船舶電站自動調載的PLC控制系統(tǒng)

王英月

（招商局重工（深圳）有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

自動調頻調載是船舶電站自動化的主要功能之一。應用于工業(yè)生產中的PLC引入船舶電站自動調頻調載控制系統(tǒng)中，具有傳統(tǒng)裝置無法比擬的優(yōu)點。為了實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的自動化，“頻率自動調整和有功功率的自動分配”是不可缺少的環(huán)節(jié)。船舶電站不僅是船舶電力系統(tǒng)的核心，同樣也是全船的重要部分之一。電站自動化的目的，主要在于最大限度保持供電的連續(xù)性，提高供電設備的安全可靠性和供電質量。本文采用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)船舶電站自動調頻調載[1]。

2 自動調頻調載條件的檢測

實現(xiàn)自動調頻調載，關鍵是要檢測出并網(wǎng)發(fā)電機的頻率和各自承擔功率的大小。本系統(tǒng)就是利用PLC相應的模塊來實現(xiàn)參數(shù)化的檢測功能。

頻率信號處理模塊先將光電編碼器輸出的脈沖進行電平變換和隔離處理，然后送入PLC的高帶計數(shù)器單元，由PLC完成脈沖計數(shù)[2]。功率處理是將功率變送器輸出的表示功率大小的電壓信號進行V/F變換，再送入PLC進行脈沖計數(shù)。綜上所述，通過轉換，將頻率和功率問題均轉換為脈沖計數(shù)問題，在PLC內部均設為計數(shù)器，這種計數(shù)器可接受外部現(xiàn)場送來的計數(shù)脈沖的寬度大于PLC的一個掃描周期才能正確計數(shù)。由于FX2N型PLC計數(shù)的最高計數(shù)頻率可達60 kHz，故采用高速計數(shù)器來計數(shù)發(fā)電機頻率和功率的相應脈沖，完全滿足船舶電站頻率和功率測量的要求。

2.1 頻率條件檢測

實現(xiàn)頻率條件檢測的關鍵部件是 PLC的高速計數(shù)器以及各發(fā)電機組同軸轉動的光電編碼器。光電編碼器隨著發(fā)電機軸的轉動輸出個數(shù)正比于轉速的脈沖信號，利用PLC對該信號進行計數(shù)，便可測得發(fā)電機頻率[3]。

常用的光電編碼器有絕對式和增量式兩種。絕對式光電編碼器的檢測精度不高，基于采用PLC控制船舶自動調頻調載是要求得到更高的調節(jié)精度和穩(wěn)定度，因此采用增量式光電編碼器。

編碼器與發(fā)電機同軸轉動，每轉一圈，編碼器輸出2000個脈沖，有效地保證了頻率檢測和調節(jié)精度。如果控制對象為額定50 Hz 1500 r/min的同步發(fā)電機組，在200 ms內對轉速脈沖采樣計數(shù)，對頻率f與計數(shù)值N之間的關系進行推導：

因為發(fā)電機的額定轉速 nN=1500 r/min，即N=25 r/s，而編碼器每轉一圈輸出200個脈沖，則發(fā)電機實際轉數(shù)n’=N /2000（N為200 ms內轉速脈沖的計數(shù)），則一秒鐘內發(fā)電機的實際轉速為n=n’/0.2=N/400轉轉。（編碼器與發(fā)電機同軸，且轉速與頻率成正比[4]。于是fN:nN= f:n，其中，fN和f 分別為發(fā)電機的額定頻率及實際頻率由上式可得：

采用PLC的高速計數(shù)器，對這一脈沖進行計數(shù)，計算出實際頻率與額定頻率的差，當差值超過規(guī)定時，由PLC輸出一個脈沖，控制調速器加速或減速。

2.2 功率條件檢測

發(fā)電機功率檢測的關鍵部件是 PLC和信號的預處理模塊，該裝置先將功率變送器輸出與發(fā)電機功率成正比的電壓信號經(jīng)過A/D轉換，然后由PLC讀取，計算及輸出控制電壓信號的數(shù)字化處理。

2.2.1 功率的檢測

為準確反映出發(fā)電機實際輸出有功功率，此系統(tǒng)中采用功率轉換器EPF-3PC，其原理簡圖1所示。

功率變送器通常都是根據(jù)相敏電路的原理構成的，EPF-3PC功率變換器實際上是兩個單相功率變換器組成的。其原理為通過電壓互感器、電流互感器將發(fā)電機輸出的線電壓和結電流取出，經(jīng)過疊加形成一個與發(fā)電機輸出功率成比例的功率變換器輸出電壓UP，再經(jīng)過取平均值電路，得到平均電壓UP，即可代表發(fā)電機有功功率的大小。

2.2.2 信號的預處理

從功率變送器輸出的模擬信號并不能被PLC所識別，故需要對信號進行A/D轉換預處理，通常電壓信號的數(shù)字化采用A/D轉換，本裝置考慮到的A/D硬件資源及軟件編程簡繁，改常規(guī)的并行A/D轉換方法為選擇線性度高、轉換精度高的串行A/D轉換器件用V/F變換，如LM331，用V/F作模擬量的輸入接口，構成時頻測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度的檢測。

功率變送器輸出的電壓信號經(jīng)過LM331的A/D，將電壓信號轉變?yōu)榕c電壓成正比的頻率信號（即脈沖信號），再把這一脈沖信號送到PLC進行計數(shù)，選擇不同的計數(shù)時間，可得到不同的轉換精度。

如果功率器輸出的電壓與發(fā)電機的功率關系為Vin=K1P，串行A/D轉換時輸入電壓與輸出頻率的關系為fout=K2VinP。則發(fā)電機的功率與串行A/D的輸出脈沖的關系為N/t =K1K2P，那么發(fā)電機的功率P =N/t K1K2(kW)，其中N為PLC在時間T內的脈沖計數(shù)值。串行A/D轉換電路圖如圖2所示。

3 自動并車的實現(xiàn)

在船舶電站中，將發(fā)電機自動并入電網(wǎng)并聯(lián)運行（簡稱自動并車）是船舶電站自動化的主要功能之一[5]。自動并車裝置通常采用模擬控制或數(shù)字控制方式。隨著船舶電站自動化程度的不斷提高和微機控制技術的不斷普及，以微型計算機為核心的先進科學數(shù)字控制的自動并車裝置已經(jīng)顯示出其獨特的優(yōu)越性[6]。因此，在本系統(tǒng)中，自動并車部分就是采用數(shù)字控制方式，它與調頻調載共用PLC資源。

自動并車信號的檢測原理

把并發(fā)電機組準確地并入電網(wǎng)，進行自動準同步并車，必須滿足以下三個條件[7]：

（1）待并機的電壓與在網(wǎng)機電壓差不大于10%UN；

（2）待并機的頻率與在網(wǎng)機頻率差不大于5%UN；

（3）待并機的相位與在網(wǎng)機相位差不大于180°；

圖1 EPF-3PC功率變送器

圖2 信號變換、檢測及輸出控制

只有這樣，才能保證并車時無大的沖擊電流，并且并聯(lián)后保持穩(wěn)定的同步運行。否則，將產生較大沖擊電流，嚴重時將造成整個船舶電力系統(tǒng)的崩潰，中斷全船的供電。

4 硬件設計

硬件結構如圖3所示，主要包括頻率信號變換、功率信號變換、自動并車處理環(huán)節(jié)、CPU檢測與控制以及顯示報警環(huán)節(jié)。

硬件主要實現(xiàn)以下幾個功能：

(1)采用編碼器實現(xiàn)高頻率的轉換精度，實現(xiàn)發(fā)電機頻率信號的預處理；

(2)利用功率變送器和LM331串行A/D轉換器實現(xiàn)發(fā)電機功率信號預處理；

(3)利用自動并車處理模塊進行自動并車操作；

(4)采用指示燈實現(xiàn)船舶電站工況及電站故障的指示；

(5)由相應的繼電器和主開關執(zhí)行PLC的調頻和調載指令，實現(xiàn)自動調頻調載與自動并車、自動解列。

4.1 自動調頻調載的實現(xiàn)

4.1.1 接口通道的實現(xiàn)

（1）將光電編碼器采集到的頻率信號轉變?yōu)槊}沖信號，將脈沖信號接至PLC高速計數(shù)器的輸入端口，經(jīng)程序運算，與預先設定值進行比較，判別大小和方向，輸出加/減速控制信號；

（2）將脈沖信號進行運算，計算出在網(wǎng)發(fā)電機各自實際承擔的有功功率，與各發(fā)電機的功率值進行比較，判別大小，輸出加/減速控制信號；

（3）PLC輸出接口接調速控制繼電器，實現(xiàn)機組的升/降、加/減控制。

4.2 自動并車檢測的實現(xiàn)

接口通道的實現(xiàn)

(1)待并機和在網(wǎng)機的相電壓UF、UW信號取自電壓互感器，經(jīng)變壓器降壓、波形變換電路變?yōu)榉讲ㄐ盘枺又岭妷罕容^器進行二路信號比較，比較結果送到PLC輸入端進行電壓差判斷與控制；

(2)將光電編碼器采集到的頻率信號轉變?yōu)槊}沖信號，將脈沖信號接至PLC高速計數(shù)器的輸入端口，進行頻差方向、大小鑒別與控制；

(3)利用高速環(huán)進行計數(shù)器測量、計算合閘時間，從而進行合閘時間的判別與實現(xiàn)；

(4)PLC輸出接口分別接調壓、調速控制繼電器，實現(xiàn)機組的升/降、加/減控制；

(5)PLC合閘信號送至控制屏主開關的合閘線圈實現(xiàn)合閘控制。

5 軟件設計

軟件的設計，它包含主程序，在網(wǎng)電壓頻率和功率檢測子程序，并網(wǎng)條件檢測子程序，并網(wǎng)機各自功率檢測子程序，功率計算及功率調整子程序，并網(wǎng)頻率檢測及調整子程序，系統(tǒng)工作過程如圖3所示[8]。

圖3 系統(tǒng)硬件結構框圖

（1）系統(tǒng)開機后，先檢測運行機的電壓，電壓正常后進入下一個流程，否則報警指示。

（2）電壓滿足后，檢測運行機的頻率，將運行機的頻率控制在50 Hz。

（3）檢測運行機的功率，判斷功率是否超過額定功率的80%，當運行機的功率大于額定功率的80%時，起動備用機開始檢測并車的三個條件。

（4）并車的三個條件滿足后，發(fā)出合閘，實現(xiàn)并車。

（5）并車后，分別檢測各發(fā)電機的實際承擔功率。

（6）計算每臺機應承擔的功率，當實際承擔的功率與應承擔的功率差大于發(fā)電機額定功率的10%時，進入流程（7），否則進入流程（11）。

（7）調用功率調整子程序，進行功率調整。即由PLC輸出一個脈沖，控制低功率發(fā)電機加速，高功率發(fā)電機減速。

（8）檢測并網(wǎng)后發(fā)電機頻率。

（9）調用功率檢測子程序，分別檢測各發(fā)電機的功率，當頻率在要求的范圍之內時進入流程（6），當實際承擔的功率與應承擔的功率差大于發(fā)電機額定功率的10%時，進入流程（7），否則進入流程（11）。

（10）重復（8）到（9）流程，使功率差在規(guī)定的范圍之內。

（11）否則，調用功率調整子程序，進行功率調整。

（12）檢測并網(wǎng)后的發(fā)電機頻率，當發(fā)電機頻率超過范圍時，讓小功率的發(fā)電機加速，高功率的發(fā)電機減速，重復（8）到（11），使頻率在規(guī)定的范圍之內。

在調頻調載過程中，PLC輸出的調節(jié)脈沖的寬度經(jīng)過專門設計，既保證了調整的快速性，又避免高速過程中可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，另外，PLC的執(zhí)行過程是循環(huán)進行的，所以PLC一直在線檢測機組的功率和頻率，并進行調整。

5.1 定義表

PLC I/O定義表如表1所示[9]。

表1 PLC I/O定義表(以兩臺發(fā)電機為例)

KA3 Y011 2號機正常工作指示燈繼電器KA4 Y012 2號機故障指示及報警繼電器KM9 Y013 2號機升速控制交流接觸器KM10 Y014 2號機降速控制交流接觸器KM11 Y015 1號機升壓控制繼電器KM12 Y020 2號機升壓控制繼電器

5.2 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)工作流程圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

5.3 關于程序的幾點說明

（1）實際中，程序應能滿足互換性的要求，即邏輯上沒有主、輔機之分，并能對多臺發(fā)電機進行控制；任何一臺發(fā)電機的負荷改變時，在網(wǎng)機均能控制其它發(fā)電機的啟停及相關電參數(shù)的自動調節(jié)；（本程序是在 1號機為在網(wǎng)機、2號機為待并機的前提下編寫的，不具有通用性）；

（2）為使各發(fā)電機能均勻磨損，各機應能手動或自動進行運行機的切換；本系統(tǒng)應具有鍵盤輸入功能，以便選擇常用機及各發(fā)電機的使用優(yōu)先權；

（3）頻率允許誤差值 D08不宜設得過低，取0.1～0.3即可，過低會造成系統(tǒng)調節(jié)過于頻繁，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；其中用于延時的時間定時器時間常數(shù)應根據(jù)實際設備參數(shù)設定，如To、T1等；

（4）本程序一直處于運行狀態(tài)，因此 PLC一直對電網(wǎng)進行在線檢測與調節(jié)。

[1]許克明, 田懷智. 電力系統(tǒng)自動裝置. 重慶：重慶大學出版社, 2004.8.

[2]楊冠城. 電力系統(tǒng)自動裝置原理. 北京：水利電力出版社, 2000.

[3]朱家建. 單片機與可編程控制器. 北京：高等教育出版社, 2000.7.

[4]廖常初. PLC編程及應用. 北京：機械工業(yè)出版社,2003.

[5]馬志源. 電力拖動控制系統(tǒng). 北京：科學出版社,2004.

[6]喻方平, 李鶴鳴, 羅薇等編. 微型計算機在船舶中的應用. 北京： 電子工業(yè)出版社, 1997.

[7]黃倫坤. 船舶電站及自動裝置. 北京：人民交通出版社, 1994.

[8]高欽和. 可編程控制器應用技術與設計實例. 北京：人民郵電出版社, 2004.7.

[9]于慶廣. 可編程控制器原理及設計.—北京：清華大學出版社.2004.