Локальная система автоматического управления дизель-генератором Российский патент 2020 года по МПК F02D41/26 H02P9/00 

Локальная система автоматического управления дизель-генератором относится к электроэнергетике, точнее, к системам автоматического управления устройствами генерации электроэнергии, в том числе к судовым системам автоматического управления дизель-генератором.

Под локальной системой автоматического управления дизель-генератором (ЛСУДГ) понимается система автоматического управления, включающая комплекс устройств, предназначенных для автоматического изменения и (или) контроля параметров дизель-генератора, связанная с иными системами автоматического управления, входящими в единую систему управления дизель-генератором.

В связи со спецификой эксплуатации к судовым системам автоматического управления дизель-генератором, в том числе к локальным системам автоматического управления дизель-генератором, предъявляются особые требования. ЛСУДГ должна работать устойчиво и не иметь отказов, ложных срабатываний при воздействии внешних постоянных и переменных магнитных полей, обеспечивать безотказное функционирование в любых режимах непрерывно или с необходимыми по условиям эксплуатации остановками, пусками, включениями и выключениями.

Известно интеллектуальное устройство защиты дизельной установки, показанное в патенте RU 98484 от 20.10.2010 F02D 41/26 (2006.01), предназначенное для аварийной защиты двигателя, в частности, судовой дизельной установки, содержащее модуль защиты, источник питания, кнопку «Пуск», электроклапан аварийного останова, электроклапан стартера, зубчатый маховик. Устройство обеспечивает защиту дизельной установки от разноса, диагностику защиты двигателя, аварийную защиту и возможность изменения параметров контроля дизельной установки.

Известна система питания морского судна (US 9209732 от 08.12.2015 В63Н 23/24 (2006.01), F02D 29/06 (2006.01)), содержащая блок измерения, выполненный с возможностью измерения параметра электрической мощности, генерируемой генератором, блок управления, сконфигурированный для управления напряжением и защитой в системе питания судна от его колебаний.

В патенте US 20110295436 от 27.05.2010 Н02Р 9/04 описан модуль управления двигатель-генератором, который обеспечивает регулировку напряжения, управление двигателем, диагностику двигатель-генератора, функцию самотестирования, контроль счетчика, защиту двигателя через датчик потерь в тахометре, обнаружение перегрузки по скорости, защиту от обратного питания с регулировкой задержки по времени, автоматическую синхронизацию, запуск, управление нагрузкой. Такой модуль обеспечивает автоматическое управление двигатель-генератором. Однако в управлении двигатель-генератором не предусмотрено ручное (местное) управление, и, соответственно, пульт для такого управления. Предусмотрены контроль и защита ограниченного числа процессов управления двигатель-генератором, среди которых, например, отсутствует управление маслоперекачивающими насосами, нагревателями и контроль за этими процессами.

Известна система автоматизированного управления дизель-генератором электростанции, описанная в полезной модели RU 75178 от 27.07.2008 В63Н 23/06 (2006.01), F02D 41/00 (2006.01), содержащая пульт управления, интерфейсный модуль, модуль микроконтроллера, модуль постоянного запоминающего устройства, модуль регулирования частоты вращения дизель-генератора, аналого-цифровой преобразователь, модуль релейных сигналов, генераторный автомат с электромагнитным приводом, датчик частоты вращения двигателя, исполнительное устройство дизеля, аналоговые датчики рабочих параметров дизеля и генератора, дискретные датчики рабочих параметров дизеля и генератора. Вместе с тем в системе автоматизированного управления дизель-генератором электростанции отсутствуют элементы предупреждения и защиты от аварийных ситуаций.

Целью данного изобретения является создание локальной системы автоматического управления дизель-генератором, в которой обеспечена автоматизация всех процессов управления дизель-генератором, контроль и защита в аварийных ситуациях.

Сущность изобретения, как технического решения, выражается в совокупности существенных признаков, достаточного для достижения технического результата, обеспечиваемого изобретением.

Технический результат обеспечивается тем, что в локальной системе автоматического управления дизель-генератором применены средства автоматизации процессов управления, измерения параметров, защиты дизель-генератора в аварийных ситуациях.

Технический результат достигается тем, что локальная система автоматического управления дизель-генератором, включающая в себя прибор питания, прибор местного управления, прибор автоматического управления, имеющий в своем составе процессорный модуль, модули дискретного ввода, модули дискретного вывода, обеспечивающие прием сигналов от комплексной системы управления техническими средствами, электронного регулятора частоты вращения, системы управления возбуждения и регулировки напряжения, или выдачу сигналов на них, прием сигналов от прибора местного управления, выдачу сигналов на комплексное распределительное устройство, связанные с процессорным модулем шинами передачи данных, отличается тем, что в приборе автоматического управления, дополнительно, установлен модуль контроля и защиты дизель-генератора, имеющий множество входов, к каждому из которых подключено одно из множества средств защиты дизель-генератора, сконфигурированный с множеством модулей аналогового и дискретного ввода, при этом вход каждого из них подключен к выходу соответствующего датчика комплекта средств измерения и контроля аварийно-предупредительной сигнализации, установленного на дизель-генераторе. Кроме того, модуль контроля и защиты дизель-генератора связан с модулями аналогового и дискретного ввода шиной передачи данных. Кроме того, модули аналогового ввода выполнены в виде преобразователей напряжение - частота.

Кроме того, модуль контроля и защиты дизель-генератора и процессорный модуль связаны шиной передачи данных.

Кроме того, модуль контроля и защиты дизель-генератора и прибор местного управления связаны шиной передачи данных.

Ниже приведен предпочтительный вариант реализации изобретения на судне.

Конструкция управления дизель-генератором (ДГ) поясняется следующими фигурами:

на фиг. 1 показана структурная схема локальной системы автоматического управления дизель-генератором (ЛСУДГ) судна;

на фиг. 2 - конструкция прибора питания;

на фиг. 3-конструкция прибора автоматического управления;

на фиг. 4 - конструкция прибора местного управления

на фиг. 5 показана структурная схема локальной системы автоматического управления дизель-генератором (ЛСУДГ) судна без прибора местного управления.

На фиг. 1 показаны:

1 - прибор питания (ПП);

2 - прибор автоматического управления (ПАУ);

3 - прибор местного управления (ПМУ);

4 - блок управления БУ1;

5 - блок управления БУ2;

6 - модуль процессорный (МП);

7 - модуль дискретного ввода (ДВ);

8 - модуль дискретного вывода (MB);

9 - модуль контроля и защиты дизель-генератора (КиЗДГ);

10 - модуль аналогового ввода (АВ);

11 - сенсорный дисплей;

12 - комплексная система управления техническими средствами судна (КСУ ТС);

13 - комплексное распределительное устройство (КРУ);

14 - электронный регулятор частоты вращения коленвала дизеля дизель-генератора (ЭР ЧВ);

15 - система управления возбуждением и регулировкой напряжения (СУВиРН);

16 - комплект средств защиты дизель-генератора;

17 - комплект средств измерения и контроля аварийно-предупредительной сигнализации (АПС);

На фиг. 2 показаны:

18 - панель поворотная монтажная;

19 - дверь.

На фиг. 3 показаны:

20 - кассеты блока управления БУТ,

21 - кассеты блока управления БУ2;

22 - плавкие вставки;

23 - лампа-индикатор напряжения.

На фиг. 4 показаны:

24 - замок;

25 - лампа сигнальная;

26 - кнопка «пуск»;

27 - кнопка «стоп»;

28 - кнопка «экстренный стоп»;

29 - кнопка управления частотой вращения каленвала;

30 - защитная крышка;

31 - зуммер;

32 - выключатель питания;

33 - переключатель поста управления;

34 - переключатель управления маслоперекачивающим насосом (МПН);

35 - переключатель управления маслоперекачивающим насосом горячего резерва (МПН горячего резерва);

36 - переключатель управления нагрузкой генератора;

37 - панель управления.

Электропитание ЛСУДГ на судне осуществляется от сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380В без нейтрали (основное питание) и резервной сети постоянного тока напряжением 24В (резервное питание). Переход ЛСУДГ с основного питания на резервное питание осуществляется прибором питания 1 (ПП), и не приводит к сбоям (не требует перезагрузки) и изменениям режима работы ДГ. Электропитание ЛСУДГ при запуске дизель-генератора может производиться от блока аккумуляторов, включенных в резервную сеть постоянного тока, при использовании дизель-генератора, управляемого ЛСУ, в качестве источника основного питания.

ПП осуществляет преобразование трехфазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380В в постоянный ток напряженим 24В, распределение и коммутацию его для электропитания прибора 2 (ПАУ), прибора 3 (ГТМУ), и взаимодействующего с ЛСУ оборудования ДГ. В ПП размещаются автоматические выключатели и вставки плавкие для защиты потребителей от токов короткого замыкания, световая сигнализация, отображающая наличие напряжения питания на вводах.

ПП, в соответствии с фиг. 2, представляет собой электротехнический шкаф навесного исполнения с монтажной поворотной панелью 19, дверью 20.

Прибор 2 (ПАУ) (фиг. 3) выполняет функции автоматического управления ЛСУ, аварийно-предупредительной сигнализации, далее АПС, и защиты ДГ. В состав ПАУ входят блок управления 4 (БУ1), блок управления 5 (БУ2). Электропитание ПАУ осуществляется от ПП по двум фидерам напряжением 24В постоянного тока. Каждый фидер имеет защиту от короткого замыкания. Один из фидеров обеспечивает питание блока управления БУ1, другой фидер обеспечивает питание блока управления БУ2. Наличие напряжения в фидерах индицируется лампами-индикаторами 23, расположенными на верхней крышке ПАУ.

По шинам последовательной передачи данных Modbus (на фиг. 1, фиг. 5 шины последовательной передачи данных Modbus выделены утолщенной линией) ПАУ обеспечивает обмен данных с ПМУ, КСУТС, ЭРЧВ, СУВиРН. Входные и выходные сигналы, поступающие в ПАУ от КРУ, КСУТС, СУВиРН, ЭРЧВ, приборов, установленных на ДГ, используются в выполнении алгоритма запуска, нормальной работы, остановки и контроля параметров системы АПС и защиты ДГ. КСУТС, расположенная на центральном посту, содержит средства визуализации, контроля и управления работой ЛСУДГ.

В блок управления БУ1 входят модуль процессорный (МП) 6, модули дискретного ввода (ДВ) 7, модули дискретного вывода (MB) 8, обеспечивающие прием сигналов, поступающих от ПП, КРУ, КСУТС, СУВиРН, ЭРЧВ. Модуль процессорный (ПМ) обеспечивает обмен данных по шинам последовательной передачи данных Modbus с БУ2, КРУ, КСУТС, СУВиРН, ЭРЧВ, модулями ДВ, MP. В МП осуществляется математическая обработка принятой информации в соответствии с алгоритмом управления ДГ.

В блок управления БУ2 входят модуль контроля и защиты дизель-генератора 9 (Модуль КиЗДГ), модули аналогового ввода 10 (АВ), модули дискретного ввода 11 (ДВ), обеспечивающие прием аналоговых и дискретных сигналов от датчиков, установленных на ДГ. Модули аналогового ввода выполнены в виде преобразователей напряжение-частота, обеспечивающих преобразование аналогового сигнала, основанного на амплитудных колебаниях, в сигнал, основанный на частотных колебаниях.

Такое преобразование обеспечивает высокий коэффициент подавления синусоидальной помехи 50-60 Гц, коротких импульсных помех (до 10 мкс) и линейность преобразования не хуже 0.01%. Модуль КиЗДГ обеспечивает обмен сигналами по шине последовательной передачи данных Modbus с процессорным модулем МП блока управления БУ1, по шине последовательной передачи данных Modbus с модулями аналоговых и дискретных сигналов блока управления БУ2, по шине последовательной передачи данных Modbus с прибором местного управления. В модуле КиЗДГ осуществляется математическая обработка сигналов, получаемых от модулей аналогового и дискретного вводов и модулей формирования сигналов АПС, сигналов от комплекта средств защиты ДГ.

Прибор автоматического управления 2, (ПАУ), фиг. 3, выполнен в виде электротехнического шкафа с установленными в нем кассетами 20, 21, на которых расположены, соответственно, модули БУ1 и БУ2, а также плавкие вставки 22 и лампы-индикаторы напряжения 23.

Прибор местного управления 3 (ПМУ), фиг. 4, входит в состав местного поста управления ЛСУДГ и расположен в необходимом месте на судне. ПМУ представляет собой электротехнический шкаф навесного исполнения, закрываемый дверью. В дверь встроены сенсорный дисплей 11 и панель управления 37. Посредством ПМУ осуществляется управление ДГ с местного поста управления. ПМУ обеспечивает обзор и регистрацию параметров ЛСУ и ДГ по согласованным алгоритмам управления. Время хранения зарегистрированных параметров - 30 дней.

ПМУ обеспечивает:

- включение питания, выключение питания выключателем 32;

- выбор поста управления (центральный, местный) переключателем 33;

- пуск ДГ;

- стоп ДГ;

- экстренный останов ДГ;

- квитирование сигнализации;

- разблокировку систем;

- увеличение или уменьшение частоты вращения ДГ;

- переключение режима управления маслопрокачивающим насосом (автоматическое, ручное);

- включение и выключение маслопрокачивающего насоса (МПН);

- переключение режимов управления нагревателями ДГ (автоматическое, ручное);

- включение и выключение нагревателей генератора (НГ);

- переключение режима управления маслопрокачивающим насосом горячего резерва (автоматическое, ручное);

- включение и выключение маслопрокачивающего насоса горячего резерва.

На сенсорном дисплее 11 отображается информация, предусмотренная алгоритмом управления ДГ. Зуммер 31 и сигнальные лампы 25 сигнализируют о выходе контролируемого параметра (параметров) за допустимый диапазон и (или) возникновении аварийной ситуации. Подробную информацию о том, что вызвало срабатывание сигнализации можно посмотреть на экране сенсорного дисплея. Выключатель питания 32 предназначен для включения или отключения ЛСУДГ. Переключатель поста управления 33 предназначен для передачи управления ДГ на ПАУ или ПМУ. Переключателями 34, 35 управляются, соответственно, маслоперекачивающий насос и маслоперекачивающий насос горячего резерва дизеля. Управление нагрузкой на генератор осуществляется переключателями 36.

Органами панели управления ДГ 37 осуществляется:

- пуск - кнопкой 26;

- стоп - кнопкой 27;

- экстренный стоп - кнопкой 28;

- изменение частоты вращения коленвала - кнопками 29.

Кнопка 28 «экстренный стоп» защищена от случайного включения крышкой 30.

Система работает следующим образом.

После включения в течение времени не более 60 с модуль КиЗДГ проводит проверку исправности оборудования, датчиков, линий связи с датчиками аналоговых сигналов и целостности обмоток генератора, исполнительных устройств дизеля, и, при отсутствии блокирующих сигналов подает соответствующую команду в МП, а МП выдает сообщение «Готов к пуску». В случае обнаружения модулем КиЗДГ неисправности и (или) блокирующего сигнала МП выдает сообщение «Неисправность ЛСУ» с расшифровкой вероятной причины неисправности и (или) сообщение «Блокировка пуска» с указанием параметра. Продолжение работы ЛСУДГ в этом случае возможно после устранения неисправности.

При остановленном двигателе и температуре сердечника статора генератора ниже 15°С модуль КиЗДГ включает нагреватели генератора (НГ)

и выдает сообщение «Вкл. нагреватели генератора» на дисплей ПМУ, если ЛСУДГ находится в режиме автоматического управления. Модуль КиЗДГ отключает нагреватели генератора и снимает сообщение «Вкл. нагреватели генератора» при поступлении в ЛСУДГ сигнала на пуск дизель-генератора. Включение маслоперекачивающего насоса МПН с ПМУ осуществляется на протяжении 60 с до пуска дизель-генератора, отключение МПН дизеля производится при достижении частоты вращения 200 об/мин. При ручном управлении дизель-генератором управление нагревателями генератора и МПН дизеля осуществляется вручную с ПМУ.

При подаче команды «ПУСК» из КСУТС, в случае автоматического управления, и с ПМУ, в случае ручного управления, модуль КиЗДГ проверяет наличие сигналов о положении валоповоротного механизма в зацеплении, о положении предельного выключателя дизеля, об отсутствии вращения валоповоротного механизма дизель-генератора, о неисправности ЭРЧВ, о положении переключателя МПН в положении «РУЧ», о наличии заблокированной защиты АПС, о получении сигнала от ЭР ЧВ об экстренном останове, о вызове оператора от СУВиРН, о запрете на пуск из КСУТС, об «Аварийном гашении поля» от КРУ, о положении переключателя НГ в положении РУЧ. При наличии одного или нескольких сигналов от модуля КиЗДГ МП выдает в КСУТС, а также на дисплей ПМУ, сообщение «Блокировка пуска» с расшифровкой причины. При отсутствии блокировок и наличии сообщения от ЭРЧВ «Готов к работе» МП выдает сообщение «Готов к пуску» в КСУТС, КРУ, а также на дисплей ПМУ, выдает сообщения «Предпусковые операции» в КСУТС, а также на дисплей ПМУ, и отключает нагреватели генератора. На время запуска модуль КиЗДГ отключает систему АПС.

При получении сигнала «Нет проворота» от ЭРЧВ МП снимает сигнал «Предпусковые операции», включает аварийную индикацию, выдает в КСУТС, а также на дисплей ПМУ, сообщение «Нет проворота» и блокирует пуск до выяснения причины неисправности.

После сообщения «Пуск» от ЭРЧВ МП выдает на КСУТС, а также на дисплей ПМУ, сообщение «Пуск», при достижении частоты вращения 850 об/мин. выдает на дисплей ПМУ сообщение «Готов к возбуждению», а в СУВиРН команду «Включить возбуждение». По истечении 10 с после выдачи сигнала «Включить возбуждение», если МП обнаруживает отсутствие сигнала «Возбуждение включено» от СУВиРН, снимает сигнал «Включить возбуждение» в СУВиРН и выдает сообщение «Возбуждение отключено», включает аварийную индикацию «Потеря возбуждения», выдает сообщение «Потеря возбуждения» в КСУТС, завершает операции пуска.

При получении сигнала «Возбуждение включено» от СУВиРН и достижении номинальной частоты вращения 1000 об/мин модуль КиЗДГ включает комплект средств измерения и контроля АПС, МП снимает сообщение «Пуск», выдает в КСУТС, КРУ, а также на дисплей ПМУ сообщение «Готов к приему нагрузки». После получения сигнала от КРУ о включении выключателя нагрузки «ВН включен» МП снимает сообщение «Готов к приему нагрузки» и выдает сигналы «ВН включен» в СУВиРН и ЭРЧВ и сообщение «ДГ работает» в КСУТС, КРУ, а также на дисплей ПМУ.

При получении сигнала «Нет пуска» от ЭРЧВ МП выдает в КСУТС, а также на дисплей ПМУ сообщение «Нет пуска», включает аварийную индикацию, блокирует повторный пуск ДГ до выяснения и устранения причин несостоявшегося пуска, снимает в СУВиРН команду «Включить возбуждение», снимает сигнал «Пуск», завершает операции пуска.

При получении от КСУТС сигнала «Аварийное гашение поля» МП переадресовывает этот сигнал в СУВиРН, выдает команды на останов ДГ и снимает сигнал «Возбуждение включено».

При превышении значения номинальной мощности, вырабатываемой ДГ, модуль КиЗДГ через МП выдает в КСУ ТС сообщение «Перегруз».

При работе ДГ и получении сигнала «Гашение поля» от КСУТС МП снимает сигнал «Включить возбуждение», передаваемый в СУВиРН.

Использование настоящего изобретения в предлагаемом варианте обеспечивает:

- автоматизацию всех процессов управления дизель-генератора, его защиту в аварийных ситуациях.

- применение встроенной предупредительной сигнализации;

- применение встроенной аварийной сигнализации и исполнительных элементов аварийного останова дизель-генератора;

- функциональную независимость блоков автоматического управления и контроля и защиты дизель-генератора;

- применение системы индексации контролируемых параметров;

- построение эпюр контролируемых параметров в режиме реального времени;

- выгрузку исторических данных на персональный компьютер;

- подключение удаленных постов управления;

- изменение уставок аварийно-предупредительной сигнализации (при необходимости) в режиме реального времени без применения специальных средств (программаторов).

Другой вариант реализации изобретения поясняется фиг. 5, на которой показана структурная схема ЛСУДГ судна без прибора местного управления, обеспечивающего ручное управление ЛСУДГ. При этом работа ЛСУДГ производится только в автоматическом режиме. Визуализация процессов управления и контроля работы ЛСУДГ производится в КСУТС, оборудованной средствами визуализации, контроля и управления. Такое решение позволяет исключить либо ограничить участие членов экипажа судна в управлении дизель-генератором.

В другом варианте реализации полезной модели в составе локальной системы автоматического управления дизель-генератором отсутствует прибор местного управления, и, соответственно, электрические связи с ним. При этом работа ЛСУДГ производится только в автоматическом режиме. Для управления и контроля работы ЛСУДГ КСУТС подключена к прибору удаленного доступа, например, через ГЛОНАСС или GPRS.

Разумеется, приведенные варианты, как и иные возможные варианты, являются частными случаями реализации изобретения и никоим образом не ограничивают его применение.

Изобретение относится к системам производства электроэнергии. Технический результат заключается в обеспечении автоматизации всех процессов управления дизель-генератора, его защиту в аварийных ситуациях. В локальную систему автоматического управления дизель-генератором дополнительно установлен модуль контроля и защиты дизель-генератора, имеющий входы, к которым подключены средства защиты дизель-генератора. Модуль контроля и защиты дизель-генератора связан с процессорным модулем, модулями аналогового и дискретного ввода, прибором местного управления шинами передачи данных. Модули аналогового ввода выполнены в виде преобразователей напряжение-частота. На дизель-генераторе установлены датчики измерения и контроля аварийно-предупредительной сигнализации дизель-генератора, выход каждого из которых подключен к одному из входов соответствующего модуля аналогового и дискретного ввода. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Локальная система автоматического управления дизель-генератором, включающая в себя прибор питания, прибор местного управления, прибор автоматического управления, имеющий в своем составе процессорный модуль, модули дискретного ввода, модули дискретного вывода, обеспечивающие прием сигналов от комплексной системы управления техническими средствами, электронного регулятора частоты вращения, системы управления возбуждения и регулировки напряжения, или выдачу сигналов на них, прием сигналов от прибора местного управления, выдачу сигналов на комплексное распределительное устройство, связанные с процессорным модулем шиной передачи данных, отличающаяся тем, что в приборе автоматического управления, дополнительно, установлен модуль контроля и защиты дизель-генератора, имеющий множество входов, к каждому из которых подключено одно из множества средств защиты дизель-генератора, сконфигурированный с множеством модулей аналогового и дискретного ввода, при этом вход каждого из них подключен к выходу соответствующего датчика комплекта средств измерения и контроля аварийно-предупредительной сигнализации, установленного на дизель-генераторе.

2. Локальная система автоматического управления дизель-генератором по п. 1, отличающаяся тем, что модуль контроля и защиты дизель-генератора связан с модулями аналогового и дискретного ввода шиной передачи данных.

3. Локальная система автоматического управления дизель-генератором по п. 1, отличающаяся тем, что модули аналогового ввода выполнены в виде преобразователей напряжение-частота.

4. Локальная система автоматического управления дизель-генератором по п. 1, отличающаяся тем, что модуль контроля и защиты дизель-генератора и процессорный модуль связаны шиной передачи данных.

5. Локальная система автоматического управления дизель-генератором по п. 1, отличающаяся тем, что модуль контроля и защиты дизель-генератора и прибор местного управления связаны шиной передачи данных.