基于PLC的船舶電站監控系統研究

鄭偉勝

(江西制造職業技術學院信息工程系,江西 南昌 330095)

基于PLC的船舶電站監控系統研究

鄭偉勝

(江西制造職業技術學院信息工程系,江西 南昌 330095)

摘要：隨著電子技術、計算機技術的迅猛發展，對船舶電站監控系統的需求越來越大。船舶電站監控系統負責對船舶上的電力設備進行控制和監視，是船舶中十分關鍵的設備。為提高船舶電站運行的可靠性及整個系統自動化程度，本文對基于PLC的船舶電站監控系統進行研究。

關鍵詞：監控系統；PLC；船舶電站

0引言

目前，船舶電站朝著網絡化智能監控的方向發展，通過把駕駛、導航、輔機和機艙等利用網絡計算機技術形成一體化智能化的船舶電站監控系統，便于信息的高度整合和分享。據此，本文設計一種基于PLC獨特控制系統的船舶電站監控系統[1]。

1系統總體設計方案

為滿足船舶電站監控系統的功能需求，系統采用3層監控系統，即設備層、監控層和網絡層。圖1幾乎包含了船舶電站監控系統應有的所有功能，各項功能通過PLC的控制相互配合，一起保證船舶電站監控系統的正確運行。

可編程邏輯控制器PLC的主要工作是對運行數據進行采集和對現場設備進行全程監控，其主要負責完成發電機組的起動、停止、調速、并聯運行及機組的故障分析和故障排除等工作。計算機與PLC之間的通信方式選擇串口RS-485方式。船舶主站與船舶各監控室之間的通信由工業控制組態軟件MCGS來實現[6]。

系統中總共使用3臺柴油發電機組，其中每臺發電機組均由三菱公司生產的FX2N型號的PLC來監控。系統正常運行時一般僅需要起動1臺柴油發電機組，但根據具體情況的不同需要啟動運行的柴油發電機組臺數也會變化。當負載過重時，并上1臺柴油發電機組；某1臺柴油發電機發生故障時，需要發電機組解除故障機，并且并上1臺新的柴油發電機組；如果2臺柴油發電機組都不能起動時，需要運行備用柴油發電。3臺柴油發電機組分別由各自獨立的PLC進行監控。三者各自獨立工作，之間不進行數據交流，如果其中1臺PLC出現故障，也不會對另外2臺PLC產生任何影響，完全實現了分散控制。

圖1　船舶電站監控系統框圖Fig.1　The block diagram of ship power station monitoring system

上位機扮演著領導的角色，協調并分配每臺PLC的工作。上位機的監控界面中可以顯示柴油發電機組的各類運行參數。此外，上位機的監控系統可以通過鼠標直接控制各種設備的起動與停止，最終使船舶電站集中管理非常方便。

2測量和控制模塊

1)測量和控制的方法

測控部分的主要功能是完成對主要數據的采集和接收，使系統按計劃運行，并把處理結果傳遞給執行結構，原理如圖2所示。

圖2　測量和監控原理示意圖Fig.2　Schematic principle of measuring and monitoring

測控模塊包括輸入模塊、輸出模塊和報警模塊等。如果船舶電站監控系統跟PLC之間的傳輸介質是“1”和“0”的數字量，可以直接傳送至可編程邏輯控制器進行處理；如果傳輸介質是模擬量，則應先通過FX0N模塊把模擬量處理成數字量方可繼續傳送[8]。

圖3　檢測的整體框架圖Fig.3　The overall block diagram of the detection syetem

2)FX2N 控制信號

PLC是系統的主控制器，接收來自柴油機、發電機和電網的數據，然后把處理后的數據再發送出去。這些步驟要按規定的程序執行，之前要對一些條件進行判斷，依據測得到的電壓、電流、溫度、壓力等物理量進行判斷并控制系統運行。

3上位機的定制

在自動化控制系統中，PLC具有通用性高的優點而被用作中心的控制器，但其也有不足，比如存儲器的容量比較小、數據處理的速度不夠快、不能打印報表，但這些缺點在Computer Link(例如工業控制組態軟件MCGS)的利用下可以完美消除。

選用通用監控系統MCGS軟件來定制上位機界面(亦稱作人機交互界面)，使FX系列的PLC與PC機相連接的可視化界面進行集中控制。MCGS能夠在微軟公司開發的所有32位的Windows操作平臺上運行，對數據進行采集和處理后，顯示在上位機界面上，以揚聲器的形式發出報警，以順序選擇循環的流程圖方式進行控制以及以報表的形式輸出等向用戶在實際工程項目中提供實際問題的解決方案。

通過上位機上顯示的信息，操縱者可以掌控和了解設備的運行狀態，使系統的可觀性和可操作性非常強。船舶上常見到如船舶的發電機、報警器等的一些控制開關及儀器儀表將可以形象地顯示在上位機界面上，非常方便操作使用，因此上位機界面具有相當的人性化，使工作人員能一目了然地監控整個船舶電站監控系統。

整個監控系統選用1臺總控PC和3臺PLC來構成一個集中監控系統。PC機中的程序軟件必須能夠進行串口通信和控制，能在軟件開發平臺上編寫程序和調試程序，能夠布局可視化的圖形界面，能夠使用數據庫進行管理等[2]。

4船舶自動化電站實現條件

1)發電機組可以自行運行。在系統控制下，在主發電站發生故障時，可以自行啟動另外1臺柴油發電機組。在大約44 s內，輔助發電機組也能在任何時候自動運行，對船舶電網提供電能。

2)在匯流排處于失電的情況下，發電機組會自動啟動并入船舶電網中。不允許2臺或2臺以上的發電機組同時并入，不允許短路后仍然進行多次并入電網的嘗試。

3)所有電氣參數在PLC的控制下各個儀器儀表能夠被自動檢測，對電壓電流頻率等物理量數據進行實時的記錄。當發生故障時，聲光報警系統能夠在最短的時間內顯示和報警。

4)發電機組能夠自動校準并網頻率，進行并網。在已有1臺發電機組在對船舶電網進行供電的情況下，如果負載太大，需要立即并上1臺或多臺備用發電機組。系統需要檢測電網與柴油發電機組之間的頻率差，直到頻率差小于標準值時系統方會自動并入船舶電網提供電能。

5)能夠自動進行分配有功功率和自動保持頻率不變。如果僅是1只發電機組運行，那么就不用考慮功率分配，僅需要對發電的頻率進行調節，頻率的誤差精度在±0.1 Hz內。多臺發電機組并聯運行時還需要進行有效的有功功率分配，柴油機調速模塊和頻率自動調節裝置和負載的自動調整裝置一起作用，使頻率差值在±0.2 Hz的范圍內。

6)負載能夠自行按固定的順序進行啟動。主要包括以下2種情況：① 當發生自動的卸載情況時，備用柴油發電機組會隨即并入電網并向電網提供電能，已經被卸載掉的非主要負荷不允許在同一時間內投入；② 船舶電網從斷電狀態進入正常供電狀態時，負載不允許一次性全部并入，應按照等級順序分別投入，值得注意的是尤其關鍵的負載需首先起動。

7)自動按等級卸掉負載。當柴油發電機組發生故障并停止運行后，監控系統會控制進行分級卸載，把非主要的負荷全部卸去，以確保船上的主要設備能夠進行連續的正常供電。

8)能夠實現無功功率的自我調節與自我補償。其主要的實現方法包括均壓線法以及安裝環流補償設備。

9)具備自我保護功能。當船舶自身的機械結構或者電氣系統發生故障時，能夠進行自我調節進行保護，避免造成設備的進一步甚至永久性的損壞。

10)主供電站與應急發電電站之間可以實現自動轉換。

11)大負載運行時需提前申請。大的負載接入前，需要自動判斷目前的柴油發電機組是有足夠的功率，滿足負載接入的條件。如果能夠承載此大負載則可以直接接入，否則就要增大機組功率，再并入1臺柴油機組，不能發生重載或超載情況。

12)機組需要具有自動解列的功能。當一個不必要的負荷設備停止工作后，就需要對柴油發電機組進行解列，確保留下來的機組擺脫輕載的形勢。

13)機組能夠自動停止運行。當接收到停機的命令時，即使發生故障時也要能夠及時的自動停機[3]。

5監控系統的PLC軟件設計方案

船舶電站監控系統的主要工作流程包括：采集各種物理量，分析和處理數據，把物理量轉換成標準的信號讓PLC能夠接收。在特殊情況下，自動判斷異常情況并處理執行。監控系統的主要子程序模塊包括：發電機組的自行啟動模塊、自行并車子模塊、重載咨詢子模塊和自動解列模塊等。

如圖4所示，PLC電站監控程序主要有以下7個部分：

圖4　PLC電站監控程序流程圖Fig.4　Flow chart of PLC power monitor program

1)首先進行初始化工作。給所有的起動參數設置初值并啟動運行狀態監測程序。

2)第1次起動發電機時，可以忽略并車的條件判斷。首先進入第1臺發電機的啟動子程序，如果不能啟動則轉入第2臺發電機組的啟動子程序，如果第2臺也無法啟動時則轉入啟動第3臺發電機組的子程序，如果3臺發電機組都為能成功啟動則進入系統啟動失敗的報警子程序功能模塊[9]。每臺發電機預設為進行3次起動。

3)當其中1臺發電機啟動成功后，通知主程序，并進入監測是否重載的子程序模塊，判斷是否發生重載，如發生重載主程序再調用并車子程序模塊。

4)檢測完待并發電機與電網的電壓差、頻率差、相位差等參數后立即調用頻率調節的子程序模塊。只有以上3個參數都滿足后方可并入船舶電網，否則需要啟用另1臺發電機。

5)滿足并車的條件后,調用并車子程序，并車子程序中再調用調頻調載子程序，保證船舶電網的穩定運行。

6)主程序中循環掃描運行狀態，不能有負荷不當或者故障等情況的發生。當輕載時，則需要調用解列子程序，停止發電機組的運行；當重載時，需調用自動并車子程序。

7)當發生故障需要停車或者是啟動失敗時則調用聲光指示子程序模塊[5]。

6監控管理系統關鍵部分設計

PC機是船舶電站監控系統的中心，能夠實現對船舶電站中設備的運行狀態進行實時在線監控，并在特殊情況下可報警警示工作人員進行干預。

1)監控系統的配置框架。船舶上的用電設備所處的環境比較惡劣，這與內陸的用電設備大不相同，因而對船用電氣設備提出更加苛刻的硬性要求。船舶電站與PLC控制器之間連接框圖如圖5所示。

圖5　船舶電站與PLC控制器之間連接框圖Fig.5　The connection block diagram between the ship power　station and the PLC controller

2)監控子程序。包括對各個柴油發電機組的參數設置并控制、對所采集的物理量進行組態和對船舶電站進行監控。船舶電站與PLC控制器之間連接框圖如圖5所示，其中所要采集的物理量主要包括：電網的電壓、電流、頻率和功率等參數，并網發電機組的電壓和頻率等參數，柴油機各種壓力參數以及柴油機的介質溫度和轉速等參數。

3)監控管理系統最重要的功能是把關鍵數據參數的走勢實現在上位機界面繪制并顯示，另外把以前的數據進行分析統計，并把結果存儲起來，生成各種報表并把數據保持在數據庫中，需要使用時可以由Excel等工具軟件進行展示，便于以后的統計分析[4，7]。

圖6　船舶電站監控管理系統結構圖Fig.6　Structure diagram of ship power monitoring and　management system

7結語

可編程邏輯控制器PLC具有可靠性強、功能強大等優點，本文對基于PLC的船舶電站監控系統進行了設計與分析，系統基本能夠滿足船舶電站監控系統的自動化監控性能要求，實現對船舶電站工作狀態的實時在線監控。如果監控系統提高更好的性能要求，則需采用智能控制的策略使其具備故障自動預測、自我診斷等的功能。

參考文獻：

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LI Wen-hua,QIU Zhi-qiang,SUN Yu,et al.Study of the real-time monitor system of shipping power plant based of CAN fiel-dbus[J].Ship Science and Technology,2005,27(2)：39-41,59.

[9]杜曉滔.基于PLC和串行通信的船舶電站監控系統的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2008.

Research of ship power station monitoring system based on PLC

ZHENG Wei-sheng

(Jiangxi Manufacturing Polytechnic College Department of Information Engineering,Nanchang 330095,China)

Abstract：With the rapid development of electronic technology and computer technology and the need of ship power station monitoring system is growing. The ship power station monitoring system is responsible for controlling and monitoring electrical equipment on ships, which is crucial part of the ship. In order to improve the reliability and automation of the entire system of ship power station, so the paper does research on ship power station monitoring system based on PLC.

Key words：monitoring system;PLC;ship power station

作者簡介：鄭偉勝(1969-)，男，碩士，副教授，研究方向為電子技術應用及教學。

基金項目：江西省教育廳教改課題資助項目(JXJG-14-70-4)

收稿日期：2014-05-18； 修回日期： 2014-09-03

文章編號：1672-7649(2015)02-0148-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.032

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A