船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

周園園

摘要：隨著船舶制造業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電站的自動(dòng)化程度不斷提高。電站控制系統(tǒng)也由局部、就地的控制向綜合、集散的方向發(fā)展，尤其伴隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在船舶上的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。

關(guān)鍵詞：船舶電站;自動(dòng)控制;系統(tǒng);海上風(fēng)機(jī)安裝船

船舶猶如一個(gè)可移動(dòng)的海上城市，它的許多設(shè)備都需要使用電能，因此在船上都配備有獨(dú)立的電站。隨著船舶的大型化和自動(dòng)化程度的不斷提高，越來(lái)越多的船用設(shè)備需要電能來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制，使船舶電站日趨復(fù)雜龐大。在海上風(fēng)機(jī)安裝船N792上面就有：配電系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，通信導(dǎo)航系統(tǒng)，中控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，火警系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，救生筏救生艇系統(tǒng)等等，對(duì)船舶電站提出的要求很高，其發(fā)展的突出標(biāo)志是高容量和高自動(dòng)化。

1 船舶電站控制系統(tǒng)發(fā)展階段

（1）集中控制階段。此時(shí)的自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用計(jì)算機(jī)作為控制核心，硬件設(shè)備也因此得到了極大的簡(jiǎn)化，功能更加完善，監(jiān)測(cè)和管理也更加方便。盡管集中型控制系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性，但由于系統(tǒng)開(kāi)銷較大，加之如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就有可能全面崩潰，因此逐漸被其他控制系統(tǒng)所取代。

（2）分散控制階段。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，微機(jī)及單片機(jī)技術(shù)得到普及推廣，船舶電站控制系統(tǒng)也因此發(fā)生改變，不再是使用單一的計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制而是使用幾臺(tái)或更多的計(jì)算機(jī)分別對(duì)船舶的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)管理。分散型系統(tǒng)的特點(diǎn)就是靈活使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，且系統(tǒng)造價(jià)低，操作簡(jiǎn)單，具有良好的可靠性。因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都主導(dǎo)著自動(dòng)控制系統(tǒng)的市場(chǎng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)控制階段。雖然分散型控制系統(tǒng)在集中型控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了許多改進(jìn)，但系統(tǒng)各部分之間還是分散獨(dú)立的，信息無(wú)法進(jìn)行互相傳輸。并且分散控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)僅僅作為接收各部分傳送信息的通信單元，缺乏統(tǒng)籌管理的功能。因此，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了以綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)，短時(shí)間內(nèi)就受到極大的關(guān)注，也得到了迅速的推廣。網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)在采用分布式控制的基礎(chǔ)之上，又進(jìn)一步加強(qiáng)了各控制單元之間聯(lián)系，使其可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。

2船舶電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的作用

船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證供電的安全可靠和改善勞動(dòng)條件，同時(shí)也提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。PLC控制的船舶自動(dòng)電站基本功能有：

（1）對(duì)有關(guān)的電氣參數(shù)和動(dòng)作信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、記錄、顯示，并有邏輯判斷功能去控制發(fā)動(dòng)機(jī)組;（2）發(fā)動(dòng)機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng);（3）在匯流排不帶電的狀態(tài)下，使發(fā)動(dòng)機(jī)組自動(dòng)接入電網(wǎng)，要限制在該狀態(tài)下有兩臺(tái)機(jī)組或更多的機(jī)組同時(shí)接入及短路后多次接入的嘗試;（4）發(fā)電機(jī)組自動(dòng)準(zhǔn)同步并車;（5）自動(dòng)恒壓及無(wú)功功率自動(dòng)分配;（6）自動(dòng)橫頻及有功功率自動(dòng)分配;（7）自動(dòng)分級(jí)卸載;（8）負(fù)載自動(dòng)分級(jí)啟動(dòng)。

3 船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)一般是由上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的兩級(jí)控制系統(tǒng)。

（1）上位機(jī)。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并在當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警通知相關(guān)人員。上位機(jī)還需要根據(jù)船舶實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)電力負(fù)載進(jìn)行管理，例如重載詢問(wèn)、增減負(fù)載等。

（2）現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)組的電壓、電流、頻率值，還需要控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)并車、負(fù)載自動(dòng)轉(zhuǎn)移、故障機(jī)組自動(dòng)解列、自動(dòng)停機(jī)等功能。現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備還可以方便的與上位機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)通信，共享數(shù)據(jù)。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)主站和各從站間的通信連接，完成信息、控制命令的傳輸與發(fā)送。通信網(wǎng)絡(luò)一般采用雙重冗余設(shè)計(jì)，這樣就使得信息傳輸更加高速可靠

4自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分析

PPU裝置采用一體化設(shè)計(jì)，其面板為帶按鈕的液晶顯示器，PPU可以與控制器通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PPU外圍有開(kāi)關(guān)量輸入、輸出接口，可配置的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口，模擬量輸入、輸出接口和可配置的模擬量輸入/輸出接口，還可以選配RS485、CAN、Profi Bus-DP等通信接口，并自帶可編程的RS232接口。PPU是一個(gè)緊湊的微處理器控制單元，廣泛的應(yīng)用于陸地或船舶，其主要功能包括：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理功能：檢測(cè)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓、電流、頻率和功率值，實(shí)現(xiàn)頻率比較、電壓檢測(cè)、主開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間補(bǔ)償、相序檢測(cè)、計(jì)量等;

（2）自動(dòng)并車功能：在收到上位機(jī)發(fā)出的并聯(lián)運(yùn)行指令后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并車操作;

（3）發(fā)電機(jī)負(fù)載自動(dòng)分配和頻率的自動(dòng)控制;

（4）并車運(yùn)行發(fā)電機(jī)電壓和無(wú)功功率的自動(dòng)平衡控制;

（5）并車運(yùn)行時(shí)，各發(fā)電機(jī)負(fù)載的自動(dòng)檢測(cè)，以及根據(jù)選擇信號(hào)控制解列和自動(dòng)停車;

（6）根據(jù)選擇信號(hào)和電網(wǎng)負(fù)荷自動(dòng)控制各發(fā)電機(jī)的自動(dòng)起動(dòng);

（7）網(wǎng)絡(luò)通信：與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)顯示單元或PC進(jìn)行參數(shù)的修改，PPU之間與上位PLC之間的通信方式有MODBUS RTU（RS485）、CANBUS、Profi Bus-DP三種供選擇。

5 船舶應(yīng)急電力系統(tǒng)概述

5.1 基本組成

通常，船舶電站發(fā)電機(jī)組的組成主要包括電源、電力負(fù)載、配電裝置與電力網(wǎng)。（1）電源。所謂電源是能夠有效轉(zhuǎn)換機(jī)械能與化學(xué)能并成為電能的主要裝置。在船舶中，最常見(jiàn)的電源裝置是柴油發(fā)電機(jī)組，而蓄電池則可以被當(dāng)做小的應(yīng)急電源。（2）配電裝置。配電裝置最主要的功能是保護(hù)、測(cè)量并監(jiān)控船舶電源、電力負(fù)載與電力網(wǎng)的基本裝置，其中涵蓋了測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)、互感器、輔助設(shè)備、連接母線與自動(dòng)裝置等。需結(jié)合供電范圍與對(duì)象差異，將配電裝置細(xì)化成岸電箱、主配電板、分配墊板、應(yīng)急配電板和蓄電池充放電板等。（3）船舶電力網(wǎng)，即全船電纜電線總稱，能夠有效管理整個(gè)船舶的用電需求。其中，船舶電網(wǎng)主要是供電網(wǎng)與配電網(wǎng)2個(gè)部分。而供電網(wǎng)則是發(fā)電機(jī)，主配電板通過(guò)配合才能滿足船舶各種電力設(shè)備的要求，若是配電網(wǎng)絡(luò)中存在大容量設(shè)備與重要設(shè)備，均需由主配電板敷設(shè)單獨(dú)饋電線，以實(shí)現(xiàn)供電的目標(biāo)。船舶電力網(wǎng)能夠結(jié)合聯(lián)接負(fù)載性質(zhì)，細(xì)化成弱電電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)、主電網(wǎng)與小應(yīng)急電網(wǎng)。（4）船舶內(nèi)部用電設(shè)備能夠?qū)㈦娔苡行У剞D(zhuǎn)變成其他形式能量。眾所周知，船舶電力負(fù)載的類別主要包括以下幾個(gè)方面：船舶不同的電力拖動(dòng)設(shè)備、電氣照明、通信設(shè)備、電航設(shè)備、生活區(qū)用電設(shè)備等。

5.2基本特點(diǎn)

（1）電站容量小。在遠(yuǎn)洋船舶中，主電站的發(fā)電機(jī)組主要有2～4臺(tái)，且大部分發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量在500kW范圍內(nèi)。通常，原動(dòng)機(jī)以柴油機(jī)為主，其啟動(dòng)速度較快，機(jī)動(dòng)性特征明顯，通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能需求，所以實(shí)際應(yīng)用較為普遍。

（2）由于在海洋環(huán)境中，用電設(shè)備常常工作在潮濕的環(huán)境中，這就會(huì)造成電氣設(shè)備發(fā)生更多的故障，從而影響到航線的安全。在海上航行的過(guò)程中，周邊環(huán)境要更加濕熱，為霉菌生長(zhǎng)提供了極大便利。為此，應(yīng)嚴(yán)格要求電氣設(shè)備，以免空氣濕熱而引起絕緣老化的情況。

（3）負(fù)載特點(diǎn)。因船舶電氣設(shè)備和陸地存在明顯差異，主要涵蓋了船用輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與船舶照明設(shè)備。選擇大負(fù)載消耗功率的設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行期間，會(huì)嚴(yán)重干擾到其他用電設(shè)備的安全，導(dǎo)致這些設(shè)備突然無(wú)法工作，從而導(dǎo)致更多的連鎖故障。

（4）配電裝置相對(duì)簡(jiǎn)單。一般來(lái)講，船舶電力系統(tǒng)的容量不大，且電壓等級(jí)不多，所以電壓一般不會(huì)超過(guò)690V，且變電設(shè)備、開(kāi)關(guān)電氣、繼電保護(hù)、配電設(shè)備等均比陸地簡(jiǎn)單。

6 船舶電站發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)切換電氣控制故障排除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

6.1常見(jiàn)故障

在船舶電站發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，很容易引發(fā)嚴(yán)重的故障。而發(fā)電機(jī)組故障是系統(tǒng)構(gòu)造異常，最終導(dǎo)致功能失調(diào)，在設(shè)備行為超過(guò)允許范圍的情況下，即可被稱作故障狀態(tài)。引發(fā)系統(tǒng)故障的原因包括內(nèi)因與外因兩部分。其中，內(nèi)因是系統(tǒng)自身因素，即結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與測(cè)試方法的不足，或者是選擇元器件不合理等，而外因則是運(yùn)行環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。

6.2 船舶發(fā)電機(jī)電路故障診斷原理

船舶發(fā)電機(jī)電路故障分類和診斷是一個(gè)分類問(wèn)題。首先通過(guò)傳感器采集船舶發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)信號(hào)，從狀態(tài)信號(hào)提取船舶發(fā)電機(jī)電路故障特征，并進(jìn)行歸一化，作為輸入向量，然后通過(guò)模式識(shí)別技術(shù)建立船舶發(fā)電機(jī)電路故障的分類器。

6.3船舶電力系統(tǒng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組仿真

（1）仿真系統(tǒng)。船舶電力系統(tǒng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組仿真軟件能夠在PC機(jī)中獨(dú)立運(yùn)行，確保船舶電站設(shè)備均在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)虛擬。在實(shí)際訓(xùn)練的過(guò)程中，操作人員需利用鼠標(biāo)或者是鍵盤對(duì)內(nèi)存所涵蓋的船舶電站設(shè)備圖形進(jìn)行調(diào)用，通過(guò)控制屏實(shí)現(xiàn)操作。這一船舶電站仿真軟件能夠在光盤中存儲(chǔ)，攜帶十分方便，也可以在Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行，對(duì)于硬件以及使用環(huán)境的要求并不高，且升級(jí)也相對(duì)便利，維護(hù)周期較長(zhǎng)。

（2）柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型。在船舶實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，電力負(fù)荷會(huì)伴隨工況變化而改變，且系統(tǒng)當(dāng)中的柴油發(fā)電機(jī)組分配有功功率同樣有所改變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，電網(wǎng)頻率改變明顯。所以，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)建模十分關(guān)鍵。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)受到多種因素的影響，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控、反饋和調(diào)節(jié)，可以有效提高應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的能源轉(zhuǎn)換效率。且實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)速會(huì)利用積分單元實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換，在延時(shí)單元的作用下，可以和轉(zhuǎn)速信號(hào)相乘，進(jìn)而確定機(jī)械功率。

（3）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模型。一般情況下，船舶電力系統(tǒng)屬于有限源電力系統(tǒng)，且負(fù)載容量比發(fā)電機(jī)容量更大，實(shí)際變化相對(duì)頻繁，致使柴油發(fā)電機(jī)分配無(wú)功功率隨之改變。一旦系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，電壓有所波動(dòng)，很容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)解列，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。所以，同步發(fā)電機(jī)應(yīng)設(shè)置自勵(lì)恒壓自動(dòng)裝置，進(jìn)而對(duì)勵(lì)磁電壓加以調(diào)節(jié)，確保發(fā)電機(jī)端的電壓更穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，研究勵(lì)磁系統(tǒng)并建模也十分關(guān)鍵，能夠促進(jìn)船舶電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

（4）同步發(fā)電機(jī)模型。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)下，電子與轉(zhuǎn)子電流、各個(gè)電磁專柜都會(huì)產(chǎn)生互相影響，且內(nèi)部涵蓋了動(dòng)態(tài)性與非線性電磁過(guò)渡過(guò)程。為了能夠更好地進(jìn)行仿真并分析結(jié)果，將標(biāo)準(zhǔn)值引入同步發(fā)電機(jī)仿真模型當(dāng)中。

6.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)。因數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可靠性、持久性與共享性特征明顯，所以在存儲(chǔ)、處理、傳送和管理數(shù)據(jù)方面得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同用戶的共享，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的性能達(dá)到最佳，操作十分方便，數(shù)據(jù)的恢復(fù)能力較強(qiáng)。

（2）具體過(guò)程。船舶電站電氣機(jī)組自動(dòng)切換電氣控制故障排除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要選擇數(shù)據(jù)管理器程序窗口添加，才能夠創(chuàng)建相關(guān)文件，并實(shí)現(xiàn)下一操作。應(yīng)在文件中找到新建命令并單擊，對(duì)MicrosoftAccess命令確認(rèn)，隨后確認(rèn)Version7.0MDB命令。在雙重命令之下，即可彈出系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)話框，將船舶電站電氣機(jī)組自動(dòng)切換電氣控制故障排除系統(tǒng)輸入到文件名當(dāng)中，單擊保存后，即可創(chuàng)建系統(tǒng)。再將船舶電站電氣機(jī)組自動(dòng)切換電氣控制故障排除系統(tǒng)輸入到表名的文本框當(dāng)中，進(jìn)而創(chuàng)建具體的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。字段的添加方式是要單擊AddField按鈕，并彈出相應(yīng)的對(duì)話框。在完成指定字段后，即可單擊OK按鈕。在設(shè)置用戶界面的時(shí)候，要對(duì)系統(tǒng)便捷使用加以考慮，并且將船舶電站電氣機(jī)組自動(dòng)切換電氣控制故障排除系統(tǒng)界面合理地設(shè)置為Windows資源管理器形式。

7 結(jié)語(yǔ)

船舶電站作為船舶電力系統(tǒng)的核心，對(duì)保證船舶正常航行有著決定性意義。近些年來(lái)，隨著船舶大型化、自動(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)控制的要求也愈加嚴(yán)格。因此對(duì)船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析具有重要的意義。

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