基于PLC 的船舶電站自動化控制

張吉山

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

1 概述

船舶就像一座流動的海上城市。幾乎所有設備都必須提供電能。因此，該船配備了獨立的發(fā)電廠，該發(fā)電廠由發(fā)電，配電和功耗組成- 船上發(fā)電廠。自1960 年代以來，就對船舶電廠的自動化設計提出了要求。船用電廠自動化的優(yōu)點包括：能夠保持電力供應的連續(xù)性和電廠的更高可靠性，提高船舶的生命力并提高電力供應的質量；改善船員的工作條件，減輕作業(yè)強度，改善經(jīng)濟指標和船舶作業(yè)的靈活性[1]。

現(xiàn)代船舶電廠自動化不僅可以實現(xiàn)普通船舶電廠監(jiān)控系統(tǒng)所實現(xiàn)的各種監(jiān)視和控制功能，而且可以實現(xiàn)優(yōu)化的能源管理，以確保船舶電廠在不同的工作條件下能夠有效，經(jīng)濟地工作。因此，對電廠自動化系統(tǒng)技術的應用進行研究，開發(fā)先進的技術以及穩(wěn)定可靠的產品為中國現(xiàn)代艦艇提供裝備，具有十分重要的技術意義。

2 船舶電站自動化控制系統(tǒng)設計方案

2.1 自動化電站控制系統(tǒng)的組成

圖1 電站系統(tǒng)組成

船舶電站自動化系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)采用由德國西門子公司的PLC（一臺S7-300PLC、四臺S7-200PLC）與兩臺DEIF 公司的PPU（Protection and Paralleling Unit）及少量繼電器組成，其數(shù)據(jù)傳輸結構圖如圖1 所示。

從圖中可以得出結果，該系統(tǒng)是分布式管理結構，主要環(huán)節(jié)是電廠監(jiān)控系統(tǒng)。在控制過程中，PLC 和控制面板從所有其他輸入線讀取必要的信號，以便執(zhí)行信號管理以執(zhí)行兩個發(fā)電機組的控制和監(jiān)視任務。

1 號與2 號PLC 主要負責檢測轉速，盤車桿位置，燃油溫度、壓力，滑油溫度、壓力，冷卻水溫度，超速信號，空氣壓力，停止閥，主開關等開關量信號；

3 號PLC 主要負責檢測負載屏上開關量信號；

4 號PLC 負責檢測組合起動屏的負載狀態(tài)信號；

1 號和2 號PPU 檢測電網(wǎng)電壓，發(fā)電機電壓和電流，有功和無功功率，功率因數(shù)等。

監(jiān)控站PLC300 通過PROFIBUS 通信協(xié)議，檢測這些信號，進行信號匯總、分類，發(fā)出指令等。

2.2 船舶電站的基本功能

船舶電站自動化系統(tǒng)從總體意義來說，所應具有的功能如下：

（1）對電網(wǎng)電壓、電流、頻率等電氣參數(shù)和動作信號自動檢測、報警、記錄。

（2）幾臺發(fā)電機組應配備啟動控制程序。如果設備的一部分出現(xiàn)故障且無法啟動，則設備的下一部分應自動啟動并自動進入網(wǎng)絡。（如果兩個發(fā)電機并聯(lián)連接，它們應該能夠自動完成同步輸入）。

（3 發(fā)電機運行時自動分配恒定電壓和無功功率：勵磁設備會自動調整以在單次或并聯(lián)運行期間保持恒定的電源電壓。同時，可以調節(jié)帶有并聯(lián)控制的發(fā)電機組的無功功率分配，以確保有效分配。

（4）自動分配自動恒定頻率和有功功率。當兩個單元并行操作時，自動頻率調制和分配裝置與速度控制器一起操作，以將網(wǎng)絡維持在不超過恒定頻率的穩(wěn)定狀態(tài)。每個單元假定的有功功率按單元容量的比例分配。

（5）重載請求。現(xiàn)代大型船舶通常具有容量為100 kW 的獨特機器。例如電動船首推進器，大型電纜絞車，以及工程船上的其他功率負載，通常具有與發(fā)電機的獨立功率等效的功率，并且在使用時應啟動這種大功率負載前應該詢問一下電站中供電的發(fā)電機組，判斷電站的功率儲備能否滿足他們的用電和啟動要求。

（6）發(fā)電機組是自動運行的并且在錯誤狀態(tài)下啟用關閉控制功能。船舶發(fā)電廠委托的發(fā)電機數(shù)量取決于負荷的功率。如果負荷很大，系統(tǒng)會自動啟動發(fā)電廠的備用單元，以增加發(fā)電廠的總功率。

（7）重要的負載分階段開始。例如當電力系統(tǒng)處于某種故障狀態(tài)時，突然斷路可能會使發(fā)電機與電網(wǎng)斷開。在自動電站恢復電力系統(tǒng)以快速恢復電力系統(tǒng)的運行之后，可以安裝一組重要的控制器來啟動自動分類。

（8）發(fā)電機組、電網(wǎng)故障的自動報警和處理。

（9）應急電站供電與主配電板的自動切換。

（10）自動無功補償。它意味著通過控制開關/斷開電容器的電池來維持負載的功率因數(shù)。

（11）發(fā)電機運行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視。

3 船舶電站自動化系統(tǒng)的硬件設計

3.1 PLC 的選型和通訊模塊的選型

3.1.1 PLC 的選型

在執(zhí)行此工作之前，需要對控制對象和控制任務進行統(tǒng)計和分析。然后確定選擇的大小，型號和配置。據(jù)統(tǒng)計，分站各PLC的輸入輸出I/O 點數(shù)如下：1#PLC、2#PLC：開關量輸入37 個、開關量輸出28 個、模擬量輸入4 個、模擬量輸出2 個；3#PLC：開關量輸入29 個、開關量輸出26 個；4#PLC：開關量輸入37 個、開關量輸出29 個。

根據(jù)上述任務分析，考慮到電廠控制系統(tǒng)的自動運行方式和可靠性，選取西門子PLC S7-200PLC 系列作為變電站控制單元，型號為CPU226 。模塊化結構，使用方便，易構建系統(tǒng)完整的功能模塊；豐富的指令，方便系統(tǒng)的構建和擴展，具有高性價比。

3.1.2 通訊模塊的選型

西門子S7-200 PLC 通信模塊主要包括溫度測量模塊（EM231）和PROFIBUD-DP 模塊（EM277）。由于S7-200 系列PLC 自身不帶有PRIFIBUS-DP 通訊接口，所以本船舶電站自動化系統(tǒng)選用EM277 模塊。

使用EM 277 PROFIBUS-DP 從站擴展模塊，可以將S7-200 CPU 連接到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡。EM 277 通過通信總線連接到S7-200 CPU。PROFIBUS 網(wǎng)絡通過DP 通信端口連接到EM 277 PROFIBUS-DP 模塊。該端口可以使用從9600 波特到12 Mbaud 的任何PROFIBUS 數(shù)據(jù)速率。作為DP 從站，EM 277 模塊從主站接收許多不同的I/O 配置，并向主站發(fā)送和接收各種數(shù)據(jù)量。

其他S7-200 模塊包括開關量輸入輸出模塊EM223、模擬輸入模塊EM231、模擬輸出模塊EM232。本電站使用測溫模塊EM231 來檢測各點溫度，利用輸出模塊EM232 輸出標準信號給外圍設備。

3.2 I/O 測點及模塊分配

3.2.1 I/O 分配

I0.0 -I0.7 分配輸入測點：DG1 備車、DG1_GB 狀態(tài)、DG1 運行、DG2 備車、DG2_GB 狀態(tài)、DG2 運行、DG3 備車、DG3_GB 狀態(tài)、DG3 運行I1. 0 -I1.6 分配輸入測點：自動模式、備用順序123、備用順序231、備用順序312、重載問詢、重載運行。

Q0.1-Q0.7 分配輸出測點：DG1 啟動、DG1 停止、DG1PPU 運行、DG1 負載轉移、DG1 分閘、DG2 啟動、DG2 停止、DG2PPU 運行、DG2 負載轉移Q1.0-Q1.7 分配輸出測點：DG2 負載轉移、DG2 分閘、DG3 啟動、DG3 停止、DG3PPU 運行、DG3 負載轉移、DG3 分閘、重載問訊允許。

對于變換中的對稱，古希臘人特別關注，他們十分留意對稱現(xiàn)象，他們創(chuàng)立了一種學說，認為世界的一切規(guī)律都源于對稱，他們認為最對稱的物體就是圓，所以他們把天文學中的天體運行軌道畫成圓的，之后又圓上加圓。這樣就發(fā)展成為希臘后來的天文學。

根據(jù)輸入/輸出點數(shù)的定義，應根據(jù)實際點數(shù)增加儲備量的20%?30%作為備用。

3.2.2 具體模塊的配置

根據(jù)輸入/輸出點數(shù)的定義，應根據(jù)實際點數(shù)增加儲備量的20%～30%。

分站模塊的配置如下：

1#PLC、2#PLC：CPU226 模 塊2 個、數(shù) 字 量 輸 入/ 輸 出EM223 模塊2 個、模擬量輸入EM231 模塊2 個、模擬量輸出EM232 模塊2 個、通信模塊EM277 模塊2 個；3#PLC：CPU226模塊1 個、數(shù)字量輸入/ 輸出EM223 模塊1 個、通信模塊EM277 模塊1 個；4#PLC：CPU226 模塊1 個、數(shù)字量輸入/輸出EM223 模塊1 個、通信模塊EM277 模塊1 個。

4 船舶電站自動化控制系統(tǒng)的軟件設計

4.1 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)的軟件項目主要開發(fā)變電站PLC 控制程序，監(jiān)視站與變電站之間的通訊程序，監(jiān)視PLC 將三部分發(fā)送到觸摸屏，接受功能子程序的結構，設置每個程序的輸出和輸入，使用調用CPU314-2DP 子程序的功能使整個程序易于理解和結構化。整個系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能程序流程圖

4.2 系統(tǒng)流程分析

4.3 梯形圖

圖3

4.4 船舶電站自動準確同步并車裝置

4.4.1 自動準確同步并車裝置原理

自動準確同步并車裝置是指可以自動檢測電網(wǎng)與待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓差、頻率差、相位差，當并車條件滿足后便可以自動發(fā)出合閘信號的并車裝置。

當差頻三角波與移相差頻三角波經(jīng)過差頻符號鑒別環(huán)節(jié)，差頻符號鑒別環(huán)節(jié)得出的調速尖脈沖需要經(jīng)過一個脈沖展寬電路，將其轉變成為寬度適當?shù)木匦尾ǎ@樣才能有效地控制發(fā)電機的加速和減速。為了提高并車裝置的執(zhí)行速度，較快地完成系統(tǒng)并車，在這個裝置中加入了“呆滯擾動”環(huán)節(jié)。“呆滯擾動”環(huán)節(jié)可以在差頻特別小的時候做出反方向調速動作，適當?shù)膶⒉铑l增大。當差頻由正值趨向于零時，經(jīng)過“呆滯擾動”環(huán)節(jié)后將會輸出差頻加速信號。合閘信號一是由分別來自頻率差檢驗環(huán)節(jié)、頻率差限制環(huán)節(jié)和電壓差檢測環(huán)節(jié)的三個信號相與以后得到。根據(jù)邏輯“與”的定義，只有當每個環(huán)節(jié)都檢測出并車條件滿足時刁- 能輸出合閘信號。此時由提前時間環(huán)節(jié)產生的合閘尖脈沖經(jīng)過輸出脈沖寬度形成電路后上加到合閘繼電器，實現(xiàn)合閘的動作。

在船舶電站系統(tǒng)開始工作時，此時船舶電網(wǎng)是無電狀態(tài)，此時應將一臺發(fā)電機組立即投入運行，而后并入電網(wǎng)。因此在上述流程中的系統(tǒng)合閘后還應該添加“單機投入”操作，以保證船舶中網(wǎng)的第一次啟動供電。

4.4.2 自動準確同步并車裝置的工作流程

實際上，用于并行自動準確同步的設備的工作流程大大簡化了：它通過確定網(wǎng)絡設備的電壓和并行設備的電壓來確定頻率差的方向，電壓差的條件和頻率差的條件。根據(jù)確定頻率差的方向的結果，連接到網(wǎng)絡的電動機進行加速或減速，根據(jù)檢測到電壓差的條件的結果，并聯(lián)電壓增加或減少，將頻率差的條件與電壓差和引線的條件進行比較。確定邏輯元素AND 之后，發(fā)出閉合命令如果滿足條件。

在實際的發(fā)電機組并車裝置中，差頻信號與移相差頻信號的檢測都集成于同一電路中，電路中一并增加提前量與合閘指令等信號，較為全面的實現(xiàn)了并車過程的所有操作。

5 結論

關于此問題的研究已成功地將SPS 和PPU 應用于海上電廠的自動化系統(tǒng)設計中，并實施了具有明顯技術優(yōu)勢的智能海上電廠的管理：

5.1 控制系統(tǒng)和自動電廠控制系統(tǒng)的硬件設計高度適應環(huán)境，結構簡單，可靠性高且易于維護。

5.2 該變電站由兩個PPU 模塊和四個PLC 模塊組成，具有很高的成本效益，可以實現(xiàn)對船廠自動化系統(tǒng)邏輯連接的全面控制，并且顯示生成器是通過PPU 模塊的FROFIBUS DP 通信接口實現(xiàn)的。用于網(wǎng)絡參數(shù)的電廠管理和控制系統(tǒng)有助于實施集成的船舶網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)。

5.3 得益于靈活的編程，簡單的程序修改以及更改PLC 程序和控制面板界面的系統(tǒng)設置，可以根據(jù)實際需要實現(xiàn)各種控制功能，非常方便，靈活。

5.4 監(jiān)控站S7-200 的成功應用

在監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了監(jiān)控站控制發(fā)電機的遠程控制功能，可以通過觸摸屏方便地顯示所需信息，人機界面功能在一定程度上良好。