行检测与报警；
(6)具有参数设置与修改功能，使装置能适合多种机型的自启动控制。
2工作原理
2.1自启动控制［1］
单机运行的装置有3种工况：自动、试车与机旁；远程运行的再加摇控工况。
(1)自动工况：主电源故障时，经过主电源失电延时后接通启动马达，若在设定的启动马达接通时间内，转速达不到点火转速，在启动马达间隙时间，重新接通启动马达，出现上述情况达到所规定次数后，报启动失败；若在规定的启动时间内达到点火转速，但发电机电压达不到要求或滑油没有建压，同样报启动失败。发电机自启动后，转速达正常工作转速，电压建压，滑油建压即启动成功，启动成功后按a1～c1情况处理：
a1．主电源失电，自动合闸，由发电机供电；
b1．主电源恢复正常后，经主电源恢复延时，主开关分闸，由主电源供电，柴油发电机经停机延时后正常停机；
c1．柴油发电机正常停机前，再次失主电源，主开关直接合闸，由发电机供电；
(2)试车工况：此工况主要用于试机，按启动按钮，启动条件满足时，内燃发电机启动，启动失败与成功的条件与自动工况相同，启动成功后，按a2～b2情况处理：
a2．主电源正常，负载仍由主电源供电，发电机经停机延时后正常停机；
b2．主电源故障，自动合闸，负载由发电机供电。
(3)机旁工况：此工况下，可进行故障信号的处理，不参与启动过程控制，只进行检测。
(4)遥控：在遥控情况下，不管在自动、机旁或试车工况，均能遥控启动，其中启动保护、失败与成功的定义不变。
2.2故障检测与定位［２］
为提高机器运行的可靠性与安全性以及设备的检修，故障的自动检测与定位相当重要，最简单的方法是监测一些重要变量，并对这些变量的信号进行采集、处理，而后做出决策。若传感器信号用y表示，阈值用tx表示，当y〈tx时状态正常，否则状态异常；对危害性较大的故障检测采用多传感器信息融合，此装置的故障检测就是依据这两种方法，具有启动失败，冷却水高温，滑油压力不足，超速，发电机过压或欠压，发电机过载以及启动用蓄电池电压低等故障信号的检测与报警。在机旁工况下，按复位按钮，能清除故障信息。
3系统设计
31硬件设计
装置的硬件结构如图3—1所示。
3.1.1CPU及其外围
装置的核心是CPU，CPU采用Motorola公司生产的M68HC11E9单片机，它的资源与使用参见文献［3］，在此系统中选用它的单片工作方式。在装置的面板上设有启动、停机、复位与消音4个按键用于操作；转速等一些信息由LED显示电路完成，显示电路由CPU的SPI接口扩展两片MC14489芯片组成。
3.1.2模拟量检测
模拟量检测是自启动控制与故障检测的基础，它包括模拟输入信号、信号调理电路以及A／D转换器所需要的电压信号，三相电压与电流信号直接进入装置，取样电路在装置内完成，简化外围接线；A／D转换器选用11路12位串行芯片MAX186与CPU和SPI接口相连。3.1.3开关量检测
装置中除模拟量信号外，还有一部分是开关量信号，它同样是自启动控制与故障检测的基础，为提高抗干扰能力，均采用光电耦合器件隔离。
3.1.4转速检测
转速传感器输出信号是一串脉冲，由于频率较高，耦合器件选用高速光耦，经隔离后的信号进入CPU高速输入捕捉部件处理。设齿轮齿数为N，则每转一圈产生N个脉冲信号，利用CPU高速输入捕捉部件及定时器的中断功能，记每100ms统计的脉冲数为M，则转速为(600M÷N)r/min，在每次计算中，脉冲计数误差为±1，为提高测量精度，可增长记数时间与增多齿轮齿数。
3.1.5输出控制
接通启动电机，合闸，分闸等控制信号均在CPU控制下由输出电路执行。CPU的输出线经驱动电路控制继电器线圈，继电器触点带动接触器控制操作。
3.1.6通信接口
通信接口由CPU的SCI接口扩展成标准的RS－485接口。CPU的SCI使用标准的NRZ格式，具有功能独立的发送器和接收器，受BAUD、SCCR1、SCCR2、SCSR和SCDR寄存器所控制。利用通信接口和PC机可对此装置进行设置与修改内部参数；也可构成网络组成远程监控系统。
3.1.7电源
电源是整个装置的能量提供者，它的输入信号取自启动用蓄电池，输出为＋5V，±12V，＋24V电压。
3.2软件设计
装置的软件采用汇编语言编写而成，固化于CPU内的程序存贮器中，一旦上电，程序从起始地址开始运行。程序采用模块化结构设计方法，编写了主程序，中断服务子程序以及各种功能模块子程序。主程序的编写主要依据装置的工作原理，通过检测工况及环境条件，决定执行不同功能模块。中断服务程序安排了转速检测、通讯程序以及定时器等。大量的程序以各种功能模块形式出现，如启动模块、停机模块、供电切换模块、故障处理模块、开关量检测模块、模拟量检测模块、输出控制模块、按键接收模块、参数设置及修改模块、显示模块等。
4解决的主要技术问题
4.1多种机型的自启动控制
总结不同机型的启动过程，对启动过程基本相同的机型编写通用程序，满足几种类型对启动控制的要求。不同机型对一些具体要求各不相同，如对接通预热，接通交直流预供泵，怠速控制以及燃油阀开启等的要求就各不相同。在设计中充分利用通信接口与CPU内部的EEPROM资源，进行内部参数的设置、修改与保存，根据设置的参数，执行不同的功能模块程序。
4.2超速故障检测
超速故障即飞车故障，是较严重的故障类型，发生此类故障时，应及时停机以防故障的进一步扩大。设计要求在02s内对超速故障作出准确判断并发出停机指令，测速计数时间取0.1s，从3.1.4转速测量讨论中可知，测速计数时间短会影响测量精度，同时实际运行中干扰信号不可避免，单从两次转速测量作出判断，可能会发生虚警。为保证故障信息的及时准确获取，采取了发电机电压频率与转速测量相结合，把两者的信息进行融合。
5结束语
该装置以单片机为核心，完成监测与控制的任务，并能与计算机通信，实现远程的遥控与遥测。经实际使用表明：该装置工作可靠，性能稳定，操作方便，得到用户的肯定，并于1999年通过江苏省科学技术委员会的技术鉴定。［参考文献］［1］何祖军，陈红卫，虞平良柴油发电机组自启动装置控制器［J］华东船舶工业学院学报，1999，4：37～40
［2］温熙森，胡茑庆，邱静模式识别与状态监控［M］.长沙：国防科技大学出版社，1997
［3］涂时亮M68HC11单片机原理、应用及技术手册［M］上海：复旦大学出版社，1992
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