船舶中高壓交流電力系統(tǒng)人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申明榮，祝彥兵

● （1．海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913；2．中船重工第704研究所，上海 200031）

船舶中高壓交流電力系統(tǒng)人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申明榮1，祝彥兵2

● （1．海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913；2．中船重工第704研究所，上海 200031）

利用PLC和觸摸屏技術(shù)設(shè)計(jì)了船舶中高壓交流電力系統(tǒng)人機(jī)交互（HMI）綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中高壓交流電站綜合保護(hù)與部分控制的人機(jī)交互在線仿真——能夠監(jiān)控所模擬船舶電站的工作狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制；能執(zhí)行故障時(shí)的故障報(bào)警、位置指示、記錄，對(duì)危害電力系統(tǒng)安全的故障能作用于相應(yīng)的主斷路器跳閘，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù)功能。

船舶中高壓交流電力系統(tǒng)；人機(jī)交互；監(jiān)控；觸摸屏

0 引言

隨著船舶向大型化、智能化的發(fā)展, 導(dǎo)致所需要的電力負(fù)荷不斷增大，低壓交流電力系統(tǒng)在安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面已逐漸難以滿足要求，所以越來(lái)越多的新造船舶，尤其是工程船、電力推進(jìn)船，提高電壓等級(jí)，采用中高壓交流電力系統(tǒng)。與低壓交流電力系統(tǒng)相比，中高壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）同等功率要求條件下，系統(tǒng)額定電流降低，減小了電纜直徑和功率損耗，降低造船成本和營(yíng)運(yùn)成本，增大了艙室可用面積；2）在船舶電力系統(tǒng)配備同等容量的條件下，所需的發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)少，使機(jī)艙設(shè)備更緊湊，可利用空間增大；3）在大容量電動(dòng)機(jī)（如側(cè)推）起動(dòng)、系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重短路故障時(shí)，可以減小起動(dòng)電流或故障電流和便于系統(tǒng)繼電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)[1]。由于中高壓系統(tǒng)的工作環(huán)境相對(duì)危險(xiǎn)，工作人員在系統(tǒng)帶電作業(yè)時(shí)操作不方便，因此需設(shè)計(jì)中高壓電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使其更人性化。目前的監(jiān)控系統(tǒng)通常具備控制設(shè)備起停、綜合報(bào)警功能，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)從監(jiān)控系統(tǒng)界面中直接更改設(shè)定參數(shù)；因此設(shè)計(jì)具有人機(jī)交互功能的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工作人員更有幫助。本文將以某船中高壓電力系統(tǒng)為依托，分別從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)中高壓交流電力系統(tǒng)人機(jī)交互（HMI）綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶高壓交流電站綜合保護(hù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示，高壓發(fā)電機(jī)、變壓器與匯流排的各保護(hù)的相應(yīng)的特征量參數(shù)經(jīng)信號(hào)采集設(shè)備將信號(hào)輸送到轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)（A/D）或數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC能夠處理的開(kāi)關(guān)量或標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)。經(jīng)PLC處理后的開(kāi)關(guān)量或模擬量信號(hào)經(jīng)通信單元將數(shù)據(jù)打包輸送給上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)顯示、報(bào)警，或輸送至控制單元進(jìn)行相關(guān)控制操作；工作人員亦可通過(guò)上位機(jī)向PLC處理單元輸送控制指令，然后PLC將處理后的控制指令信號(hào)送至控制單元實(shí)現(xiàn)控制操作，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。

圖1 船舶高壓交流電站綜合保護(hù)系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)框架圖

圖2 SIMATIC管理器中HMI站的創(chuàng)建

硬件設(shè)計(jì)中PLC與觸摸屏之間的通信時(shí)最難解決的問(wèn)題，尤其是在缺少硬件而又必須實(shí)現(xiàn)HMI在線仿真時(shí)。在無(wú)硬件時(shí)，實(shí)現(xiàn)PLC編程軟件（STEP7 V5.4）與觸摸屏編程軟件（WinCC Flexible 2007）兩者之間的通信可實(shí)現(xiàn)HMI在線仿真。選擇好所需的觸摸屏類(lèi)型與型號(hào)，完成在STEP7中生成實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的HMI站，如圖2所示。

在HMI站建立后，利用在NetPro中建立連接的方法實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備（PLC）和觸摸屏設(shè)備之間的聯(lián)系，完成兩個(gè)軟件的通信，如圖3所示。

圖3 用NetPro組態(tài)的MPI網(wǎng)絡(luò)

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件是所設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)信息傳遞的載體，而軟件則控制其動(dòng)作規(guī)律[2]。本文所設(shè)計(jì)的HMI系統(tǒng)軟件由PLC控制程序設(shè)計(jì)和WinCC Flexible組態(tài)設(shè)計(jì)構(gòu)成。PLC程序設(shè)計(jì)為發(fā)電機(jī)控制與保護(hù)設(shè)計(jì)、變壓器控制與保護(hù)設(shè)計(jì)和匯流排控制與保護(hù)設(shè)計(jì)；WinCC Flexible組態(tài)界面包括十二個(gè)能夠自由切換的工作界面。

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

圖4 保護(hù)系統(tǒng)工作流程圖

明確PLC控制系統(tǒng)總體工作流程是其軟件設(shè)計(jì)的前提。首先在系統(tǒng)上電或者故障復(fù)位后應(yīng)初始化，將各保護(hù)參數(shù)量置位，以避免影響系統(tǒng)正常工作；然后系統(tǒng)自檢判斷有無(wú)硬件故障或通信故障，防止引起保護(hù)誤動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)完成初始化與自檢之后，PLC開(kāi)始對(duì)保護(hù)特征量信號(hào)采集、處理、判據(jù)計(jì)算、判斷電站有無(wú)故障，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

完成系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)后應(yīng)分別設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)、變壓器和匯流排保護(hù)與控制系統(tǒng)[3]。由于某些被保護(hù)量需經(jīng)過(guò)更深層次的邏輯判斷，因此需對(duì)這些保護(hù)量設(shè)計(jì)其控制邏輯流程，以達(dá)到確保保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行的安全可靠的目的。

2.2 WinCC Flexible組態(tài)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用多功能面板MP 270 10’’ Touch，該面板具有性能高、開(kāi)放性強(qiáng)、性價(jià)比高、可以抗承受劇烈振動(dòng)、可運(yùn)行在惡劣環(huán)境中、與PLC易于通訊等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于船舶電站的環(huán)境中[4,5]。在組態(tài)界面設(shè)計(jì)前需定義系統(tǒng)參數(shù)變量的地址，確保其與PLC地址表中的地址對(duì)應(yīng)，定義后地址即可進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，如圖5所示。

將系統(tǒng)所需的界面按照?qǐng)D5的形式一一編輯好，為下一步的人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)做好準(zhǔn)備。

圖5 WinCC Flexible組態(tài)畫(huà)面編輯圖

3 人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

將PLC程序仿真運(yùn)行，然后使WinCC Flexible組態(tài)軟件運(yùn)行，系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖6和圖7所示，在系統(tǒng)故障時(shí)可以打開(kāi)故障界面進(jìn)行故障查詢和消音確認(rèn)，報(bào)警界面不作詳細(xì)介紹。

圖6 系統(tǒng)主工作界面

圖7 發(fā)電機(jī)組工作界面

4 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)HMI系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)電站綜合保護(hù)的在線仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制以及部分報(bào)警功能的報(bào)警與顯示，功能尚需進(jìn)一步完善。由于人機(jī)交互技術(shù)在過(guò)程可視化，易于更改和設(shè)置設(shè)備參數(shù)等方面優(yōu)點(diǎn)突出，隨著船舶電站自動(dòng)化與智能化的發(fā)展，人機(jī)交互技術(shù)必將廣泛運(yùn)用于船舶中高壓電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)中。

[1]于亮, 王校峰, 等.船舶中壓電力系統(tǒng)的發(fā)展[J].機(jī)電設(shè)備, 2008(2): 1-3.

[2]姬春義.基于DSP變壓器保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2007.

[3]陳凱.船舶發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)試驗(yàn)裝置[D].大連: 大連海事大學(xué), 2005.

[4]吳志敏, 陽(yáng)勝峰.西門(mén)子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2009.

[5]祝彥兵.船舶中高壓交流電力系統(tǒng)綜合保護(hù)研究與設(shè)計(jì)[D].大連: 大連海事大學(xué), 2012.

Design of the HMI Monitoring System of Marine High-voltage AC Power System

SHEN Ming-rong1, ZHU Yan-bing2
(1.Naval Military Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd, Shanghai 201913; 2.China; No.704 Research Institute of CSIC, Shanghai 200031, China)

The paper uses the technique of PLC and the configuration to design HMI monitoring system for the marine high-voltage AC power system.This system can realize the HMI online simulation, which means that it can not only indicate the working state of the simulating power plant, but also control the relevant devices automatically.It can implement trouble alarming,position indication, record and actuate the ACB to open due to the serious troubles, which can make the HMI system realize the automatic protection.

marine high-voltage AC power system; HMI; monitoring; configuration

U665

A

申明榮（1980-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。