基于PLC的網(wǎng)絡(luò)型船舶智能電力控制管理系統(tǒng)研究

鄭曉鳴 徐永法,2 陸中杰

（1. 上海交技發(fā)展股份有限公司，上海200135；2. 上海海事大學(xué)，上海200135）

1 引言

伴隨著船舶工業(yè)的快速發(fā)展，船舶的大型化和高科技日趨顯著，船舶的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，尤其是近二十年，艦船配電自動(dòng)化發(fā)展迅速，自動(dòng)控制水平得到很大的提高[2]。本智能配電系統(tǒng)，集成了電站能量管理和各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控顯示的功能，將PLC與觸摸屏相配合，并運(yùn)用Modbus主從通訊方式[4、5]，將幾個(gè)機(jī)組融合成為一個(gè)整體，其特點(diǎn)是以分散的控制適應(yīng)分散的控制對(duì)象，以集中的監(jiān)視和操作達(dá)到掌握全局的目的。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和可擴(kuò)展性。

2 智能配電系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由2套機(jī)組控制屏，一套并車(chē)屏和一套負(fù)載屏組成。機(jī)組控制屏是用來(lái)控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視和保護(hù)發(fā)電機(jī)組，并車(chē)屏用于實(shí)現(xiàn)多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行、解列及能量控制管理等功能。負(fù)載屏主要用于對(duì)各饋電回路進(jìn)行控制、監(jiān)視和保護(hù)。圖1為智能電力控制管理系統(tǒng)組成框圖。

2.1 機(jī)組控制屏

機(jī)組控制屏主要由一套 Schneider twido PLC，一個(gè)電參數(shù)采集模塊，一個(gè)并車(chē)模塊和一個(gè)5.6寸觸摸屏組成，根據(jù)主控PLC（M340）的指令來(lái)控制單臺(tái)機(jī)組的啟、停、合、分，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所有采集參數(shù)反饋給主控PLC(M340)。觸摸屏用于顯示機(jī)組的各種電參數(shù)，并對(duì)故障作出報(bào)警提示。

圖1 智能電力控制管理系統(tǒng)組成框圖

2.2 并車(chē)控制屏

并車(chē)屏主要由一套Schneider M340 PLC和一個(gè)10寸的觸摸屏組成，該屏相當(dāng)于整套系統(tǒng)的大腦，對(duì)各個(gè)屏上傳的數(shù)據(jù)作出處理，并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出下一步的指令。10寸觸摸屏上配有各個(gè)機(jī)組屏的電參數(shù)顯示，并可以手動(dòng)對(duì)各機(jī)組屏幕進(jìn)行啟、停、合、分控制。（如圖2所示）。

2.3 負(fù)載控制屏

負(fù)載屏主要由饋電開(kāi)關(guān)和一套 Schneider twido PLC組成，發(fā)電機(jī)組通過(guò)母牌將電能傳送給負(fù)載屏，饋電開(kāi)關(guān)將電能供給各設(shè)備或分電箱，PLC主要用于采集各饋電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和電參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus通訊直接傳輸?shù)街骺豍LC，并由主控PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理。

3 負(fù)荷控制管理原理

具有多臺(tái)機(jī)組的電站中。當(dāng)需要兩臺(tái)以上的機(jī)組并聯(lián)供電時(shí)；或者雖然只需單機(jī)供電，但為了能夠不間斷地供電，都需要進(jìn)行并車(chē)、解列的負(fù)載轉(zhuǎn)移和分配的操作。其中，頻率的自動(dòng)調(diào)整和有功功率的自動(dòng)分配是不可缺少的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用綜合調(diào)整方式，在實(shí)際運(yùn)用中，隨著功率的變化電網(wǎng)的頻率也會(huì)變化，所以恒定頻率和平均分配功率是同時(shí)進(jìn)行的（如圖3），其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是柴油發(fā)電機(jī)的油門(mén)，根據(jù)頻率設(shè)定值和平均功率，結(jié)合當(dāng)前發(fā)電機(jī)的頻率功率反饋值可以得出[1]：

圖2 系統(tǒng)主監(jiān)控界面

其中，Kf、Kp為比例系數(shù)，我們可以設(shè)定一個(gè)閾值U＞0 ，當(dāng)UINI＞U則需要加大油門(mén)，提高轉(zhuǎn)速；反之，當(dāng)UINI＜-U，則需要減小油門(mén)降低轉(zhuǎn)速。通過(guò)多次調(diào)節(jié)可以將UIN.I恒定在一定范圍之內(nèi)，以達(dá)到恒定頻率，平均分配功率的目的。U值越小調(diào)節(jié)精度越高，但是調(diào)整時(shí)間會(huì)相對(duì)加長(zhǎng)。在本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用中，該調(diào)頻調(diào)載的方式得到了較好運(yùn)用，只要能正確的設(shè)置Kf、Kp以及U，就能達(dá)到又好又快的效果。

圖3 調(diào)頻調(diào)載系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)主要功能 [4 ]

4.1 機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)

(1)當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生超速、滑油過(guò)度等嚴(yán)重故障時(shí)，備用機(jī)組應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)母線失電時(shí)所有備用機(jī)組立即自動(dòng)啟動(dòng)，最先起動(dòng)成功者自動(dòng)投入，從啟動(dòng)開(kāi)始到投網(wǎng)電壓后自動(dòng)投入的時(shí)間小于30 s。

(2)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組總功率大于總額定功率的85%時(shí)，備用機(jī)組應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)。備用機(jī)組的優(yōu)先順序可人工設(shè)定。

(3)當(dāng)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組因柴油機(jī)滑油壓力低、冷卻水溫度高、發(fā)電機(jī)組繞組過(guò)熱等故障報(bào)警時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)組，備用機(jī)組并入電網(wǎng)成功后，逐步卸去故障機(jī)組負(fù)荷和發(fā)出停機(jī)指令，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

(4)當(dāng)裝置收到一臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)失敗信息后，則應(yīng)能自動(dòng)將啟動(dòng)指令轉(zhuǎn)至下一臺(tái)備用機(jī)組，并發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

(5)機(jī)組啟動(dòng)指令的發(fā)出不應(yīng)超過(guò)三次，即具有三次啟動(dòng)失敗報(bào)警功能

4.2 機(jī)組投入和并聯(lián)運(yùn)行

(1)母線無(wú)電時(shí)，啟動(dòng)的備用機(jī)組在達(dá)到一定電壓（大于額定電壓的85%）和頻率（50±0.5Hz）后立即投入。

(2)母線有電時(shí)，該機(jī)組應(yīng)自動(dòng)同步，自動(dòng)合閘。

(3)自動(dòng)并聯(lián)后，應(yīng)具有有功功率自動(dòng)分配功能，并滿足有功分配精度（±10%PN），頻率調(diào)節(jié)精度為50±0.5 Hz。

(4)若因短路故障而引起的電網(wǎng)失電，備用機(jī)組主開(kāi)關(guān)的自動(dòng)合閘只允許進(jìn)行一次，自動(dòng)合閘失敗應(yīng)自動(dòng)報(bào)警，并啟動(dòng)下一臺(tái)備用機(jī)組投入。

4.3 機(jī)組解列和停機(jī)

(1)在網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組總功率小于總額定功率的30%時(shí)，指定機(jī)組自動(dòng)解列、停機(jī)，停機(jī)失敗則發(fā)出聲光報(bào)警。

(2)在解列過(guò)程中，除嚴(yán)重故障之外，均應(yīng)能平滑地自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷。當(dāng)解列發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至小于該發(fā)電機(jī)組額定功率的10%時(shí)，發(fā)出分閘指令。

(3)機(jī)組發(fā)生超速或滑油失壓等嚴(yán)重故障時(shí)，必須采取可靠措施緊急停機(jī)，并啟動(dòng)備用機(jī)組投入。

5 總結(jié)

本文采用施耐德 PLC作為控制核心，通過(guò)Modbus網(wǎng)絡(luò)將幾個(gè)控制屏聯(lián)系起來(lái)，以達(dá)到分散采集、響應(yīng)、集中監(jiān)控的目的。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC的高效可靠性。每個(gè)屏上都配有觸摸屏，使得系統(tǒng)的監(jiān)控更直觀、靈活。由于ModBus網(wǎng)絡(luò)的可靠、快捷、布線方便，使得系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大為增強(qiáng)。文中闡述以?xún)膳_(tái)機(jī)組為例，在實(shí)際運(yùn)用中可以擴(kuò)展到多臺(tái)，在電站自動(dòng)化領(lǐng)域有一定的運(yùn)用價(jià)值。

[1]王文義.船舶電站.哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006，9：293-294 .

[2]王闖，吳志良.基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù).2009，2（2）.

[3]林華峰，李華. 船舶電站及電力拖動(dòng).哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006，1：

[4]徐世許等. 可編程序控制器應(yīng)用指南. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007，7.

[5]揚(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京： 清華大學(xué)出版社，1999，6：406-407.