微型船舶電站仿真操作系統設計

王 瑞 王宗濤 韓廷選 胡亞輝

（天津理工大學海運學院，天津 300384）

0 引言

船舶電站是安裝在船舶上用于為船舶提供電力的系統，船舶電站對發電機發出來的電能進行管理分配，使其更好地供應到設備上。由于船舶電力系統獨立于岸上的電力系統，船舶電站單獨為船舶電力設備供電，因此，其功能的重要性顯得尤為突出[1]。

我國每年都有大量的航海類院校畢業生選擇從事航海事業，船員培訓市場的前景非常可觀。船舶電站的相關知識在電子電氣員適任考試中所占比例較大，包括對理論和實操2個部分的內容進行考核，系統性較強，學習難度較大[2]。

針對上述問題，該文設計了一種基于PLC與組態王Kingview的微型船舶電站仿真操作系統。該系統配有硬件操作按鈕、油門調速開關、同步表選擇轉換開關以及指示燈等，并集成在船舶電站仿真操縱面板上；還配有由組態軟件開發的船舶電站仿真儀表顯示界面。當操作者在操縱面板上進行操縱時，上位機的模擬仿真顯示儀表會動態顯示相關參數的變化。利用PLC進行控制，并通過RS-232接口與上位機進行通信，能夠實現3臺發電機的并車、均衡負載和解列等功能，并且可以在“手動、半自動和自動”3種控制模式下穩定運行。

1 船舶電站仿真操作系統的軟件設計

1.1 組態界面的建模與仿真

選用組態王Kingview對該系統的組態界面進行設計，使系統的人機界面更加友好，增加操作的真實感，滿足操作者的視覺習慣。

船舶電站的建模主要包括控制屏、負載屏、并車屏、儀表（電壓表、功率表、頻率表、電流表和同步表等）以及指示燈、合閘和分閘按鈕等狀態量的構建。

主操作界面如圖1所示。在該界面內，操作者可以進行“手動、半自動和自動”3種控制模式下的并車、均衡負載以及解列等仿真操作。

圖1 主操作界面的人機顯示屏

該仿真操作系統對3臺發電機進行仿真。操作界面包括1號發電機控制屏、2號發電機控制屏、3號發電機控制屏以及并車屏。發電機控制屏有4塊儀表：電流表、功率表、頻率表和電壓表。在并車屏上也有4塊儀表，分別是電壓表、待并發電機頻率表、在網發電機頻率表和同步表。在并車屏下方均勻分布有用于并車、解列操作的相關按鈕和轉換開關。頁腳中獨特地設計了7個功能按鈕：前三個按鈕可以實現3臺發電機之間在操作時切換界面的功能；“負載屏”按鈕用于彈出負載屏界面，監控負載工作狀態；按下“變量監控”按鈕后會彈出含有所有變量的監控界面，便于在開發和維護系統時了解變量狀態；“開始／復位”按鈕的功能是在初始進入組態軟件的主界面時，通過按動該按鈕進入儀表仿真界面，并初始化所有變量，還可以在系統任意運行過程中按動該按鈕實現對軟件和硬件中所有變量的復位；在系統任意運行狀態下按動“退出”按鈕都將使組態軟件退出運行狀態，變為編輯狀態。

另外，在仿真裝置的操縱面板上設計了“NO.1儀表、NO.2儀表和NO.3儀表”3個按鈕，用于對發電機的儀表進行放大顯示。

1.2 組態軟件程序設計

1.2.1 并車程序設計

該系統可以對船舶電站同步表法并車操作進行仿真設計。手動與半自動控制模式下的并車操作都是根據在網發電機的運行狀態及負載情況人為地判斷是否需要并車。手動并車操作流程如圖2所示，該過程中油門調速開關的調節和合閘時刻的選取均由操作者來完成；而半自動并車操作則是由系統自動完成的。在全自動控制模式中，由系統自動判斷是否需要并車；當需要并車時，系統自動判斷合閘條件并做出相應調整。并車過程最重要的是對合閘時刻的把握，如果合閘失敗，就會導致原本在網運行的發電機組跳電，從而造成全船失電。在開發該系統時專門為合閘失敗設計了報警窗口，如果操作者合閘時機把握不當就會彈出報警窗口；此時，按下“開始/復位”按鈕即可進行復位。

圖2 手動并車操作流程圖

1號發電機和2號發電機完成并車后的儀表狀態如圖3、圖4所示。

圖3 1號發電機并車后儀表運行狀態圖

圖4 2號發電機并車后儀表運行狀態圖

1.2.2 解列程序設計

與并車過程相似，手動和半自動控制模式下是否需要解列也是由人工來決定的，而全自動模式則是由系統自動判斷的。在進行手動解列操作時，操作者同時向相反方向調節2臺發電機對應原動機的油門調速開關；為了防止逆功率，要注意觀察被解列發電機的功率表，當功率表指針低于額定功率的5% 時，按下并車屏上面的分閘按鈕，該發電機解列完成，功率降為0 kW。半自動和全自動控制模式下的解列操作均由系統自動完成，當被解列發電機的功率低于額定功率的5% 時，自動分閘。

在解列過程中，如果出現逆功率現象，就會彈出報警窗口，按下“開始/復位”按鈕即可復位。

2 船舶 電站仿真操作系統的硬件設計

2.1 PLC的I/O點數分配

在該系統中，PLC與組態軟件之間傳遞的參數均為開關量，而儀表顯示的模擬量則在組態軟件中進行定義及運算，不在PLC中進行運算，PLC只采集仿真裝置操縱面板上的開關狀態，并通過傳輸線纜將其傳送給組態軟件，進而控制組態軟件操作界面中的儀表動作。

在設計該系統時，需要給操縱面板上的每個帶燈按鈕分配1個輸入點和1個輸出點；給每個不帶燈的負載開關均分配1個輸入點；選擇同步表開關時，因為該系統模擬3臺發電機的仿真操作，所以要滿足選擇3臺發電機的功能，就需要給其分配3個輸入點；每個調速開關均有2個功能：加速和減速，因此每個調速開關分配2個輸入點；手/自動選擇開關在編程設計時用MANU=1表示進行手動操作，用MANU=0表示進行自動操作，顯然只需要給每個手/自動選擇開關分配1個變量即可。

綜上所述，系統操作面板總共需要45個開關量輸入點和29個開關量輸出點，具體I/O點數分配情況見表1。

表1 PLC I/O點數分配表

2.2 PLC程序設計

在該系統中，PLC程序的主要功能是將仿真裝置操縱面板上的按鈕等開關量與組態王中相應的變量一一對應起來。由于在不同操作界面下每個按鈕所實現的功能會發生變化，因此共設計了10個子程序來實現全部功能。

另外，在組態王數據詞典中，需要定義PLC和組態王之間進行參數傳遞的變量，從而將PLC中I/O端口的狀態實時地傳送到組態界面，進而控制相關儀表的動作。

3 船舶電站仿真操作系統的功能

基于組態王開發的船舶電站仿真操作系統儀表顯示界面幾乎可以模擬船舶電站所具備的所有功能；但是由于硬件資源及成本限制，因此，設計該系統時，只對船舶電站常用功能以及海事部門對船舶電站實操評估考試中要求的重點、難點操作進行了仿真。具體可實現的功能如下：1）發電機及其原動機的啟停。2）手動、半自動和自動3種控制模式下3臺發電機組之間并車、解列以及均衡負載等功能。3）并車、解列失敗報警功能。4）系統一鍵復位功能。

4 結語

船舶電站是船舶的重要設備，它單獨為船舶電力設備供電。該文基于PLC和組態王Kingview開發的微型船舶電站仿真操作系統能夠模擬3臺發電機在“手動、半自動和自動”3種控制模式下的并車、均衡負載以及解列等功能，符合船舶電站的相關操作要求；可以用于航海類院校、船員培訓機構教學以及電子電氣員適任實操評估模擬考試等場合。系統具有微型化、可視化等優點，有利于學員更好地理解和掌握船舶電站的操作過程，可以提高課堂教學效率，達到良好的訓練效果，同時降低訓練風險，節約訓練成本。