船舶電站自動化管理系統的設計與研究

摘 要：隨著造船技術的進步，船舶對電站管理系統的經濟性和可靠性要求逐漸提高，其運行的可靠性對船舶安全行使有很大意義，對船舶自動化程度的要求也越來越大。本文首先對船舶電站自動化管理系統進行了概述，然后分析了該系統的主要功能，最后從硬件和軟件的角度提出設計思路，以供廣大讀者參考。

關鍵詞：船舶電站管理系統；硬件設計；軟件設計

一、船舶電站自動化管理系統概述

船舶電站是整個船舶系統的重要組成部分，其運行的可靠性對船舶安全行使有很大意義，并且隨著現代船舶信息化技術的發展，船舶電站管理也開始向自動化和智能化方向靠攏。船舶電站自動化管理的優點主要包括：提高船舶電站供電能力、減少船員值班強度、維持供電的可靠性和持續性、提高船舶運行的效率等。

我國船舶自動化技術在發展過程中從當初的有觸點控制系統逐漸向無觸點控制系統轉變，所以電路控制系統也發展為規模化、模塊化和結構化的集成電路。目前我國很多船舶電站都采用了微機來控制，從而促使控制體積和重量大大下降，可靠性也得到了很大提高，控制方式也逐漸向軟件控制過渡，使操作使用起來更加便捷。

集散控制系統是在一些先進的船舶電站自動化管理系統方面采用的主要設置系統，這種系統具有顯示方式靈活、連接方式容易更改、數據存儲量大等優勢，并且在管理中還具有控制功能分散、可靠性高等優點，所以會逐漸取代計算機集中控制系統。

二、船舶電站自動化管理系統的主要功能

船舶電站管理系統主要是為了保證整個船舶的供電正常、提高勞動生產率、降低電站產生的費用等，并且隨著自動化程度的提高，電站已經開始從以往那種局部的控制轉向目前更為集中和綜合的控制，成為整個船舶自動化的重要組成部分。

詳細來說，船舶電站自動化管理系統的主要功能包括：第一，船舶電站管理系統可以自動啟動備用發電機組，可以解決持續供電問題。當備用發電機處于停機狀態時，如果有命令發電機啟動的信號想起，那么這臺備用發電機就會自動啟動。第二，船舶電站管理系統可以準同步并聯進行，降低成本。當備用發電機啟動后，并且電網上已經有了發電機供電，這二者之間就可以實現配合工作，將啟動的發電機自動并入到電網中并聯使用。第三，船舶電站管理系統可以實現自動分配有功功率。如果電站中出現兩臺機組并聯運行的情況，那么管理系統可以使電網頻率維持在恒定狀態，將有功功率按照機組容量比例分給兩臺機組。第四，船舶電站管理系統可以將解列的發電機組負載轉移到正在運行的發電機組，然后還可以自動接收跳閘命令實現解列。第五，船舶電站管理系統可以自動卸載單元，如果電網負載超過了一定限度后，可以將次要的負載卸載。第六，船舶電站管理系統可以自動分配無功功率，管理系統可以自動調節單元，將電網電壓維持在恒定狀態，并能夠自動調整并聯狀態下的無功功率。

三、船舶電站自動化管理系統的設計

（一）船舶電站自動化管理系統的硬件設計

首先從信號的采集和處理方面來分析，信號主要在發電機、柴油機和S7—300PLC測控單元之間傳遞，發電機的信號由電影、與電網的相位差產生；柴油機的信號包括各缸排煙溫度、冷卻水溫度、冷卻水壓力、滑油壓力等部分組成；S7—300PLC測控單元的控制信號主要包括柴油機啟動、聲速脈沖、發電機并網合閘等內容。測量控制單元選擇了集散式船舶電站管理系統，可以直接與柴油機、發電機和電網相連，從而完成對整個電站的控制，電站機組的測量控制單元主要有開關量輸出入、鍵盤輸入、模擬量輸出入等。檢測單元是電站管理系統中非常重要的部分，主要是對現場信號進行采集，如實反映測控對象的狀態，滿足可靠性的要求。

其次從準同步并聯控制單元功能的實現設計來看，該單元的主要功能包括：第一，對準備并發電機和運行發電機的相位差、頻率差等方面進行檢測，如果沒有符合并聯運行的要求，但那么久不能發出合閘命令。第二，對準備并發電機電壓和正在運行發電機電壓的頻率差進行檢測，并發出調頻信號，將二者的頻差減小到滿足合閘的要求。第三，如果頻率差和電壓差都滿足了要求，那么該單元就要提前發出合閘命令，從而實現自動準同步并聯。電壓信號、頻率信號和信號的檢測是這一設計的主要內容，從電壓信號的檢測來看，電壓條件應該滿足PLC模擬量模塊的要求，并采用電壓比較器來檢測，如果檢測到電壓沒有滿足要求那么就要發出報警信號。從頻率信號的檢測來看，這一檢測時為了實現自動調頻功能，可以采用光電編碼器來材質，控制對象頻率為50Hz。從相位信號的檢測方面來看，這是為了實現自動并聯運行，也是其中的難點，在檢測過程中要考慮到各種環境下的合閘動作時間，并根據檢測的相位差等要素來計算合閘提前量。

最后從自動調頻調載單元的功能設計方面來分析，這一單元的主要功能包括：第一，維持電力系統頻率在恒定位置；第二，在接受解列命令后能夠自動控制負荷轉移，并且在一定情況下還可以自動分閘，從而與電網脫離；第三，根據發電機組容量的比例進行負荷分配。這一單元的設計內容包括頻率調節的實現和有功功率的分配。頻率調節的實現需要安裝超頻閉鎖限值，這樣在頻率達到某種高限后，就可以禁止加速條件，從而閉鎖加速調節信號，另外還會發出警報。有功功率轉移和分配功能的實現是在控制器發出控制信號后，可以適當地加大油門，從而減少網機的油門，這樣既實現了有功功率的轉移；而有功功率的分配則是在發電機組并聯運行狀態下系統總負荷會按照有差調節特性來平均分配給并聯的多臺機組，還可以進行二次調節。

（二）船舶電站自動化管理系統的軟件設計

首先從自動啟動模塊的子程序設計方面來看，這一程序是在電網功率不夠的情況下發出增機信號，同時還可以檢測到備用發電機的條件。如果出現了以上情況，那么該程序就會發出信號，子程序會檢測是否存在機械故障，如果有故障就要轉向下一臺備用機組。目前在這一程序中還利用了計算機技術，可以發出自動啟動的決策，主要呈現檢測就可以聽到信號后啟動。

其次從自動準同步并聯子程序設計方面來分析，該程序可以自動判斷目前電站所處的狀態，所以需要在該項程序中加入狀態變量，那么在并聯運行中，就可以對狀態變量進行循環讀取和分析，并根據判斷的結果來決定各個子程序模塊的使用。頻率檢測程序設計也是其中非常重要的內容，這一程序設計中的脈沖寬度要根據頻差來決定，從而將調節次數控制在最小的范圍內，這樣既避免了振蕩，有能夠快速解決問題。

最后從自動調頻調載程序設計方面來分析，這一程序主要是對電站的工作情況進行監控，編制這一系統的程序需要對船舶電站自動調頻調載功能進行分析。根據檢測的自動調頻調載功能來編寫控制程序，同時還有利用模塊化設計思路，這樣就可以完成穩頻和均功的作用，所以其中的子程序主要包括均功模塊和穩頻模塊，在發送報警時可以使用相應的子程序模塊。在對自動調頻調載的控制軟件進行設計時，主要模塊包括解列控制模塊、功率檢測模塊頻率檢測模塊等方面，而主模塊程序在設定時注意過程應該包括：第一，如果是單機運行，那么就應該執行單機穩頻調節；第二，如果是并聯運行，并且負載也沒有達到一定限值，那么就應該使用調頻調載程序模塊；第三，如果在并聯運行時，負荷達到了一定限值，那么就應該使用解列模塊，然后再進行網機的穩頻操作。

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