基于PLC的海面電站監控系統研究及仿真

李 莉，顧凌云，喬文娟

(銀川能源學院，寧夏 銀川751603)

0 引 言

海面環境惡劣，經常出現狂風暴雨，所以在海面作業非常有危險性，很具有挑戰性。為了使海面上作業能夠得到有效的保障，對于電站的監控就顯得尤為重要。隨著科技的迅速發展，海面作業的復雜程度越來越高，所以對于監控也需要更加智能化，使得可以滿足功能多樣化，操作簡單化。在計算機及網絡技術的迅猛發展之下，對于電站的監控也有了巨大的改進，海面電站逐步向系統智能化、操作簡單化、結構復雜化、自動化程度高等趨勢發展，使得操作更加人性化。現場總線控制技術使得控制系統更加有結構性，管理方便，為后續維護等提供了有利條件，需要對海面電站的監控技術做更深入的現場總線研究。目前國內外對于海面電站的監控研究也比較深入，基于PLC 的海面電站監控具有一定的優勢，所以本文提出基于PLC 的海面電站監控系統。結合海面電站的特點及目前海上作業發展的復雜程度，總線控制已經體現出自己的優勢，但是還需要進一步提高其可靠性及實時性。本系統結合PLC 及仿真軟件Matlab 來實現對海面電站監控系統的設計及仿真［1］。

1 海面電站監控系統的組成

本設計先從整體上說明系統的結構，以及組成結構所用到的硬件設備。通過介紹各個設備及子系統的功能來對結構進行分析，介紹以PLC 為核心控制的控制系統功能，包括電網頻率調節、功率分配、負載轉移等。同時還具有監測保護的功能，若檢測到異常，可以自動執行聲光報警器并采取相應保護措施。還有一些功能需要PLC 來完成。運行時采用主程序調用子程序的形式進行，各子程序采取模塊化編程。本系統的主要模塊有重載詢問模塊，備用機自啟動模塊，自動并車模塊，自動負荷分配模塊，自動解列和停機模塊［2］。

海面電站監控系統結構原理如圖1 所示。各PLC 作為核心控制器對各個系統之間的邏輯關系進行調配，并且做出一定的決策指令，使得各個功能有一定的邏輯性，保證監控系統的良好運行。

圖1 電站監控系統結構原理圖Fig.1 Power monitoring system structure diagram

2 系統硬件設計

此硬件組成的系統工作流程大致如下所述:各機組上帶有不同的傳感器，可以把發電機的各種參數傳遞給機旁控制箱。機旁控制箱可以與PLC 之間交換信息，也可以與PPU 之間交換信息，把一些參數經簡單處理傳出去的同時也接受PLC 以及PPU發來的一些控制指令。然后把這些指令傳達給執行器，來達到對柴油機參數進行調節的效果。

PLC 與PPU 是此系統的控制核心，西門子S7 -300PLC 做主站，PPU 做從站。PLC 主要控制機組的啟動、解列、停機等。通過Profibus -DP 總線，連接各個PPU，處理上位工控機、PPU、機旁控制箱傳來的數據信息。從站PPU 則負責采集各發電機組以及電網的各種參數，把一些模擬量參數轉化為數字量，通過Profibus -DP 總線，把數據信息傳遞給PLC，同時接收來自PLC 的控制命令，把指令傳遞給機旁控制箱，以實現準同步合閘并車的控制以及各機組與電網各運行參數的監測等功能。上位機通過一MOXA 四口交換機，經以太網通訊，與PLC 進行通信，把各機組以及電網的參數顯示到工控機顯示屏上，并可以通過顯示屏的操作，來控制整個系統。同時，通過交換機還可以連接其他設備，比如打印機與AMS 報警系統。硬件框架如圖2 所示。

圖2 監控系統硬件框架Fig.2 The hardware framework of monitor and control system

3 系統軟件設計

PLC 的目的就是將連續的模擬信號進行處理，要實現控制，還需要對采集到的信號予以編程。一旦電站中出現異常，就立即報警，軟件設計方面就需要點亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機，在電腦上進行可視化檢測，對于有必要的人工操作，在通過界面按鈕等功能，實現對PLC 的人機操作。

3.1 軟件功能設計

西門子S7 -300PLC 的編程軟件為STEP7，能快捷高效的實現模塊化編程應用程序的開發。它提供了3 種編程方式，分別為語句表、梯形圖和功能塊圖，它是通過項目的方式來對自動化編程系統進行管理。它的項目建立流程圖如圖3 所示。

用戶通過OB 操作界面來實現對控制程序的運行，FB 為帶記憶的功能塊，FC 為不帶記憶的功能塊，FB 與FC 都是用戶自己的程序。FB 功能塊之所以有記憶，是因為它有一個數據結構完全等同于它的附屬數據塊(DB)，FB 調用它的時候DB 數據塊便被打開，結束后便會關閉。而FC 功能塊則沒有這種附屬數據塊，沒有記憶功能。

海面電站監控軟件能夠在海面作業過程中對現場的控制和實時監測設備各參數的同步進行，為保證監控軟件功能正常的運行，應具備以下功能:

圖3 STEP 項目建立流程Fig.3 The setup progress of STEP project

1)顯示與監測電站運行狀態及參數:為了能夠及時確認電站的工作狀態，船舶電站監控系統能夠顯示電站的基本參數。通過所顯示的參數，確認電站的運行狀態以及船舶的航行狀況。

2)對故障的處理:根據監控系統所顯示的數據，能夠判斷船舶電站的運行狀況，并能夠及時的確定故障以及故障發生的原因。當確認故障，能夠及時報警，并能確認故障類型［4］。

3)信息的顯示、存儲:當有故障報警時，通過觸摸屏的監控界面，判斷故障類型，并根據界面的顯示，能夠確認故障發生的時間以及持續時間等。在控制系統內有儲存卡，將信息儲存起來。

3.2 軟件功能設計

PLC 有主程序、子程序和中斷程序之分。每一個掃描周期，主程序都要被執行一次，小的控制系統一般可以只有一個主程序而不涉及子程序和中斷程序。當系統比較復雜或規模比較宏大的時候，如果把所有的控制功能都編入主程序，主程序將會出現難調試、難閱讀、運行吃力、運行時間長等情況，并且也不易于維護。而子程序便很好的解決了這種問題，當主程序運行的時候，會在需要的時候調用子程序，子程序只需要編寫一次，它便一直在那里等待調用。執行完子程序以后，系統便會自動跳出子程序返回繼續執行主程序。中斷程序用于快速響應中斷事件。在主程序運行的過程中，由于某種可能條件的觸發，主程序需要中斷去執行編寫好的中斷程序。當中斷程序執行完畢后，系統便會返回到之前被暫停處繼續執行主程序。

本設計用模塊結構，實現下位機PLC 的各個控制程序。運行時采用主程序中斷調用子程序的方式進行，其中各子程序采取模塊化編程。本系統的主要子程序模塊有備用機自啟動模塊、自動并車模塊、自動負荷分配模塊、自動解模塊列和停機模塊等。

在監控系統正常運行過程中，需要判斷確定船舶電站的各種工作狀態，其過程如圖4 所示，具體工作流程如下:

1)程序運行之后，首先要對程序進行初始化，這一操作為程序的運行提供準備條件，在程序初始化完成之后，接著進行下一步，狀態監控循環。

2)當發電機首次運行之后，對電壓頻率狀況進行確認核實，然后可以直接并入電網，在并入電網過程中，可以不考慮并車的條件。

3)正常工作的發電機在啟動之后合閘，然后給電網輸電，合閘之后的程序通過單機運行。單機運行的過程中，需要監控多方面的狀況，不僅需要實時監測運行機的重載、故障情況、發電機運行狀況，還需要進行重載詢問。在運行過程中，系統自動判斷機組是否夠用，若能完成任務則繼續單機運行。

4)當單機運行不能完成任務時，啟用備用機組，啟動子程序與處理故障事件時的子程序一樣。

5)第1 個電機成功啟動之后，還需要進行監測并車，并根據檢測狀況，判斷是否滿足并車，條件符合后繼續進行自動并車子程序。

6)實時對整個機組的運行狀態進行監測。根據監測所得出的故障原因作出不同的反饋。當出現輕載情況時，通過調用自動停機、解列模塊等解決問題，保證是安全、經濟運行。當在監測過程中發現重載問題時，則需要變更程序，通過再次調用自啟動模塊、自動并車模塊以及調頻調載模塊，如此循環往復。

當系統監控功能判斷需要增機的時候，包括電網失電超過設定的延時時間、預測可用功率低于設定的啟動限制值、運行機故障需要換機時，系統便會產生自動增機的信號。此時也會檢測啟動的必要條件，當滿足條件時，則啟動開始。設置好發電機組啟動的優先級。當第1 次啟動失敗后進行第2 次啟動，第2 次也失敗后進行第3 次啟動，當第3 次也失敗時，宣告啟動失敗，執行報警程序，同時啟動第2 臺發電機組，以此類推。啟動成功后，則繼續執行下一步單機調頻調壓或自動并車。

圖4 船舶電站自動監控主程序流程圖Fig.4 Ship power station automatic monitoring main program flow chart

4 系統仿真

仿真系統軟件采用Matlab，其在電力系統模型及算法的仿真過程中有著強大的功能，仿真過程比較簡單，可以實現很強的仿真效果，其開放式的結構可以讓用戶進行自主功能模塊的設計。在接口方面有多種語言的接口，包括VB、VC 等高級語言的接口，所以在程序編寫方面通用性很強，兼容性好。Matlab 可以通過硬件來直接進行驅動，使得其驅動性更好。軟件中自帶的數據采集系統動態連接庫(DLL)可以實現計算機與海面監控系統以外的設備進行信息交互。

本文基于以上分析，搭建了海面電站監控系統的仿真模型，并進行仿真試驗。監控系統仿真波形如圖5 所示，仿真系統實現了對電站系統的電壓、電流、頻率和功率的仿真，模擬了海面電站電力系統的運行狀況。

為了更直觀的了解電站系統的工作狀態，一般監控系統都通過Labview 等軟件，在上位機上編輯可視化顯示界面，來實時顯示海面電站的各種參數。本文由于篇幅所限，不再做詳細介紹。

圖5 監控系統仿真波形Fig.5 The simulation waveform of the monitoring system

5 結 語

海面電站在作業過程中扮演的角色越來越重要，海面電站監控系統對于了解海面電站的運行狀態，保證海面作業電能的有效安全的使用起著重要的作用。本文利用PLC 控制芯片，對海面電站監控系統進行了設計，并結合Matlab 仿真軟件對其進行仿真。監控系統可以較好的實現電站工作狀態監控的可編程控制，可以實現電站整體工作狀態的顯示、故障信息的顯示、存儲和報警功能，可有效保證船舶的安全性及可靠性。

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