起動蓄電池充電自動切換系統在船舶發動機中的應用

趙芳芳 孟亮虎 張培壟 魏玉文 孫勇 宣海寬 姚剛華 王強

摘要：PLC控制的起動蓄電池自動切換充電系統具備很多優點，它主要通過硬件與軟件控制，大大提高了系統的可靠性及抗干擾能力，節約了成本，也體現了靈活應用能力。本文主要探討了電池切換系統可以實現的功能，及其軟件、硬件的設計。

Abstract： The automatic switching charging system of starting battery controlled by PLC has many advantages. It greatly improves the reliability and anti-interference ability of the system， saves the cost and reflects the flexible application ability mainly through hardware and software control. This paper mainly discusses the functions that can be realized by the battery switching system， and the design of software and hardware.

關鍵詞：PLC;自動切換;發動機

Key words： PLC;automatic switching;engine

中圖分類號：U662.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0231-02

0? 引言

近年來，蓄電池作為船舶上的一種應急能源存儲設備，是船舶和人員安全的重要保證，船舶電網斷電時短時提供必要的應急照明及向船舶各類自動化裝置、報警裝置提供工作電源作其備用電源等，蓄電池使用和維護不當都會造成不可言喻的損失，特別用于發動機起動使用蓄電池，若是發動機運行中蓄電池不能與充電發電機脫開，充電發電機空載運行，損壞調壓器，不能保證起動發動機成功;起動蓄電池組，應只能用于起動，以及機器本身的監控設備，并應采取措施以保持其始終處于儲能狀態，在無充電設備的情況下，解決蓄電池充電問題也是迫在眉睫，因此實現起動蓄電池自動切換充電及安全控制是非常必要的。

1? 系統總體設計

起動蓄電池自動切換充電系統主要由PLC采集模塊、電壓檢測模塊、繼電器、控制開關等組成。蓄電池電壓低信號采集通過電壓檢測模塊輸出電流信號進入PLC采集模塊控制系統，并通過MODBUS RTU RS485通訊口驅動PLC采集模塊的蜂鳴器報警，提醒設備維修人員蓄電池充電，在停機情況下由浮充電裝置給起動蓄電池自動充電，當發動機運行成功后，設計有運行信號自動切斷浮充電裝置給起動蓄電池充電，改為發動機自帶充電發電機給蓄電池充電，并設計有充電指示繼電器無源常開信號進入PLC采集模塊，并通過MODBUS RTU RS485通訊輸出驅動LED屏充電指示燈亮。

2? 系統硬件

系統硬件主要包括起動蓄電池硬件檢測系統和蓄電池硬件切換系統。起動蓄電池硬件檢測系統主要是指遠程監控蓄電池電壓情況的電壓檢測模塊及PLC采集模塊，電壓檢測模塊檢測起動蓄電池兩端的電壓，當起動蓄電池電壓低于DC23.2V時，采集電壓信號進入PLC采集模塊驅動蜂鳴器報警同時LED屏發起閃光提醒。蓄電池硬件切換系統主要由繼電器、接觸器等串聯或并聯設計來實現控制。起動蓄電池電壓報警系統及起動蓄電池切換系統硬件主要由電壓檢測模塊、PLC采集模塊、轉速模塊等，自動切換充電系統及蓄電池電壓檢測控制系統如圖1所示。

2.1 電壓檢測模塊UBK? 電壓檢測模塊UBK檢測是將電壓信號轉化為電流信號的變送模塊，其用于檢測直流供電蓄電池兩端電壓值正常與否，該電壓檢測模塊UBK可以預設基準電壓，當供電電壓低于設定值后，向外輸出蓄電池電壓低報警信號，驅動電壓檢測模塊UBK的常開觸點閉合，蓄電池電壓低報警信號至PLC采集模塊，并驅動蜂鳴器報警及LED屏指示等點亮。

2.2 PLC采集模塊? PLC采集模塊是控制系統的硬件核心，可以實現相關數據信息的存儲，又可以根據有關需求進行相應的程序編輯，還可以將輸入程序模塊以及輸出程序模塊等通過接口建立相應的鏈接關系，從而達到對電氣元器件的有效控制，PLC采集模塊實現蓄電池與其他元器件數據交互的橋梁，首先通過采集轉速模塊DJ的電流MA信號進行內部運算處理，輸出限定值用于控制運行信號繼電器KA1及PLC采集模塊動作，另PLC采集模塊接收處理起動接觸器KM、電壓檢測模塊UBK及充電指示繼電器KA2傳遞的開關量信號，進行硬件控制。通過PLC采集模塊的應用節省了大批量的元器件的使用，內部控制指令可以根據需求自由配置，具備應用靈活性。

2.3 轉速處理模塊DJ? 轉速處理模塊DJ是用于采集發動機轉速信號的模塊，轉速處理模塊采集的電流MA信號經過運算處理進入PLC采集模塊，最終結果是驅動運行成功繼電器KA1動作，最終實現切換蓄電池充電設備。

2.4 LED屏? LED屏具有顯示功能，此屏可以自由設置顯示項目，主要用于接收PLC采集模塊通過MODBUS RTU RS485發送相應的控制碼進行數據交換，并通過LED屏顯示，以便實現顯示數值的實時監控。

3? 系統功能

系統主要分為起動蓄電池檢測系統和蓄電池切換系統。具體實施如下描述。

起動蓄電池檢測系統，主要是通過電壓檢測模塊UBK檢測蓄電池兩端的電壓來實現，電壓檢測模塊UBK采集到蓄電池電壓低電壓信號轉化為4-20MA信號，并通過自帶常開觸點信號進入PLC采集模塊，當蓄電池電壓低時，電壓檢測模塊觸點閉合，PLC采集模塊采集到的蓄電池電壓低信號通過MODBUS RTU RS48內部通訊至LED屏顯示，并驅動蜂鳴器HA報警。

蓄電池切換系統，主要是通過運行信號來切換，由繼電器KA1常閉觸點控制通斷，具體操作如下描述。線路設計起動按鈕SB1和運行成功繼電器KA1的常閉觸點串聯后與起動接觸器KM的線圈串聯;當發動機停機狀態下，操作起動按鈕SB1，起動接觸器KM的線圈得電，接觸器KM的常開觸點閉合，起動信號進入PLC，發動機發出起動指令，14秒內起動成功，若是一次不成功，則發起第二次，不成功，則發起第三次，三次都不成功，則輸出三次起動失敗報警并驅動蜂鳴器HA得電報警。轉速模塊將采集到的4-20MA轉速信號輸入到PLC采集模塊，PLC控制模塊處理轉速模塊DJ采集的數據，并與PLC預設的發動機設定閾值進行比較;若發動機轉速小于等于預設閥值，則發動機起動成功，運行成功繼電器KA1線圈得電，繼電器KA1常開觸點閉合，充電發電機得電，運行成功后由充電發電機給蓄電池充電，充電指示充電器KA2得電，充電指示繼電器KA2觸點閉合，通過PLC采集模塊信號處理，通過MODBUS RTU RS485通訊驅動LED屏點亮充電指示燈;運行成功后繼電器KA1常開觸點斷開自動切斷浮充電裝置給蓄電池充電;繼電器KA1常閉觸點斷開，起動接觸器KM線圈失電，起動接觸器KM常開觸點斷開，起動電機斷電，發動機三次起動邏輯圖見圖2描述。

4? 應用效果評價

此控制邏輯在煙臺陽光、南通海洋等用戶得到應用，得到了一致認可，并且在各類船舶大型功率發動機的應用良好，此邏輯控制不僅可以靈活應用于負荷特性發動機，也可以應用于推進特性發動機，特別是結合PLC采集模塊的應用，隨著PLC采集模塊不斷成熟，該技術在船舶發動機電氣控制裝置中的應用領域得以發展，并且保障了其可靠性與穩定性，起動蓄電池充電自動切換系統的應用，具備性能穩定、操作簡便、高可靠性，完全滿足船舶發動機可靠成功起動的要求。

5? 結論

起動蓄電池充電自動切換系統，實現了船舶PLC控制自動化，硬件簡單，模塊化結構設計，技術經濟指標好，可靠性高，并且采用LED屏為可編輯控制屏并且可以實現實時項目監控，程序稍作修改就可以滿足用戶不同的控制要求，保證控制系統用電可靠性和穩定性，有效保護蓄電池壽命及用電的安全性，并節約了成本，經實踐使用客戶反應較好。

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