基于工控機和PLC的船舶電力系統故障報警裝置設計

候云飛，施偉鋒，楊義偉

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基于工控機和PLC的船舶電力系統故障報警裝置設計

候云飛，施偉鋒，楊義偉

（上海海事大學電氣自動化系，上海201306）

為了提高船舶電力系統安全性與穩定性，文中設計了一套基于施耐德M340 PLC和ACP-4000工控機的船舶電力系統故障報警裝置。裝置硬件方面，運用PM800電力參數測量儀和NI數據采集儀對電力系統現場級數據進行采集，運用ACP-4000工控機對采集數據進行分析并將數據在matlab中實時顯示，運用施耐德M340 PLC對所發生的故障做出相應的故障判斷、分類與報警。裝置通信方面，運用3條網絡通訊回路實現ACP-4000工控機、觸摸屏、施耐德M340 PLC、PM800電力參數測量儀之間的數據傳遞與共享。裝置實時數據在GUI界面上進行顯示，并以.mat文件儲存于電腦中供用戶查看與使用。實驗表明，其功能可以滿足船舶電力電力系統監控的要求。

船舶電力系統 故障報警裝置 工控機 PLC GUI界面

0 引言

隨著船舶日趨大型化和自動化，船舶電力系統的容量日益增大，復雜性日益提高，船舶電力系統在船舶中的重要性越來越高[1,2]。

本文通過對船舶電力系統電網側與負載側電流、電壓、功率等數據進行讀取與監視，設計一套基于施耐德M340 PLC和ACP-4000工控機的船舶電力系統故障報警裝置。該故障報警裝置不僅能夠對船舶電力系統中數據進行集中監控，而且能對船舶電力系統中所發生的故障做出相應的故障判斷與分類，最終報警面板上相應的報警器動作、工控機中記錄報警數據為研究人員提供借鑒。

1 裝置硬件結構設計

船舶電力系統是指在多臺柴油發電機組聯合運行情況下所組成的系統，系統主要包括：數臺船用發電機組、供配電裝置與電網、負載電機[3]；船舶電力系統結構圖如圖1所示。

圖1 船舶電力系統

為了增加電力系統故障診斷裝置診斷的準確性，將裝置設計成為自動化電站相對獨立的系統，并且利用單元組合式儀表來實現集中監視功能，實現船舶電力系統運行狀況的實時監視，提高系統安全性與診斷的準確性[4]。

本文設計的船舶電力系統故障報警裝置硬件主要由施耐德M340 PLC、ACP-4000工控機、報警指示燈面板、電力系統參數測量裝置PM800、EGX300以太網關等器件所組成。該裝置分為兩層：現場監控層和遠程監控層。現場監控層與遠程監控層是通過網絡協議交換與路由器數據共享來實現的數據傳遞與共享。船舶電力系統故障報警裝置硬件結構圖如圖2所示。

1）現場監控層，又稱為下位機。主要是由7個模擬儀表、電力系統參數測量裝置PM800、電流互感器、電壓變送器、NI數據采集儀、本地控制按鈕及指示燈所組成[5]。測量儀表面板分為上下兩部分：

面板上層部分適用于測量負載側電力參數的數值，負載側電力參數即變頻器到推進電機之間的電力參數。

面板下層部分適用于測量電網側電力參數的數值，電網側電力參數即柴油發電機組到變頻器之間的電力參數。

圖2 船舶電力系統故障報警裝置硬件結構圖

2）遠程監控層，又稱為上位機。主要是由XBTGT7340觸摸屏、ACP-4000工控機屏幕等組成。上位機顯示屏有不同功能，如下：

XBTGT7340觸摸屏主要是對下位機傳遞上來的數據進行集中顯示，并將實時數據以曲線的形式在上位機中進行相應的顯示。

ACP-4000工控機屏幕主要是對路由器、NI數據采集儀的數據進行讀取，通過特殊的數據傳輸線建立與施耐德M340 PLC中數據傳輸模塊聯系，ACP-4000工控機中通過matlab編寫m文件讀取施耐德M340 PLC中寄存器地址中數據，在GUI界面中進行數據的實時顯示。

2 裝置網絡通訊設計

該套故障報警裝置數據采集與共享、裝置的網絡通訊是通過3條網絡通訊回路實現的。如圖3所示。

電力系統參數測量裝置PM800對電壓、電流、功率等現場級數據進行采集，并將現場級數據傳遞至EGX300網關進行協議轉換，將轉換后的數據傳遞至路由器中進行數據共享，ACP-4000工控機機箱通過網線與路由器進行交互使數據能夠在ACP-4000工控機顯示器上進行相應的顯示，此為裝置通訊一回路[6,7]。

施耐德M340 PLC中通訊模塊通過網線與路由器進行交互，讀取現場級數據并對數據做出相應的判斷，最終控制報警指示燈面板進行相應的報警指示燈動作，此為裝置通訊二回路。

圖3 船舶電力系統故障報警裝置網絡通訊圖

施耐德M340 PLC中數據傳輸模塊通過特殊的數據傳輸線與ACP-4000工控機機箱相連接，ACP-4000工控機中通過matlab編寫m文件讀取施耐德M340 PLC中寄存器地址中數據，在GUI界面中進行數據的實時顯示，此為裝置通訊三回路。

遠程Web監視界面可以使用戶通過訪問相應硬件裝置的IP地址來讀取、控制、監控電力系統當前的狀態。該監視界面主要分為2個部分：第一部分是對電網側數據進行采集與讀取；第二部分是對負載側數據進行相應的采集與讀取。這2部分可以在監視界面上切換[8]。

在監視界面中可實現對PM800電力參數測量儀性能的集中顯示、電力系統運行趨勢顯示以及對電力系統的歷史數據進行相關記錄。

在監視選項卡中選擇若干項電力參數進入趨勢記錄界面，兩個功能區域分別以趨勢圖和數據表的形式向用戶提供直觀數據及其變化過程。如圖4所示。

3 裝置報警程序設計

本文設計故障監測報警系統信息處理、功能、輪機員值班三個大方面進行了報警程序的設計。報警流程圖，如圖5所示。

1）報警系統分組，分為分組報警與延伸報警[9]。延伸報警是專為無人機艙設置的。在機艙無人值班的情況下，必須將機艙的故障報警分組后延伸到駕駛室、公共場所、輪機長和輪機值班員住處。延伸報警通常按故障的嚴重性，將故障分為：①重要故障報警；②一般故障報警。分組報警則是將具體的故障報警類型按照船舶上故障的重要程度劃分進延伸報警中。

圖4 Web趨勢記錄界面

2）報警系統信息處理，分為短時故障報警與長時故障報警[10]。短時故障報警是指在系統發出故障報警后，值班輪機員尚未來得及作出應答操作，參數已自動恢復正常，這時報警聲應繼續保持，同時報警指示燈轉為慢閃，以記憶報警狀態。值班輪機員在獲悉后，首先應在集控室進行消聲。使聲響報警停止，同時恢復3 min計時，以免系統發出失職報警。然后根據閃光燈確認報警設備進行消閃，報警指示燈從慢閃切換成熄滅。長時故障報警是指在系統發出故障報警后，值班輪機員尚未來得及作出應答操作，而參數未能自動恢復正常，此時故障報警指示燈常亮。

3）輪機員值班，是指失職報警[9,10]。失職報警是指故障已經產生并且傳到值班員住處，但值班人員在3 min內未能做出相應的應答操作所設置的報警，報警系統發出失職報警后，失職報警燈常亮，輪機員只能在集控室消聲應答，復位3 min失職報警計時后方能撤銷。

4 裝置GUI界面設計

隨著現代船舶通信技術的不斷發展，自動化水平的不斷進步，信息集成度要求越來越高，對推進電機的當前狀態和重要參數進行集中監控與管理在船舶電力系統監控中至關重要。

圖5 船舶電力系統故障報警流程圖

圖6 故障報警GUI界面

本裝置針對船舶電力系統故障報警裝置的要求，利用ACP-4000工控機中matlab編寫了m文件，設計了故障報警GUI界面，實現了ACP-4000工控機與施耐德M340 PLC之間的實時數據通訊、數據讀取與相應故障報警程序。如圖6所示。

1）過壓故障GUI界面

故障報警裝置設置過電壓的臨界值為115 V，如果調壓器電壓高于115 V，診斷系統則判定電力系統存在過電壓故障，如圖7所示。

圖7 過壓故障GUI界面

2）欠壓故障GUI界面

設置報警裝置欠電壓的臨界值為95 V，如果調節器電壓低于95 V，報警裝置則判定電力系統存在欠電壓故障，如圖8所示。

3）正常工況GUI界面

當系統電壓在95~115 V，并且無其他故障時，GUI界面上正常工況按鈕則會亮起，此時報警指示燈面板工作正常，無報警燈亮，如圖9所示。

4）A相斷路故障GUI界面

本文以三相短路故障中A相斷路為例，利用GUI界面采集了A相斷路故障中電壓、電流的整體變化過程，以及對應過程中故障類型的變化。如圖10所示。

圖8 欠壓故障GUI界面

圖9 正常工況GUI界面

5 結論

船舶電力系統故障報警裝置作為電力系統控制的關鍵設備之一，其研究與應用主要涉及電力參數檢測儀表的應用、故障報警PLC控制、報警控制面板實現、人機交互界面設計和報警裝置網絡通訊實現等關鍵技術。在監視方面，裝置實現了船舶電力系統本地和遠程監控、故障報警功能和故障診斷功能。實驗表明，船舶電力系統故障報警裝置能夠實現對船舶常見的故障進行判別與報警功能，具有一定的實際應用價值。

圖10 A相斷路故障

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Design of Fault Alarm Device for Shipboard Electrical Power System Based on IPC and PLC

Hou Yunfei, Shi Weifeng, Yang Yiwei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM774

A

1003-4862（2017）06-0026-05

2016-11-01

候云飛（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統故障診斷。E-mail: houyunfei@sssri.com