基于PLC MCGS PPU的船舶電站的設計

操定友

摘要：AHTS多用途工作船具有動力定位功能，主要用于海上打撈救助、海洋石油平臺供應、散液貨供應及遠洋拖帶功能等。基于船舶作業的安全需要和多功能化發展，一個可靠性高、功能齊全的船舶電站自動化控制系統是很有必要的。本文以具有DP2定位的AHTS船舶的電力系統（440V/60Hz）為平臺，詳細地闡述了船舶電站的設計過程和實現方法，采用西門子公司S7-200型可編程控制器和丹麥DEIF公司生產的多功能控制器（Paralleling and Protection Unit， PPU）模塊以及MC-GS組態模塊組成的電站自動化管理單元，設計了電站自動化程序控制流程，對其他船型的設計和研究提供了參考意義。

關鍵詞：船舶電站;PLC;PPU：MCGS

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0240-03

船舶電站是船舶最重要的組成部分。PLC作為電氣自動化控制系統的主要組成部分，現已成為電氣領域最具發展潛力的高新技術產品之一。而現代PLC具有使用范圍廣、抗干擾能力強及操作簡單這三大優勢，那么一個可靠性高、功能齊全的電站自動化控制系統通常采用PLC控制技術對船舶進行自動化控制。在這個前提下，對PLC的電站自動化控制系統的研究顯得尤為重要。

1 船舶電站控制系統主要功能

該船舶在設計的過程中，結合了S7-200PLC、MCGS觸摸屏以及PPU的優勢，使電站堅固耐用、安全可靠。

本船設2臺柴油發電機組，每臺機組功率約為425KW，兩臺軸帶發電機，每臺機組為1200KW，一臺應急發電機，功率為122KW。見圖1船舶電站系統圖。

1.1控制系統

控制系統具有可以自發處理電站在常規工作模式以及在DP特殊模式發生一系列故障的功能，并且能自動對電站功率、電壓以及頻率進行調節，還可以自動對各發電機組進行自啟動、并車、解列等控制。

1.2自動監控報警系統

報警系統可以對電站其他設備的運行狀態及各項參數進行實時的監控，監控對象主要包括：原動機、發電機、配電系統等，這些設備監控所產生的開關量、模擬量與報警系統所預設好的報警閥值進行比較，若超過報警閥值，報警器將會發出聲光報警，提醒值班人員注意。報警系統還應在出現報警時，對報警項目進行醒目顯示并進行記錄、匯總。

1.3安全保護系統

安全系統是整個系統的關鍵，其作用是：在電站的運行過程中若發生嚴重危及電站運行的故障或其他危及DP工況模式時，安全保護系統可立即采取措施，進行相應控制或調節，以保護設備安全或人身安全。

2 船舶電站自動化主要硬件配置

該系統采用PC上位機、PLC控制器（西門子S7-200型）、MCGS觸摸屏結合丹麥DEIF的PPU多功能控制器實現發電機組的保護、并聯運行和功率分配功能等。PC上位機通過網絡訪問觸摸屏監控軟件，也可直接操作觸摸屏控制PLC實現對下位機的控制。監控界面可實時通過觸摸屏顯示各發電機工作狀態以及狀態參數、報警指示以及報警記錄的查詢等操作。系統結構框圖如圖2所示：

S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。S7-200選用的是型號CPU 226CN DC/DC/DC，24輸入/16輸出，2個RS485通訊/編程口，在本系統設計中，需要對PLC的I/O口進行擴展。可通過自帶編程軟件將S7-200組態作為MODBUS RTU主站設備工作，并與1個或多個MODBUS從站設備通訊，且可與機艙監測報警系統的數據進行交互。

PPU是整個船舶電站的核心，該系統選用丹麥DEIF生產的發電機并聯保護控制單元PPU。PPU可被作為S7-200的從站工作。在船舶電站正常工作時，PPU可以保持動、靜兩種狀態運行，對發電機關鍵參數進行動態監控與調節并、保護。同時，PPU與PLC之間的相互交互作用，可以實現對發電機運行狀態的動態控制，在這種情況下可以省去上位機的數據傳輸，減少了系統中數據的傳輸量，提高了監控系統運行的穩定性。PPU可通過開關量和模擬量輸入輸出或串口通訊與PLC連接。PPU的主要功能如下：

（1）發電機的同步并車、負載分配與調節、頻率控制、逆功率保護等功能

（2）發電機的電壓、電流監測與實時保護

（3）發電機的起動停止控制

（4）根據油壓、冷卻水溫度的模擬量值和交流頻率的測量值來進行發動機保護。

MCGS是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司生產的一款用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制。本船舶電站系統非常適合采用這款組態軟件作為上位機，能夠實時動態地顯示船舶電站的工作狀態并進行適當的人為控制。操作人員可以輕易地了解到整個系統中各個設備的運行狀態及安全狀況，各個設備的運行開關、儀器儀表以及一些報警設備都可以直觀地顯示在上位機的操作界面上，使得操作者可以輕易地操作船舶電站的監控系統，同時可視化的操作界面也可以很好地避免出現誤操作。

3 船舶電站的自動化程序設計

3.1電站手動模式

兩臺主發電柴油機之間的手動并車以及主發柴油機與軸帶發電機之間的手動并車（在特定工況下，需要將主發電機與軸帶發電機進行短暫并車，將主發電機所帶負載轉移至軸帶發電機或將軸帶發電機所帶負載轉移至主柴油發電機）：當任意發電機對電網供電，需要并另一臺發電機時，將模式開關打到“手動”，并將同步選擇開關選擇到相應的待并發電機，手動調節待并機轉速并觀察同步表指針或同步指示燈，在滿足條件時，手動合上待并機組同時斷開同步表，并手動調節負載分配。

3.2電站半自動模式

3.2.1柴油發電機組之間的半自動并車

當柴油發電機對電網供電，需要另一臺柴油發電機并網時，只需要啟動該發電機，同時將該發電機的模式開關置于“自動”模式，待電壓建立成功后，發電機綠色指示燈亮，電站將自動調節待并機的轉速（如有需要，可隨時將模式開關置于手動位置，自動并車功能取消），滿足同步并車條件時，PLC發出自動合閘指令，合閘成功發電機并聯運行，自動調節負載分配。或者直接按下柴油發電機的“自動啟動/并車”按鈕，發電機將自行啟動并完成并車功能等相關操作。

3.2.2柴油發電機的半自動解列

無論是置于手動模式還是自動模式，只需直接按下“自動解列”按鈕，發電機紅色指示燈亮，自動電站自動降低解列機組負載，當解列機組負載功率低于5%額定值時，自動分斷解列機組主開關，解列成功，經過3min延時冷卻后，自動停止柴油機。

3.2.3軸帶發電機與柴油發電機組之間的半自動并車

當任一柴油發電機對電網供電，需要切換到軸帶發電機時，當主機正常運轉并發出速度恒定信號，將軸帶發電機的模式開關置于“自動”模式，PLC將對軸帶發電機自動勵磁并待電壓建立成功后自動調節主機的轉速，滿足同步并車條件，自動發出軸帶發電機合閘指令，合閘成功兩臺發電機并聯運行。但由于軸帶發電機與柴油發電機的額定功率不一致，只能短時間并聯運行以作轉移負荷之需。此時需要手動按下柴油發電機的“自動負荷轉移”按鈕，柴油發電機將自動解列，在解列成功后并延時3分鐘停車。

3.3電站自動模式

根據功能要求，簡單的I/O地址分配如表1所示。DG1與DG2為柴油發電機，SG1與SG2為軸帶發電機，BT1與BT2為兩臺艏側推，ST為一臺尾側推。ST1 ACB與ST2 ACB能夠在失電的時候進行自動切換。

3.3.1匯流排失電（DP工況）

兩臺軸帶發電機獨立工作，各自向匯流排A1與B、A2與C供電。見圖1。DG1和DG2均設置在自動模式，當BUS BAR A1或BUS BAR A2任一匯流排因故障失電時，PLC將發送控制命令給相應的柴油發電機，啟動柴油發電機自動合閘并投入運行，快速恢復匯流排A1或A2的供電，為及時恢復船舶動力減少所耗費的時間。當匯流排B或C失電時，PLC將發送合閘命令給ST2 ACB或ST1 ACB，自動進行供電切換操作，切換完成后尾側推自動啟動并投入運行，保持了側推的冗余性。DP因故繼續保持工作，確保了船舶的可操作性與安全性。

3.3.2匯流排失電

當一臺柴油發電機在網運行，主機速度恒定，軸帶發電機設為第一第二備用時，當電網因故失電，自動電站對第一備用軸帶發電機發出合上勵磁開關指令，對軸帶發電機進行勵磁，電壓建立成功后發出合閘指令，軸帶發電機主開關自動合閘并投入電網運行。若第一備用投入失敗，自動轉入第二備用。

當一臺軸帶發電機在網運行，另兩臺柴油發電機設為第一第二備用時，當主電網失電，第一備用柴油發電機將自行啟動，啟動成功并建立電壓后將發出合閘指令，備用發電機主開關自動合閘恢復供電。若啟動失敗或者合閘失敗，均發出報警提醒值班人員注意。若第一備用投入失敗，自動轉入第二備用。

當一臺柴油發電機在網運行，另一臺柴油發電機設為第一備用且軸帶發電機不投入運行時，當電網因故失電，第一備用柴油發電機將自行啟動并投入運行，恢復電網供電。若啟動失敗，將發出失敗報警。

3.3.3超載

當在網柴油發電機功率不小于85%，另一柴油發電機設為第一備用模式，發電機將自行啟動并自動并車投入運行。

3.3.4輕載解列

當兩臺柴油發電機并網運行并均設為自動模式，發電機電網總功率不大于總功率的30%即250KW，經過30分鐘延時，電站發出DG1自動解列指令，待DG1負載低于額定負載的10%時，發出分閘指令，并經過3分鐘的延時，停止DG1柴油機的運行。見程序設計圖3。

3.3.5重載詢問

當軸帶發電機投入運行，駕駛臺發出啟動側推信號時，PLC會給出一個允許啟動信號，側推器將被允許啟動并投入運行。若軸帶發電機未能投入運行，則發出啟動失敗信號并報警。

4 結束語

綜上所述，本船舶電站系統功能完善，工作可靠，設計符合DP2對船舶電站系統的要求。本文的研究不僅是為三用工程船開發的船舶電站設計，更重要的是對船舶電站監控系統的基本構成進行了分析，并設計了基于PLC的船舶電站監控系統，基本實現了對于船舶電站工作狀態的自動化監控，并能更為直觀地讓工作人員了解到船舶電站各設備的運行數據變化趨勢。

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【通聯編輯：光文玲】

收稿日期：2019-08-27