船舶電站系統(tǒng)控制的流程設計

翁榮政

（江西銅業(yè)（鉛山）光伏發(fā)電有限公司，江西 上饒 334000）

0 引 言

船舶技術在一定程度上可以衡量一個國家的經(jīng)濟發(fā)展水平，船舶的重要組成部分是船舶發(fā)電站，也是象征船舶技術的重要內(nèi)容。自21世紀開始，造船市場繁榮，給社會提供了很多的就業(yè)崗位，也是造船業(yè)發(fā)展的重要契機。要求船舶越來越自動化是由于船舶的三大特點，大型化、高度化及自動化。此外，人工智能、網(wǎng)絡通信以及控制理論在船舶的應用上也越來越頻繁。

為完成自動化船舶的功能，已經(jīng)有了繼電器、聯(lián)系人及不連接的綜合部件組成的接觸控制系統(tǒng)。大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)和模塊化也大大減少了微型計算機控制系統(tǒng)的數(shù)量和重量，提高了工作的可靠性[1]。控制模式從硬件控制轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖刂疲阌诮M合、擴展或修改；模塊化更利于通用。計算機控制是通過中央計算機控制形式開發(fā)的，并開發(fā)了一種分散的微波控制形式，提高了工作可靠性。然后產(chǎn)生了具有通信應用程序的多層次分布式控制系統(tǒng)。

1 船舶電站的整體框架和工作原理

1.1 電站自動化系統(tǒng)總體設計方案

網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)是由設備、監(jiān)測網(wǎng)及網(wǎng)格組成的。依據(jù)船舶電站越來越自動化的要求，該系統(tǒng)包括通過全面控制組織起來的船舶電站自動化所需的功能，每一種功能是各不相同的，但是各種功能也是相互聯(lián)系的，如圖1所示。

PLC的關鍵作用就是操作智能手機數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場的設備等。引擎組的啟動和制動是其負責的，頻率調(diào)制、對平行操作的控制、運行的機組數(shù)量及負荷大功率的管理也是其負責的。上至下之間的通信采用RS485方法進行，包括主站和控制室（工程師工作站）之間的通信。可使用工程控制配置軟件，即所謂的“視頻控制”來進行工控組態(tài)軟件的操作

1.2 船舶電站控制系統(tǒng)的工作原理

1.2.1 船舶同步發(fā)電機并聯(lián)運行原理

通常，由于船上的貨物量大，裝載能力大，滿載要求一般無法通過一臺機組來滿足，船舶供電的電荷需求一般是由兩個或者兩個以上的機組提供。這種設計比一個裝置更安全，且成本效益更高。兩臺發(fā)電機都掛接在母線上，將機組投入運行的過程稱為并車操作。

1.2.2 船舶同步發(fā)電機并聯(lián)運行的具體實現(xiàn)

第一，手動準同步并車。這種拉近方式是通過操作員觀察測量儀，然后將車輛拉近。它要求操作人員觀察電壓計的大小，以便比較網(wǎng)絡電壓，并在相同情況下，能夠進行合閘并車操作。但在某些情況下，不可以進行并車行駛。例如，有較少的大功率負荷進入船舶電廠網(wǎng)絡時，并車操作是不被允許的。如果電壓網(wǎng)絡連接到過大的功率負載，會在一瞬間拉低電壓，如果此時操作并車，會造成系統(tǒng)電壓波動、各個子系統(tǒng)電壓不等以及損壞電站設備。并車運行應該在負荷不變的情況下進行。手動準同步并車步驟如圖2所示。

圖1 電站總體框圖

圖2 手動準同步并車步驟框圖

第二，自動準同步并車。自動準同步并車幾乎完全取決于相應的設備測試，自動并車裝置基本組成如圖3所示。這些裝置的基本功能具體如下。

（1）檢測頻差方向，比較待并發(fā)電機頻率和電網(wǎng)的頻率，若兩者相等就發(fā)出合閘信號，若不等，則啟動調(diào)速的裝備，并調(diào)整并發(fā)電機，然后改變并發(fā)電機的頻率，直到兩者的頻率相同為止。這有利于為合閘提供優(yōu)越的條件。

（2）綜合校驗電壓、相位以及頻率，合閘信號會在三者都滿足條件時發(fā)出。如果有一種條件沒有被滿足，就會閉鎖信號，造成禁止合閘并車。

（3）可以預先發(fā)出合閘信號，合閘信號會在滿足條件的那一瞬間發(fā)出，有利于減少誤差，特別是儀器設備造成的誤差。

圖3中，±Δf代表系統(tǒng)可以承受的最大頻率差的環(huán)節(jié)，Δf代表小幅度的調(diào)節(jié)頻率，ΔU表示系統(tǒng)能夠最大承擔的電壓的波動量，Δf允表示系統(tǒng)能夠最大承受的頻率差。

圖3 自動并車裝置基本組成框圖

2 設計電站控制系統(tǒng)的硬件

2.1 設計測量控制單元

2.1.1 測控單元原理

正常地對測量儀器的輸出電壓和輸入電壓進行測量是測量儀器的重要工作，也可以測量電壓差和網(wǎng)格之間的單位電壓，并車時測控單元需要得到機組與電壓間的電壓差、頻率差以及相位差。這些量都需要相應的轉(zhuǎn)換電路才能得到。測控單位直接跟柴油發(fā)電機、繼電器及變送器等相連，完成數(shù)據(jù)的采集，管理系統(tǒng)接收這些數(shù)據(jù)，按照事先的程序運行，將運行結(jié)果輸出給執(zhí)行結(jié)構(gòu)。這些測控模塊包括模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊及報警系統(tǒng)等[3]。

2.1.2 57-300 PLC控制信號

柴油機、電網(wǎng)以及發(fā)電機均由PLC控制，PLC在接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給設備。這就是PLC控制的流程。機組啟動、并車及解列是船舶電站的大致工作。船舶電站應按規(guī)定的程序進行操作，操作前要檢查一些數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度及壓力等。

2.1.3 控制屏

為了更好地觀測數(shù)據(jù)，還需要大量的控制屏。控制屏主要包括岸電控制屏、發(fā)電機控制屏、同步控制屏及負載控制屏等。

2.2 控制器的選擇

該設計選擇可編程控制器（PLC）作為主控制器，可以很好地執(zhí)行船舶發(fā)電站的控制功能，實現(xiàn)發(fā)動機自動啟動、自動并車和解列、自動停車、詢問以及重載等功能。此外，PLC可以有效地執(zhí)行保護功能。使用電流轉(zhuǎn)換器和電壓變壓器主要是用來測量輪胎的電流和電壓變壓器。通過軟件設計和計算，可以成功地執(zhí)行電壓保護、電流保護及反向功率保護等操作。

2.3 編程軟件

降級使用STEP7軟件培訓課程，符合國際標準和適用技術條件。因此，此課程不僅可以作為軟件工具，而且可以用來組成工業(yè)控制參數(shù)。SIMATICSTEP 7具有這樣功能的參數(shù)配置和硬件配置，啟動和維護通信、文件建檔、編程、測試等功能，可以在網(wǎng)上公開或使用鼠標選擇對象時，F(xiàn)1鍵可以了解在線幫助對象。

2.4 具體功能模塊的編寫

2.4.1 柴油發(fā)電機自動啟動控制

一般柴油機的啟動有兩種方式，分別是電啟動和壓縮空氣啟動。設計中，電機采用的是壓縮空氣啟動，啟動時需注意如下問題。

（1）需要選擇一個更好的預潤滑系統(tǒng)，以確保潤滑系統(tǒng)運行良好，并減少柴油內(nèi)部摩擦損失。

（2）當柴油啟動時，應該保持謹慎，因為柴油在發(fā)射時是由手柄控制的。調(diào)節(jié)器是在工作狀態(tài)。

（3）機組的正常、快捷起動需要柴油機系統(tǒng)具備良好的暖缸和冷卻的循環(huán)系統(tǒng)。

（4）當對柴油機進行制動時，不可以驟然停止。

本項目將工作條件設為考慮范圍，因此啟動了3次發(fā)電設備。船舶電站自動啟動程序流程如圖4所示。

2.4.2 自動準同步并車控制

準同步并車條件的判定

由于等效電壓、頻率及相位通過并車來實現(xiàn)，因此PLC的管理需要運行3個單獨的模塊。電壓模塊用來調(diào)節(jié)電壓，頻率模塊用來調(diào)節(jié)頻率，相位模塊用來調(diào)節(jié)相位，最終實現(xiàn)相同的電壓、頻率以及相位，然后發(fā)出合閘信號[4]。

2.4.3 PLC接口通道的實現(xiàn)過程

自動并車模塊硬件連接原理如圖5所示。

（1）電壓的檢測是通過電壓互感器進行的，發(fā)電機和電網(wǎng)都配備了電壓互感器來選擇通過PLC傳輸?shù)碾妷盒盘杹頉Q定其等價性。

（2）頻率的相等是通過光電編碼器、PLC及高速計數(shù)器相互配合來判斷，也可以判斷信號是否相等。

（3）發(fā)電機速度的調(diào)節(jié)是PLC的輸出接口通過連接調(diào)速器進行調(diào)節(jié)。這樣可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的頻率和電壓。

（4）合閘裝置是通過PLC輸出接口進行連接，以便發(fā)出合閘信號并控制合閘。

（5）機組設備的運行狀況和報警信號的發(fā)出是通過PLC的指示燈以及故障顯示裝置反映。

圖4 船舶電站自動啟動程序流程圖

圖5 準同步自動并車原理框圖

3 結(jié) 論

本文根據(jù)相關理論對船舶控制器的整體進行了原理設計，對于一些技術選型也給予說明。此外，文章對電子系統(tǒng)設計進行了相對比較完善的說明，并在自啟動控制柴油發(fā)電機、自控制準同步并車控制及接口通道的實現(xiàn)等方面進行了較為細致的研究。