基于PLC的網(wǎng)絡(luò)型船舶智能電力控制管理系統(tǒng)研究

鄭曉鳴 徐永法,2 陸中杰

（1. 上海交技發(fā)展股份有限公司，上海200135；2. 上海海事大學，上海200135）

1 引言

伴隨著船舶工業(yè)的快速發(fā)展，船舶的大型化和高科技日趨顯著，船舶的自動化程度越來越高，尤其是近二十年，艦船配電自動化發(fā)展迅速，自動控制水平得到很大的提高[2]。本智能配電系統(tǒng)，集成了電站能量管理和各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控顯示的功能，將PLC與觸摸屏相配合，并運用Modbus主從通訊方式[4、5]，將幾個機組融合成為一個整體，其特點是以分散的控制適應(yīng)分散的控制對象，以集中的監(jiān)視和操作達到掌握全局的目的。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和可擴展性。

2 智能配電系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由2套機組控制屏，一套并車屏和一套負載屏組成。機組控制屏是用來控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視和保護發(fā)電機組，并車屏用于實現(xiàn)多臺發(fā)電機組的并聯(lián)運行、解列及能量控制管理等功能。負載屏主要用于對各饋電回路進行控制、監(jiān)視和保護。圖1為智能電力控制管理系統(tǒng)組成框圖。

2.1 機組控制屏

機組控制屏主要由一套 Schneider twido PLC，一個電參數(shù)采集模塊，一個并車模塊和一個5.6寸觸摸屏組成，根據(jù)主控PLC（M340）的指令來控制單臺機組的啟、停、合、分，并通過網(wǎng)絡(luò)將所有采集參數(shù)反饋給主控PLC(M340)。觸摸屏用于顯示機組的各種電參數(shù)，并對故障作出報警提示。

圖1 智能電力控制管理系統(tǒng)組成框圖

2.2 并車控制屏

并車屏主要由一套Schneider M340 PLC和一個10寸的觸摸屏組成，該屏相當于整套系統(tǒng)的大腦，對各個屏上傳的數(shù)據(jù)作出處理，并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出下一步的指令。10寸觸摸屏上配有各個機組屏的電參數(shù)顯示，并可以手動對各機組屏幕進行啟、停、合、分控制。（如圖2所示）。

2.3 負載控制屏

負載屏主要由饋電開關(guān)和一套 Schneider twido PLC組成，發(fā)電機組通過母牌將電能傳送給負載屏，饋電開關(guān)將電能供給各設(shè)備或分電箱，PLC主要用于采集各饋電開關(guān)的狀態(tài)和電參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過Modbus通訊直接傳輸?shù)街骺豍LC，并由主控PLC對數(shù)據(jù)進行顯示和處理。

3 負荷控制管理原理

具有多臺機組的電站中。當需要兩臺以上的機組并聯(lián)供電時；或者雖然只需單機供電，但為了能夠不間斷地供電，都需要進行并車、解列的負載轉(zhuǎn)移和分配的操作。其中，頻率的自動調(diào)整和有功功率的自動分配是不可缺少的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用綜合調(diào)整方式，在實際運用中，隨著功率的變化電網(wǎng)的頻率也會變化，所以恒定頻率和平均分配功率是同時進行的（如圖3），其中，執(zhí)行機構(gòu)是柴油發(fā)電機的油門，根據(jù)頻率設(shè)定值和平均功率，結(jié)合當前發(fā)電機的頻率功率反饋值可以得出[1]：

圖2 系統(tǒng)主監(jiān)控界面

其中，Kf、Kp為比例系數(shù)，我們可以設(shè)定一個閾值U＞0 ，當UINI＞U則需要加大油門，提高轉(zhuǎn)速；反之，當UINI＜-U，則需要減小油門降低轉(zhuǎn)速。通過多次調(diào)節(jié)可以將UIN.I恒定在一定范圍之內(nèi)，以達到恒定頻率，平均分配功率的目的。U值越小調(diào)節(jié)精度越高，但是調(diào)整時間會相對加長。在本系統(tǒng)的實際運用中，該調(diào)頻調(diào)載的方式得到了較好運用，只要能正確的設(shè)置Kf、Kp以及U，就能達到又好又快的效果。

圖3 調(diào)頻調(diào)載系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)主要功能 [4 ]

4.1 機組的自動啟動

(1)當運行機組發(fā)生超速、滑油過度等嚴重故障時，備用機組應(yīng)自動啟動；當母線失電時所有備用機組立即自動啟動，最先起動成功者自動投入，從啟動開始到投網(wǎng)電壓后自動投入的時間小于30 s。

(2)在網(wǎng)發(fā)電機組總功率大于總額定功率的85%時，備用機組應(yīng)自動啟動。備用機組的優(yōu)先順序可人工設(shè)定。

(3)當在網(wǎng)運行機組因柴油機滑油壓力低、冷卻水溫度高、發(fā)電機組繞組過熱等故障報警時，自動啟動備用機組，備用機組并入電網(wǎng)成功后，逐步卸去故障機組負荷和發(fā)出停機指令，并發(fā)出報警信號。

(4)當裝置收到一臺機組啟動失敗信息后，則應(yīng)能自動將啟動指令轉(zhuǎn)至下一臺備用機組，并發(fā)出警報信號。

(5)機組啟動指令的發(fā)出不應(yīng)超過三次，即具有三次啟動失敗報警功能

4.2 機組投入和并聯(lián)運行

(1)母線無電時，啟動的備用機組在達到一定電壓（大于額定電壓的85%）和頻率（50±0.5Hz）后立即投入。

(2)母線有電時，該機組應(yīng)自動同步，自動合閘。

(3)自動并聯(lián)后，應(yīng)具有有功功率自動分配功能，并滿足有功分配精度（±10%PN），頻率調(diào)節(jié)精度為50±0.5 Hz。

(4)若因短路故障而引起的電網(wǎng)失電，備用機組主開關(guān)的自動合閘只允許進行一次，自動合閘失敗應(yīng)自動報警，并啟動下一臺備用機組投入。

4.3 機組解列和停機

(1)在網(wǎng)并聯(lián)運行發(fā)電機組總功率小于總額定功率的30%時，指定機組自動解列、停機，停機失敗則發(fā)出聲光報警。

(2)在解列過程中，除嚴重故障之外，均應(yīng)能平滑地自動轉(zhuǎn)移負荷。當解列發(fā)電機組的負荷轉(zhuǎn)移至小于該發(fā)電機組額定功率的10%時，發(fā)出分閘指令。

(3)機組發(fā)生超速或滑油失壓等嚴重故障時，必須采取可靠措施緊急停機，并啟動備用機組投入。

5 總結(jié)

本文采用施耐德 PLC作為控制核心，通過Modbus網(wǎng)絡(luò)將幾個控制屏聯(lián)系起來，以達到分散采集、響應(yīng)、集中監(jiān)控的目的。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC的高效可靠性。每個屏上都配有觸摸屏，使得系統(tǒng)的監(jiān)控更直觀、靈活。由于ModBus網(wǎng)絡(luò)的可靠、快捷、布線方便，使得系統(tǒng)的可擴展性大為增強。文中闡述以兩臺機組為例，在實際運用中可以擴展到多臺，在電站自動化領(lǐng)域有一定的運用價值。

[1]王文義.船舶電站.哈爾濱工程大學出版社，2006，9：293-294 .

[2]王闖，吳志良.基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].船電技術(shù).2009，2（2）.

[3]林華峰，李華. 船舶電站及電力拖動.哈爾濱工程大學出版社，2006，1：

[4]徐世許等. 可編程序控制器應(yīng)用指南. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007，7.

[5]揚憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京： 清華大學出版社，1999，6：406-407.