溢油回收船PMS&IAS集成系統(tǒng)設計

李進科，邵 赟，胡 舜

?

溢油回收船PMS&IAS集成系統(tǒng)設計

李進科，邵 赟，胡 舜

（武漢武船船舶設計有限公司，武漢 430060）

本文介紹了萬噸溢油回收船電力推進系統(tǒng)的組成及特點，在簡要概述功率管理系統(tǒng)PMS及監(jiān)測報警系統(tǒng)IAS構架及功能的基礎上，針對溢油回收船的DP2、消防、溢油回收、正常航行及進出港多種復雜工況特點，設計了基于WINCC上位集成的一體化PMS&IAS系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)功率管理系統(tǒng)的基礎上融入電站一體化集成監(jiān)控設計，一定程度上能實現(xiàn)船舶的遠程監(jiān)控和狀態(tài)檢修，在后期運營維護上提質增效、節(jié)約成本。

萬噸溢油船 PMS&IAS 一體化集成 DP2

0 引言

隨著國家海洋強國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，海上石油運輸生命線的清潔與安全受到愈來愈多的關注和聚焦。萬噸級多功能溢油回收船作為國家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的重要專項研究內容，在未來承擔著近海主要航道清理維護及溢油回收的重要任務。在大力提倡綠色、環(huán)保的當下，電推系統(tǒng)低功耗、高能效的特點[1]受到了越來越多的青睞和推崇。

本文在介紹溢油回收船電推系統(tǒng)組成的基礎上，為滿足DP2要求，設計了基于WINCC上位集成滿足功能要求的冗余一體化PMS&IAS系統(tǒng)，詳細描述了該一體化集成系統(tǒng)的硬件架構、對外接口、界面設計及程序流程等內容。

1 系統(tǒng)組成

萬噸溢油回收船設有4臺2600 kW主發(fā)電機、1臺400 kW停泊發(fā)電機及1臺150 kW應急發(fā)電機組，由兩條主推進支路、兩條消防泵支路及兩條側推進支路組成。為了保證推進系統(tǒng)的獨立性和可操作性，兩條主推支路以及側推支路分別由四套相互獨立的電推控制系統(tǒng)單獨控制。

主推進支路由船舶電網(wǎng)通過690 V主配電板向3600 kVA主推進移相變壓器供電，移相變壓器帶動功率為3200 kW的12脈主推進變頻器，再由變頻器控制3000 kW主推進電機驅動全回轉舵槳的正常運行。

側推進支路由船舶電網(wǎng)通過690 V主配電板向1500 kVA側推進移相變壓器供電，移相變壓器帶動功率為1400 kW的12脈側推進變頻器，再由變頻器控制1300 kW側推電機驅動推進器的正常運行。消防支路由690 V電網(wǎng)直接驅動6脈1400 kW消防泵變頻器帶1200 kW消防泵電動機運行。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 PMS功能

PMS對電能進行統(tǒng)一的調度和管理，是綜合電力推進系統(tǒng)的核心控制模塊，具有對溢油回收船電站的各種控制及保護功能。IAS系統(tǒng)主要實現(xiàn)對全系統(tǒng)各運行數(shù)據(jù)的采集分析和監(jiān)視功能，當發(fā)生各類報警及運行故障時為決策者提供診斷判據(jù)，以便采取適當?shù)奶幹么胧?/p>

具體而言，PMS系統(tǒng)會依據(jù)全船電網(wǎng)的實時功率需求實現(xiàn)動態(tài)增減機，調節(jié)各臺主發(fā)電機組間的負荷分配，實現(xiàn)主推變頻器、船舶電站及DP系統(tǒng)間的協(xié)調運行[2-3]，并對整個推進操控系統(tǒng)實時監(jiān)控。當供電系統(tǒng)運行時發(fā)生各類故障報警時，PMS系統(tǒng)能自動監(jiān)測并處理，采取系列措施保證對負載供電的連續(xù)性和電站安全性，為全電網(wǎng)的主側推支路、消防泵支路及其他用電負荷提供高品質、配置優(yōu)化的可靠電源。

PMS系統(tǒng)的主要功能[4]如下：

1） 系統(tǒng)自檢功能

PMS在上電后的起動過程中對軟、硬件工作狀態(tài)進行自檢，屏幕會顯示出系統(tǒng)自身故障的報警信息，自檢通過即可操作。

2） 工作模式選擇

PMS具有DP2模式、消防工況、溢油回收、進出港及航行等多種模式。DP2模式下，主配電板自動分區(qū)供電以確保冗余可靠性；進出口模式下，電站只增加機組，不解列機組；正常航行模式下，按照功率關系正常增減機。

3） 機組的手動自動起停

當PMS觸摸屏面板調至手動模式時，可直接手動操作發(fā)電機組的起動和停止；當PMS觸摸屏面板調至自動模式時，程序監(jiān)測在網(wǎng)機組功率達到設定的閾值后經(jīng)過一段設定延時后自動起動備用機組或解列在網(wǎng)機組。

4） 機組優(yōu)先級選擇

PMS系統(tǒng)可在HMI觸摸屏上設置各柴油機組的起停順序，并能在線更改各機組的優(yōu)先級次序。

5） 機組的自同步、解列及增減機

PMS需依據(jù)全船總用電負荷的不同實時調整機組出力，機組的在網(wǎng)數(shù)量應隨負荷大小自動調整。當用電負荷增加到一定閾值時，PMS自動實現(xiàn)備用機組的起動，在電網(wǎng)和頻率達到要求值后立即并車；當用電負荷降低到設定閾值時，PMS自動將在網(wǎng)機組解列和停車。

6） 重負荷起動問詢

當有功率較大的負載需要起動時，首先會向PMS發(fā)出詢問申請，PMS即刻檢視全網(wǎng)的剩余可用功率，只有當在網(wǎng)可用功率大于該負載所需功率時PMS才會發(fā)出允許信號，當可用功率不滿足所需時閉鎖其起動，同時起動備用機組以滿足該負載的起動條件。

7） 自動分級卸載

類似于機組優(yōu)先級選擇，該功能根據(jù)負載的重要性高低將其分級。當起動重負荷全網(wǎng)可用功率不足或機組故障時，PMS自動卸載非重要負荷，對全網(wǎng)進行功率限制，確保主推進系統(tǒng)的運轉。

8） 功率限制

PMS實時監(jiān)測在網(wǎng)功率和機組負荷率，當在網(wǎng)功率不足以維持推進和日用負荷時，向推進變頻器發(fā)出功率限制信號以限制推進功率的增加，防止負荷突變導致機組過載，進而引發(fā)全船停電安全事故。

基于以上的功能設計，溢油回收船PMS程序控制流程如圖1所示。

2.2 PMS硬件設計

溢油回收船正常工作狀態(tài)下需滿足DP2（動力定位）、消防、溢油回收、正常航行、進出港以及停泊等多種復雜工況需求，DP2指具備動力定位系統(tǒng)的船舶，在任何單一故障發(fā)生后不影響其他設備及系統(tǒng)的運行，仍能保持船舶的位置和首向，因此對PMS設計提出了較高要求。

為此，本船PMS采用多級獨立雙冗余設計：以PLC控制器(采用西門子公司PLC及輔件)作為主站，為4臺主發(fā)機組及應急機組配備獨立的保護并車單元(采用DEIF公司PPU3)作為從站。

上層通訊方式為冗余PROFIBUS網(wǎng)絡，采用兩套獨立運行互為備用的S7-400H熱冗余控制器，兩套S7-400H間通過光纖同步通信。當一臺S7-400H作為主站發(fā)揮控制功能時另一臺處備用狀態(tài)，主用S7-400H如若發(fā)生故障，備用S7-400將在100ms內自動切換為主控器投入使用，確保系統(tǒng)的不間斷運行。上層PROFIBUS通過Y-link與PPU3實現(xiàn)通信連接，當在網(wǎng)機組出現(xiàn)高低壓、溫升超限、高低頻、油壓低等故障時，PPU控制相應機組自動脫扣，不影響全船電網(wǎng)的正常運行。該設計架構能有效保證船舶在極端條件下系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

母聯(lián)開關配備的同步模塊能為其提供同步分合閘等控制。需執(zhí)行DP2、消防及溢油回收操作時，按下相應模式選擇開關，電站能在PMS管理下實現(xiàn)母排的自動分段和負荷分區(qū)，滿足上述各工況的切換操作要求，PMS架構如圖2所示。

2.3 IAS硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)IAS是溢油回收船的重要構成部分，負責全船的發(fā)電、供電、推進控制、檢測和報警。本船IAS系統(tǒng)硬件設備由集控臺、推進控制裝置、采集柜、應急車鐘以及工控機組成。

圖1 PMS系統(tǒng)工作流程圖

圖2 萬噸溢油船PMS系統(tǒng)結構圖

本船IAS系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡的分散式控制結構，硬件主要組成如下：

1）位于集控臺內的西門子S7-400主站一套，包含UR機架、CPU模塊、電源模塊、存儲卡及同步模塊；

2）位于配電板內的PMS、發(fā)電機組分布式子站ET200M4套（包括IM153冗余連接模塊、并車保護單元PPU3、DI/DO模塊以及OP觸摸屏）；

3）位于駕控臺的推進控制子站；

4）位于應急配電板內的應急子站；

5）安裝于集控臺內的工控機系統(tǒng)，包括工控機、顯示器、485通訊模塊以及打印機。

3 WINCC上位集成

3.1 程序結構

IAS監(jiān)控系統(tǒng)與PMS功率管理系統(tǒng)均為下位系統(tǒng)，在硬件組態(tài)及構成上是完整獨立的兩套子系統(tǒng)，下位系統(tǒng)的程序邏輯采用西門子的STEP7開發(fā)。溢油回收船PMS&IAS一體化集成主要體現(xiàn)在后臺上位系統(tǒng)的統(tǒng)一設計和一體集成，上位工控系統(tǒng)采用西門子WinCC7.2開發(fā)，OP面板采用WinCC Flexible開發(fā)，用于對整個PMS&IAS系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測和實時報警反饋[5]。

3.2 接口設計

上位系統(tǒng)的接口主要包含PMS與外部設備信號接口以及PMS與IAS網(wǎng)絡通訊接口兩類：

PMS的外部設備接口對象主要有柴油發(fā)機組、690 V主配電板、DP設備、變頻器以及重載設備，具體接口內容如下：

柴油發(fā)機組：機組起動信號、停止信號、故障報警、遙控狀態(tài)、備妥反饋、升降速、急停等；

690 V主配電板：主開關狀態(tài)及分合閘操控、優(yōu)先脫扣、主發(fā)電機絕緣低報警、PMS模式切換選擇等；

變頻器：推進斷路器分合閘狀態(tài)、快速降負荷以及在網(wǎng)功率等信號；

PMS與IAS通訊接口主要包含如下狀態(tài)字：

1/2/3/4號發(fā)電機運行、遙控、備車、急停以及開關狀態(tài)，各機組有功、無功、電流、電壓、效率，母線電壓、頻率，母聯(lián)斷路器開關狀態(tài)，岸電開關狀態(tài)，主/側推開關狀態(tài)，主變原/副邊開關狀態(tài)以及航行工況、消防工況、進出港工況、溢油回收工況、DP2工況等狀態(tài)信息。

3.3 界面設計

該船上位工控機界面主要包含功率管理、電站監(jiān)測、機組報警、推進系統(tǒng)、歷史曲線、監(jiān)控網(wǎng)絡和報警信息七大功能。

功率管理界面顯示系統(tǒng)單線圖信息，各在網(wǎng)機組的實時功率、電流、電壓數(shù)據(jù)以及母聯(lián)、推進支路主開關的分合閘顯示；

電站監(jiān)測對四臺主發(fā)機組的狀態(tài)參量予以顯示監(jiān)測，具體為功率、電流、電壓、滑油溫度/壓力、繞組溫度等，如圖3所示。

機組報警界面收集匯總所有可能的故障報警條目，形成故障子集庫；

推進系統(tǒng)實時顯示推進支路主要部件的狀態(tài)參量：推進變壓器繞組溫度，推進變頻器輸出電流、功率、轉速，推進電機繞組及軸溫。

報警系統(tǒng)界面顯示所有監(jiān)測到的報警及故障條目，包含當前報警信息及歷史報警信息，精確顯示報警的時間和故障類型。當前報警會在主界面下方以醒目的紅色文字閃現(xiàn)提醒船員實時處理，在OP觸摸屏操作“消音”和“復位”后若故障消失，切換進入報警系統(tǒng)界面后信息文本變?yōu)榫G色成為歷史信息存儲；若故障未排除，信息文本變?yōu)樗{色提示繼續(xù)排查。界面如圖4所示。

圖3 電站監(jiān)測界面

圖4 報警系統(tǒng)界面

此外，還能通過船上信號收發(fā)臺與岸基信號收發(fā)臺的通訊聯(lián)絡，將船舶航行時的故障信息實時傳輸，供技術人員分析診斷提供遠程指導，一定程度上實現(xiàn)遠程監(jiān)控和狀態(tài)檢修，后期維護上達到節(jié)約成本的目的。

4 總結

采用電推系統(tǒng)，環(huán)保優(yōu)勢明顯，能效利用率大大提高，本文闡述了溢油回收船核心控制系統(tǒng)PMS以及安監(jiān)系統(tǒng)IAS的硬件設計、系統(tǒng)結構和上位軟件的一體化集成設計，功能完善、自動化程度高。

[1] 俞文勝. 船舶綜合電力推進系統(tǒng)論述. 世界海運, 2007, 30(3): 43-45.

[2] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)設計和研究. 船電技術, 2013, 30(9).

[3] 叢培亭. 船舶電站[M]. 北京:中國書籍出版社, 2007.

[4] 張奇, 金奎. 基于S7-400H的功率管理系統(tǒng)在海洋平臺中的應用. 船電技術, 2016, 36(8).

[5] 張均東, 閆慧琪, 余劍翔. 基于CAN總線的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設計. 測控技術, 2003, 22(10).

Integrated System Design of PMS&IAS for the Oil Spilling Recovery Ship

Li Jinke, Shao Yun, Hu Shun

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd., Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0038-04

2017-03-13

李進科（1987-），男，工程師。研究方向：電子信息科學與技術。E-mail: 305964272@qq.com