電力推進系統實時監控平臺的研究

高 燕， 張 菁， 李亞軒， 劉 瑾

(1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620； 2.山東大學 控制科學與工程學院，濟南 250061)

電力推進系統實時監控平臺的研究

高 燕1， 張 菁1， 李亞軒2， 劉 瑾1

(1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620； 2.山東大學 控制科學與工程學院，濟南 250061)

采用三相異步電動機模擬螺旋槳負載，應用PLC、變頻器、推進電動機和螺旋槳仿真電動機等通過CC-Link現場總線構建了電力推進系統實時監控平臺；并給出了系統的數據采集程序和控制程序。實驗結果表明,該電力推進系統在不同工況下的工作狀態和螺旋槳特性。本系統已實際應用于船舶電力推進系統的實時監控。

電力推進； 螺旋槳負載仿真； 實時監控

0 引 言

20世紀80年代以來，交流電動機變頻調速技術的日漸成熟得益于電力電子技術的快速發展[1-3]，相對于傳統機械推進方式,電力推進方式的優點不斷顯現[4]，使得船舶電力推進方式迎來了一個蓬勃發展的新時期[5]。電力推進方式的系統作為一種被廣泛采用的先進船舶推進系統，是現代化船舶發展的必然趨勢[6-7]。現代化的船舶電力推進系統已全面融合了交流變頻調速技術、最先進的數字控制技術和網絡技術[8-10]。因此，進行船舶電力推進系統研究，對我國航海事業的發展具有重大意義[11-14]。

船舶電力推進系統主要由監測與控制功能構成。本文從船舶電力推進系統的結構組成出發，構建了集監測與控制一體化的小比例半實物船舶電力推進仿真系統。為了保證船舶電力推進系統設備間高速、大容量、穩定的數據通信,該系統運用CC-Link現場總線技術，并選用RS-232串口通信實現PLC與監控計算機的連接。

1 船舶電力推進仿真系統概述

本設計選擇三相交流異步電動機作為推進電動機，采用變頻器驅動推進電動機并對推進電動機進行變頻調速控制。船舶電力推進系統主要由推進電動機、螺旋槳和調速控制系統三部分組成，在船舶電力推進系統研究中，用物理模擬實現螺旋槳負載的仿真是一種常用的實驗方法，本設計利用一臺三相交流異步電動機模擬真實螺旋槳的工作特性，為推進電動機提供仿真的負載轉矩，通過一臺變頻器控制螺旋槳仿真電動機的轉矩。

負載變頻器、螺旋槳負載仿真電動機和負載控制單元組成負載模擬子系統，控制螺旋槳仿真電動機的輸出轉矩，實際模擬螺旋槳運動特點。推進變頻器、推進電動機和推進控制單元組成推進子系統，控制推進電機的轉速。本設計選擇可編程控制器(PLC)作為兩個子系統的控制單元，控制功能由軟件實現。船舶電力推進仿真系統原理框圖如圖1所示。

圖1 船舶電力推進仿真系統原理框圖

2 船舶電力推進系統仿真平臺的構建

系統設兩個PLC，PLC1位于集中控制室，是系統的控制單元；PLC2位于變頻器附近，作為PLC1的遠程模塊，通過其模擬量輸入模塊為PLC1采集轉矩轉速傳感器的信號。PLC1、PLC2、推進變頻器和負載變頻器通過CC-Link現場總線連接，船舶電力推進仿真系統的控制結構如圖2所示。

圖2 船舶電力推進仿真系統結構圖

該系統集控制、監測與報警一體化，主要實現的功能為：①推進子系統的轉速控制；②負載模擬子系統的轉矩控制；③實時監測兩個子系統的重要參數和狀態，包括推進變頻器和負載變頻器的輸出頻率、輸出電壓和輸出電流，推進電動機和螺旋槳仿真電動機的轉速和轉矩等。

監控計算機或操縱臺向PLC1發送控制命令，如推進電動機正轉、反轉、停止、轉速給定命令；PLC2通過其模擬量模塊接收轉矩轉速傳感器的信號，轉化為對應的實際轉速值和實際轉矩值，通過CC-Link現場總線將轉矩測量值、轉速測量值實時傳輸到PLC1；PLC1根據控制命令、轉速測量值、轉矩測量值計算控制量，實現對推進子系統的轉速閉環控制和負載模擬子系統的轉矩閉環控制。

PLC1通過CC-Link總線從推進變頻器和負載變頻器實時讀取兩個子系統的重要參數和狀態，上位機再通過RS-232串口從PLC1讀取這些參數。

PLC1、PLC2均選擇三菱FX2N系列PLC，推進變頻器和負載變頻器選擇三菱FR-F500系列變頻器。要實現CC-Link通信，需要為每個設備配置通信模塊并設置站號。本文將PLC1設為主站，PLC2、推進變頻器和負載變頻器為遠程設備站。系統配置如表1所示。

表1 系統配置

CC-Link現場總線系統在硬件連接設置無誤后，為了啟動數據鏈接還需進行通信初始化設置。三菱FX2N系列PLC作為CC-Link主站時，通信初始化設置通過PLC編程實現。在調試階段，主站PLC編程將通信初始化參數寫入FX2N-16CCL-M的緩沖存儲器的相應地址中，然后通過緩沖存儲器的參數啟動數據鏈接，正常啟動數據鏈接后再將參數寫入EEPROM中；在程序運行階段，則通過EEPROM的參數啟動數據鏈接。

3 系統軟件設計

實現該系統功能的軟件設計包括：①推進電動機轉速閉環控制和負載電動機轉矩閉環控制；②系統重要參數監測，即下位機數據采集程序；③主站PLC1與上位監控計算機的串口通信程序。

系統控制程序和下位機數據采集程序皆由主站PLC實現；根據三菱FX系列PLC與計算機通信的專用協議，FX系列PLC與計算機通信時由計算機編程向FX系列PLC發送數據讀寫請求，PLC自動響應不需要編程。由于篇幅所限，本文只介紹主站PLC中的軟件設計。

主站PLC采用PID控制算法實現推進電動機的轉速閉環控制和負載電動機的轉矩閉環控制。FX2N系列PLC提供了PID控制用的功能指令，用戶不需要對PID運算編程，使用時只需設置一些控制參數。推進電動機的轉速在某些速度值時，可能引起船舶共振或電動機速度振蕩，稱為臨界轉速。在臨界轉速時，推進電動機轉速振蕩則導致負載仿真電動機轉速不穩定，所以推進電機應避開臨界轉速。系統主程序流程圖如圖3所示，控制子程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 系統控制子程序流程圖

主站PLC通過CC-Link從推進變頻器和負載變頻器的通信模塊FR-A5NC中讀取系統需要監測的各個參數。FR-A5NC的遠程寄存器RWw0存放監控代碼，RWr0中是由RWw0指定的監測值。PLC向FR-A5NC的RWw0寫入監控代碼并置位監控命令RYC，RWr0中的監測值就不斷更新，同時監控狀態位RXC被置位為ON。PLC從RWr0中讀取監測值后向RWw0寫入下一個監控代碼，由于所有監測值共用同一個地址RWr0，為避免錯誤地存取，PLC讀取上一個監測值后應復位監控命令RYC，這樣監控狀態位RXC也被復位，在下一次讀取之前先判斷監控狀態位是否被重新置位。從兩個變頻器中采集數據的過程相同，本文僅以采集推進子系統的參數為例，推進變頻器的通信模塊FR-A5NC的相應緩沖存儲器在主站FX2N-16CCL-M中的映射地址如表2所示。

表2 緩沖存儲器地址映射表

主站PLC的D0預置監控代碼，系統需從變頻器采集輸出頻率、輸出電流、輸出電壓和運行速度4個監測值，所以在不同時刻向D0寫入如下對應監控代碼(十六進制):輸出頻率,0001H；輸出電流,0002H；輸出電壓,0003H；運行速度,0006H。

主站PLC將D0中預置的監控代碼寫入BFM #01E4H，同時置位BFM#0162H b12，則BFM#02E4中的監測值被不斷更新。PLC將讀取監測值時，同時復位BFM#0162H b12，然后向BFM #01E4H寫入下一個監控代碼。4個監測值從BFM #02E4H分別讀出到D1、D2、D3和D4，程序中使用了變址寄存器簡化編程，數據采集子程序流程如圖5所示。

圖5 數據采集子程序流程圖

4 結 語

本文采用較高實時性和可靠性的CC-Link現場總線以及目前廣泛應用的RS-232串口通信技術，能夠在實驗室條件下構建船舶電力推進系統仿真平臺。經多次測試，該系統的數據傳輸滿足實時性的工業實際要求，實現了對船舶電力推進仿真系統的實時監測與控制。船舶航行時遠離陸地、工作環境惡劣[15-16]，本文的設計能夠很好地滿足船舶電力推進系統對實時性和可靠性的高要求。

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The Research on Real-time Monitoring Platform of Electric Propulsion System

GAOYan1，ZHANGJing1，LIYaxuan2，LIUJin1

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China； 2. School of Scientific Control and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

In this paper, a three-phase asynchronous motor was used to simulate propeller load, and PLC, inverters, propulsion motor and propeller simulation motor were used to build the simulation platform of electric propulsion system by CC-Link field bus. The data collection program and control program of this system were introduced. The results of many experiments showed that the system can simulate the working states and provide the propeller’s characteristics of the marine electric propulsion system under different operating regimes. In addition, the system has been applied in real-time monitoring in electric propulsion system.

electric propulsion; propeller load simulation; real-time monitoring

2016-07-25

國家自然科學基金項目(61503238)；上海市教委資助基金項目(ZZgcd14015)

高 燕(1985-)，女,上海人,博士,講師，主要研究方向為隨機神經網絡,傳感器網絡控制及工業過程控制。

Tel.:15026791158;E-mail:gy@sues.edu.cn

TP 274

A

1006-7167(2017)03-0083-03