PLC技術(shù)在船舶電站仿真系統(tǒng)中的教學(xué)應(yīng)用

龔成林

應(yīng)用研究

PLC技術(shù)在船舶電站仿真系統(tǒng)中的教學(xué)應(yīng)用

龔成林

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，武漢 430000）

職教數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，將PLC編程技術(shù)應(yīng)用于船舶電站仿真系統(tǒng)中，仿照實船電站，結(jié)合船舶電站項目式教學(xué)，設(shè)計多個任務(wù)，通過自主軟件編程實現(xiàn)，經(jīng)過仿真與調(diào)試，實現(xiàn)船舶電站的功能需求，改善學(xué)生船舶電站課程實訓(xùn)環(huán)境的同時，該項目也可以作為學(xué)生PLC課程的實訓(xùn)案例，全面達(dá)成學(xué)生的知識、技能與素養(yǎng)目標(biāo)，改善教學(xué)效果。

職教 數(shù)字化轉(zhuǎn)型 PLC 船舶電站 仿真

0 引言

習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中指出，要推進(jìn)教育數(shù)字化。教育部部長懷進(jìn)鵬在世界數(shù)字教育大會上指出，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型推動職業(yè)教育的創(chuàng)新發(fā)展是新時代賦予職業(yè)院校的歷史使命，也是職業(yè)教育主動貫徹國家戰(zhàn)略，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然選擇。[1]PLC編程技術(shù)、船舶電站兩門課程均是船舶電氣專業(yè)的核心專業(yè)課，將PLC編程技術(shù)應(yīng)用于船舶電站仿真系統(tǒng)中，仿照實船電站，結(jié)合船舶電站項目式教學(xué)，設(shè)計多個任務(wù)，通過自主軟件編程實現(xiàn)，經(jīng)過仿真與調(diào)試，實現(xiàn)船舶電站的功能需求，改善學(xué)生船舶電站課程實訓(xùn)環(huán)境的同時，該項目也可以作為學(xué)生PLC課程的實訓(xùn)案例，全面達(dá)成學(xué)生的知識、技能與素養(yǎng)目標(biāo)，改善教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

船舶電站仿真系統(tǒng)是以傳統(tǒng)散貨船作為母型船，仿照船舶實際功能進(jìn)行仿真設(shè)計，船舶電站仿真系統(tǒng)電源部分包括3臺主發(fā)電機(jī)組和1臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)組；配電裝置包括3個發(fā)電機(jī)控制屏、應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制屏、負(fù)載屏、并車屏和岸電控制箱。

控制系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示，控制系統(tǒng)包括PLC、MCGS觸摸屏、變頻器、PPU等，由西門子S7-300 PLC作為主站，實現(xiàn)系統(tǒng)總體邏輯控制，3個并車專用模塊PPU作為從站，分別實現(xiàn)對每臺發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)及保護(hù)功能，主、從站之間采用串口RS485總線通信。PPU采集發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果輸出至PLC，PLC完成發(fā)電機(jī)的控制。同時還搭載PC上位機(jī)和MCGS觸摸屏，在上位機(jī)上安裝MCGS觸摸屏軟件，繪制船舶電站模型界面，與PLC之間采用以太網(wǎng)通信，完成對船舶電站的操作、參數(shù)顯示及報警輸出等功能[2]。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 仿真系統(tǒng)功能與教學(xué)點

船舶電站仿真系統(tǒng)仿照實際遠(yuǎn)洋船舶功能要求，并覆蓋教學(xué)和電子電氣員實操考試技能點，完成模擬船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電、配電的操作、控制、保護(hù)、測量、監(jiān)視等功能，滿足學(xué)生對船舶電站的學(xué)習(xí)需要，具體功能如下。

2.1 主發(fā)電機(jī)組的自動起動

1)當(dāng)主配電板失電時，備用機(jī)組應(yīng)自動啟動、合閘，向電網(wǎng)供電。當(dāng)運行機(jī)組發(fā)生缸套水高溫、滑油低壓、超速等嚴(yán)重故障即將安保停車時，備用機(jī)組將自動起動、自動并車、自動轉(zhuǎn)移負(fù)荷，解列故障機(jī)組。

2)當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較大，在網(wǎng)機(jī)組負(fù)荷超過額定負(fù)荷的80%時，備用機(jī)組應(yīng)自動啟動，自動并車，分擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷。

2.2 機(jī)組投入和并聯(lián)運行

1)電網(wǎng)失電時，備用機(jī)組啟動成功后應(yīng)直接合閘，向電網(wǎng)供電。

2)電網(wǎng)有電時，備用機(jī)組啟動成功后應(yīng)自動檢測電壓、頻率、相位，并調(diào)節(jié)至兩機(jī)組同步時自動合閘。

3)自動并車后，應(yīng)在保持電網(wǎng)頻率不變情況下，進(jìn)行有功功率自動分配和轉(zhuǎn)移。

2.3 機(jī)組的解列和停機(jī)

兩機(jī)組并聯(lián)運行時，若出現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷較低，單機(jī)組足以承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷時，此時將自動解列指定機(jī)組。解列時先轉(zhuǎn)移負(fù)荷，將待解列機(jī)組負(fù)荷轉(zhuǎn)移至在網(wǎng)運行機(jī)組，待解列機(jī)組負(fù)荷低至10%的額定負(fù)荷時，即可分閘停機(jī)。

2.4 備用發(fā)電機(jī)組起、停順序設(shè)定功能

在MCGS觸摸屏人機(jī)界面上可設(shè)定備用機(jī)組啟停順序。

2.5 重載詢問功能

當(dāng)有側(cè)推裝置、壓載水泵等大功率負(fù)載的起動時，需進(jìn)行重載詢問，判斷當(dāng)前電網(wǎng)剩余功率是否能夠承擔(dān)相應(yīng)負(fù)載啟動，能夠承擔(dān)則發(fā)出信號至相應(yīng)負(fù)載啟動電路。若不能承擔(dān)，則可以考慮增機(jī)投入電網(wǎng)后再行啟動。

2.6 應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動啟動功能。

當(dāng)主配電板失電時，應(yīng)急發(fā)電機(jī)要能在45 s內(nèi)自動啟動，自動合閘，向應(yīng)急配電板供電，同時切斷聯(lián)絡(luò)開關(guān)，以防應(yīng)急發(fā)電機(jī)向主配電板供電[2]。

2.7 保護(hù)功能。

能實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組的過載、短路、失壓、逆功率保護(hù)以及主發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)和岸電聯(lián)鎖等?？刂葡到y(tǒng)船舶電站仿真由PLC進(jìn)行總體邏輯控制，每臺發(fā)電機(jī)配備PPU專用單片機(jī)模塊，以實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集，發(fā)電機(jī)并車和保護(hù)功能。PPU和PLC二者通過串口、數(shù)字量I/O口進(jìn)行通信。PLC選用西門子S7-300，在SIMATIC Manager STEP7軟件上進(jìn)行硬件組態(tài)和程序編寫[3]。

根據(jù)仿真系統(tǒng)需求，對PLC進(jìn)行I/O分配，如表1所示。

程序采用模塊化編程，在OB1中調(diào)用其他所有子程序模塊。子程序FC2模塊實現(xiàn)對三臺發(fā)電機(jī)主開關(guān)狀態(tài)和當(dāng)前負(fù)荷采集與處理，實現(xiàn)重載詢問功能。子程序FC3模塊實現(xiàn)主配電板指示燈測試功能。子程序FC4模塊實現(xiàn)應(yīng)急配電板指示燈測試功能。子程序FC5模塊實現(xiàn)主配電板并車屏蜂鳴器報警與并車失敗、匯流排頻率異常故障報警指示燈的控制等。子程序FC6模塊實現(xiàn)應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動啟停、主開關(guān)合閘分閘以及相應(yīng)指示燈控制。子程序FC7模塊實現(xiàn)船舶電站自動模式控制，包括備用機(jī)組選擇，自動啟動備用機(jī)組邏輯判別、自動停止發(fā)電機(jī)信號判別。子程序FC8模塊實現(xiàn)主發(fā)電機(jī)啟?？刂?。FC9、FC10、FC11模塊分別實現(xiàn)三臺發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘、分閘控制。FC12模塊實現(xiàn)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換。其中部分關(guān)鍵PLC梯形圖程序如圖2所示[4]。

表1 部分PLC I/O分配表

圖2 PLC部分梯形圖程序

PPU是基于單片機(jī)的專用控制模塊，用于實現(xiàn)發(fā)電機(jī)并車和保護(hù)功能。PPU接線圖如圖3所示，通過采集各發(fā)電機(jī)電壓、電流、頻率等運行參數(shù)并進(jìn)行運算，輸出控制信號至PLC。

發(fā)電機(jī)自動并車時，當(dāng)PLC的FC7模塊檢測到自動模式下，且有增機(jī)請求時，通過FC8模塊對第一備用發(fā)電機(jī)輸出啟動信號，啟動完成后，由PPU采集待并機(jī)電壓、頻率，并檢測并車條件，同時發(fā)出信號到變頻器GOV進(jìn)行調(diào)頻，當(dāng)待并機(jī)與電網(wǎng)電壓、頻率、相位一致時，由PPU的17--19端子發(fā)出合閘指令至PLC的FC9、FC10、FC11模塊，控制發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘。并車成功以后，由PPU37--39端子閉合，兩機(jī)組進(jìn)行有功功率和無功功率自動平均分配。[5]

發(fā)電機(jī)自動解列時，解列操作需將待解列的機(jī)組負(fù)荷轉(zhuǎn)移至在網(wǎng)運行機(jī)組后，發(fā)電機(jī)主開關(guān)分閘。PLC的FC7模塊會發(fā)出信號到PPU的43號端子，使PPU控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移，待轉(zhuǎn)移完畢，由PPU的14、15、16號端子發(fā)出指令，控制發(fā)電機(jī)主開關(guān)分閘。

圖3 PPU模塊外部接線圖

2 MCGS人機(jī)界面

為了更好的實現(xiàn)人機(jī)交互，仿真系統(tǒng)還設(shè)置了MCGS人機(jī)界面，通過觸摸屏豐富的人機(jī)界面功能，完全模擬實船上的船舶電站進(jìn)行界面設(shè)計，系統(tǒng)界面如圖4所示，包括三臺發(fā)電機(jī)、主電網(wǎng)、參數(shù)顯示、按鈕設(shè)置等。其中參數(shù)顯示通過PPU模塊采集發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)信息，通過串口通信至觸摸屏，觸摸屏上按鈕與PLC通信。在人機(jī)界面，可以看到各發(fā)電機(jī)的狀態(tài)、參數(shù)，也可以對各發(fā)電機(jī)進(jìn)行啟停、合閘分閘控制。

圖4 觸摸屏人機(jī)界面

3 總結(jié)

上述基于船舶電站仿真系統(tǒng)，是通過PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)和船舶電站融合，通過觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計和PLC自主編程，對船舶電站的功能和邏輯控制進(jìn)行分析，設(shè)計出基于PLC編程技術(shù)的船舶電站仿真系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)試，仿真系統(tǒng)完全實現(xiàn)了預(yù)期功能需求，也覆蓋了電子電氣員考試相關(guān)考點，改善了學(xué)生的實訓(xùn)環(huán)境，提升了教學(xué)效果。同時，船舶電站和PLC均是船電專業(yè)的核心課程，船舶上基于PLC的自動化電站的管理對船舶電子電氣員崗位提出了挑戰(zhàn)，若能將兩門課的課程設(shè)計融合，將該仿真系統(tǒng)設(shè)計思路與程序?qū)崿F(xiàn)，作為兩門課綜合課程設(shè)計，有利于學(xué)生的職業(yè)崗位知識、技能與素養(yǎng)目標(biāo)全面達(dá)成。

[1] 楊欣斌. 職業(yè)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型八大路徑. 中國青年網(wǎng). 2023. 02. 27.

[2] 操定友. 基于PLC MCGS PPU的船舶電站的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù), 2019, 15(35): 240-242. DOI: 10.14004/j.cnki.ckt.2019.4240.

[3] 周長江，孫裕林, 趙福財. 基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)分析[J].機(jī)電設(shè)備, 2022, 39(06): 113-116.

[4] 張瀟, 滕憲斌, 朱發(fā)新等. 基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 廣州航海學(xué)院學(xué)報, 2021, 29(03): 1-4.

[5] 張吉山. 基于PLC的船舶電站自動化控制[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020(30): 79-81.

The Teaching Application of PLC Technology in Ship Power Station Simulation System

Gong Chenglin

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430070, China)

TM612

A

1003-4862（2023）12-0062-05

2023-04-13

Y2019008新工科+航運強國背景下船舶電站仿真系統(tǒng)設(shè)計

龔成林(1990-)，男，講師。研究方向：船舶電氣、電氣工程與自動化。E-mail: 245084326@ qq.com