基于PLC S7-1200的船舶電站綜合保護裝置的設計與實現

勞 山，吳志良

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基于PLC S7-1200的船舶電站綜合保護裝置的設計與實現

勞 山，吳志良

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026)

船舶電站綜合保護裝置是為保證船舶電站乃至船舶的安全運行而設置的。本文根據船舶電站綜合保護的基本原理，選用西門子公司的S7-1200 系列PLC作為核心控制器，設計了船舶電站綜合保護裝置。為了提高可靠性，本文還設計了船舶電站綜合保護裝置的后備保護環節。經實驗室試驗驗證，該船舶電站綜合保護裝置可以穩定、可靠地完成設計的功能，實現船舶電站的綜合保護。

船舶電站 綜合保護裝置 信號采集 后備保護

0 引言

隨著船舶技術的發展，船舶對于電站的自動化程度要求也越來越高，船舶電站自動化是船舶機艙自動化的重要組成部分。船舶電站的安全、可靠運行關系到船舶的安全航行和經濟運行。船舶電站的綜合保護裝置就是為了保證船舶電站安全、可靠運行而設置的[1]。船舶電站的綜合保護裝置主要功能是實現對船舶同步發電機的過載、短路、欠壓和逆功率四種保護。

本文設計的船舶電站綜合保護裝置采用西門子公司生產的S7-1200系列PLC作為核心控制器。S7-1200 PLC將邏輯控制、網絡控制以及人機界面集成于一體，具有模塊化、結構緊湊、功能全面、組態靈活、集成工業以太網通信接口和指令集功能強大等特點[2]。其強大的功能以及高的可靠性適合應用在工作環境惡劣的船舶上[3]。

1 信號采集

信號采集包括數字量信號（如發電機主開關的合閘狀態和分閘狀態等）的采集和模擬量信號（如發電機和匯流排的電壓、電流等參數）的采集。

1.1 數字量信號的采集

數字量信號的采集由CPU1214C DC/DC/DC模塊和SM 1223DC/DC模塊完成，這兩個模塊可接收的數字量信號為DC 24V。

1.2 模擬量信號的采集

模擬量信號的采集由CPU1214C DC/DC/DC模塊和SM 1234 AI/AQ模塊完成，S7-1200 PLC可接收的模擬量信號為DC 0-5V。本文設計中發電機電壓信號的獲取方法是，通過電壓互感器將發電機的電壓變換成AC 0-100V信號，然后將電壓互感器的二次側信號送到電壓變送器變換成PLC模擬量模塊可接收的DC 0-5V信號。發電機電流信號的獲取方法同發電機電壓信號的獲取。其中電壓變送器和電流變送器采用的是北京敬業電工集團生產的電量變送器，其參數如表1所示。

2 綜合保護裝置的設計與實現

我國《鋼制海船入級規范2012》規定，針對船舶低壓同步發電機不正常運行或故障情況，主要應該設置過載、短路、欠壓和逆功率四種保護[4]。本文主要設計完成了上述的四種保護，整定值依據我國《鋼制海船入級規范2012》設定。船舶電站綜合保護裝置的基本組成框圖如圖1所示。

2.1過載保護的設計與實現

對于過載保護，船舶同步發電機都設置有自動調壓器，其作用是維持發電機電壓維持在額定值。由于船舶發電機的電壓基本維持恒定，當出現過載故障時，發電機的電流會超出正常值，所以通過檢測發電機的過電流就可以實現過載保護[5]。

本文根據所使用試驗平臺的實際情況設置如下：當發電機電流超過其額定電流的10%，經過延時2 min發出聲光報警信號，值班人員可以根據實際情況進行增加發電機組數或者切斷次要負載來保證船舶的安全航行；當發電機電流超過其額定電流的30%，經過延時25 s自動發出斷開發電機主開關命令并發出聲光報警。如圖2所示為發電機過載保護的流程圖。

2.2短路保護的設計與實現

如果出現短路故障，船舶發電機定子繞組到故障點會產生非常大的短路電流，該短路電流的機械和熱效應會對船舶發電機造成毀滅性的傷害。短路保護也是通過檢測發電機的電流來實現的。

在短路保護的設計中，既要保護發電機又要盡可能保證不中斷供電。因此本文短路保護的設計有短路短延時保護和短路瞬時保護兩種保護來兼顧保護的選擇性和快速性。

實現保護選擇性的兩個原則是時間原則和電流原則。時間原則要求從發電機端到負載端逐級減小各保護延時的整定，電流原則要求從發電機端到負載端逐級減小各保護動作電流值的整定。

圖2 發電機過載保護流程圖

本文根據上述兩個原則，結合我國《鋼質海船入級規范2012》以及試驗平臺的實際情況，確定短路短延時保護的啟動電流整定在發電機額定電流的200%，延時時間為0.6 s。

在短路短延時保護的設計中，越靠近發電機端的延時時間越長，而實際情況中越靠近發電機端的短路電流越大，要求保護裝置能夠迅速動作。這是相互矛盾的，因此引入短路瞬時保護進行補充，從而減小發電機端短路給發電機造成的傷害。根據我國《鋼質海船入級規范2012》以及試驗平臺的實際情況，確定短路瞬時保護的啟動電流整定在發電機額定電流的600%，瞬時跳閘。

2.3欠壓保護的設計與實現

對于欠壓保護可以通過檢測發電機的電壓來實現。設計欠壓保護的目的是分斷在網運行的低電壓發電機，不允許低電壓的發電機并網。

發電機欠壓保護值在整定時要躲過大負載啟動時造成的電壓下降。根據我國《鋼質海船入級規范2012》以及試驗平臺的實際情況，發電機電壓降到額定值60%時延時2.5 s斷開發電機的主開關，發電機的電壓降到額定值的30%時瞬時斷開發電機的主開關，從而保護發電機。另外，當電壓低于80%的額定值時，本文設計不允許該發電機進行合閘操作。

2.4逆功率保護的設計與實現

本文設計通過功率檢測單元進行逆功率的檢測，其原理圖如圖3所示。將功率檢測單元輸出的逆功率信號傳送給PLC，由PLC控制發電機主開關的分斷。圖3中的場效應管Q1為功率檢測器件，A相電壓信號加在Q1的柵極上，控制Q1的導通，而A相電流信號加在Q1的源、漏極之間。這樣，電容C1上的電壓平均值比例于發電機的有功功率，證明如下：

令：

（2）

當Q1導通時，，此時，則C1上的電壓平均值U為：

(3)

由（3）式可以得出U與有功功率成正比，當出現逆功率時，> 0。圖3的運放YB為逆功率保護啟動器件，YB的5點電位為逆功率的實測值，4點電位為逆功率保護整定值（通過R11可以調節整定值，本文逆功率保護的整定值調整在10%Pe）。當逆功率的實際值大于整定值時，YB輸出高電位信號給PLC，PLC延時5 s斷開發電機主開關。

3 后備保護環節的設計與實現

上述綜合保護裝置由一臺PLC實現，但是當PLC直流電源發生故障或PLC的硬件發生故障時，發電機的保護環節便失去了作用。對此，設計了發電機后備保護環節。

3.1 硬件設計

本文后備保護環節的設計實現了在主保護PLC發生故障不能工作后，由另一臺后備保護PLC取代實現發電機的保護功能，以提高保護環節的高可靠性。主保護PLC與后備保護PLC并聯運行，當主保護PLC運行良好時，后備保護PLC屏蔽自身輸出。當主保護PLC因為故障而無法繼續工作時，后備保護PLC接管控制權為發電機繼續提供保護，提高了船舶發電機保護的可靠性。

本設計主保護PLC和后備保護PLC均為S7-1200 PLC，其CPU為1214CDC/DC/DC，如圖4為主保護PLC在編程軟件中Portal視圖的硬件組態情況。

船舶電站所有的保護動作指令都由主保護PLC發出，后備保護PLC在硬件方面需與主保護PLC硬件保持向下兼容，也就是說后備保護PLC的硬件部分（如信號模塊）要比主保護PLC全面或者至少要保證相同，才能保證當主保護PLC因故障失效后，后備保護PLC能夠完全接任控制權對發電機實行保護。本設計的后備保護PLC的硬件部分與主保護PLC完全相同，兩者同時采集需要檢測的所有信號，輸出端也短接后連接到同一第三方設備（如繼電器）。由于S7-1200 PLC只支持從組態軟件中更改CPU的工作狀態，不支持由外部硬件改變CPU工作狀態，也就是說后備保護PLC必須處于熱備狀態，只要船舶電站投入運行，兩者同時處于工作狀態。為了防止出現誤動作，當主保護PLC處于正常狀態時，將給后備保護PLC一個輸入信號，此時后備保護PLC根據收到的信號來判斷主保護PLC的狀態，若此時主保護PLC處于良好運行，后備保護PLC會屏蔽掉自身的輸出，以免對第三方設備造成干擾。若判斷出此時主保護PLC處于故障狀態，后備保護PLC接管保護控制權，同時發出后備保護PLC在網的提示信號，提醒值班人員檢修主保護PLC。為保證設計的可靠性，主保護PLC和后備保護PLC應采用兩個不同的直流電源進行供電，以防止當直流電源出現故障兩個PLC都無法工作。

3.2 軟件設計

發電機后備保護的軟件設計主要包括以下幾個部分：

1)主備狀態確定及切換：當主保護 PLC運行出現故障，此時如果后備保護 PLC自檢正常，通過主備切換，后備保護PLC將升級為主機，而故障設備退出運行，并報警提示。

2)數據同步：主保護PLC在運行過程中定時將實時數據信息備份到后備保護PLC，這樣在主保護 PLC發生故障時后備保護PLC可以實現無擾動的接替工作。

3)故障自診斷：主保護 PLC以及后備保護PLC在運行過程中都必須定期對自身硬件進行檢測，并判斷是否出現故障，給出診斷信息。

4 結論

本文設計的船舶電站綜合保護裝置在實驗室船舶電站物理仿真平臺上進行了全面試驗，試驗結果表明，該裝置運行穩定、抗干擾能力強、可靠性高，對船舶電站綜合保護裝置的設計具有一定的借鑒意義。

[1] 吳志良. 船舶電站及其自動化系統[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2012.

[2] 王仁祥, 王小曼. S7-1200PLC編程方法與工程應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[3] 廖常初. S7-1200PLC編程及應用(第2版)[M]. 北京:機械工業出版社, 2010.

[4] 中國船級社. 鋼質海船入級與建造規范2012[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

[5] 吳志良等. 船舶發電機綜合而保護電路設計及可靠性分析[J]. 船舶, 2004, (06): 29-31.

Design and Implementation of Integrated Protection Equipment at Marine Power Station with S7-1200 PLC

Lao Shan, Wu Zhiliang

（Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning , China）

TM621

A

1003-4862（2017）04-0043-04

2016-09-15

勞山(1989-), 男，助理實驗師。研究方向：船舶電站。