基于S7-1200 PLC的船舶電站并車裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐昭，吳志良

?

基于S7-1200 PLC的船舶電站并車裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐昭，吳志良

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

針對(duì)船舶電站自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)的要求以及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)自動(dòng)準(zhǔn)同步并車裝置。在重點(diǎn)論述并車信號(hào)檢測(cè)基本原理的基礎(chǔ)上，選用西門子公司新一代S7-1200 PLC作為核心控制器，以船舶電站物理仿真系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了相應(yīng)的軟件編程和外圍硬件電路的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行驗(yàn)證，該裝置完全實(shí)現(xiàn)了船舶電站自動(dòng)準(zhǔn)同步并車的功能且運(yùn)行可靠，并車成功率高。

船舶電站 自動(dòng)準(zhǔn)同步并車 信號(hào)檢測(cè) S7-1200 PLC 恒定超前時(shí)間

0 引言

船舶電站一般由船舶發(fā)電機(jī)組和配電盤組成，是船舶電力系統(tǒng)的核心。為了滿足船舶供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，船舶電站通常設(shè)有三或四臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組作為主電源，規(guī)范亦要求至少設(shè)置兩臺(tái)船舶主發(fā)電機(jī)組。兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的發(fā)電機(jī)通過公用母線向全船負(fù)荷供電，這就是通常所說的船舶發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行，把船舶發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)運(yùn)行的操作過程稱為并車。

隨著船舶電站自動(dòng)化程度的不斷提高和微機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的數(shù)字控制式的自動(dòng)并車裝置已顯示出其特有的優(yōu)越性。數(shù)字控制方案除了可采用單片機(jī)、微機(jī)（工控機(jī)）作為控制核心之外，還可采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）或PLC（可編程邏輯控制器）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制錯(cuò)誤!未找到引用源。。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)并車裝置采用西門子公司新一代S7-1200 PLC作為核心控制器，具有集成的PROFINET接口、強(qiáng)大的集成工藝功能（如高速計(jì)數(shù)器功能、高速脈沖輸出或脈寬調(diào)制輸出PTO/PWM功能、PID功能及運(yùn)動(dòng)控制功能等）和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，為各種工藝任務(wù)提供了簡單的通信和有效的解決方案，能滿足完全不同的自動(dòng)化需求錯(cuò)誤!未找到引用源。。同時(shí)S7-1200 PLC的高可靠性更加適合應(yīng)用于船舶電站的惡劣工作環(huán)境。

1 自動(dòng)準(zhǔn)同步并車信號(hào)檢測(cè)的原理

將一臺(tái)發(fā)電機(jī)組投入電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，不能隨便將待并發(fā)電機(jī)的主開關(guān)與電網(wǎng)相接通，否則可能會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整個(gè)船舶電力系統(tǒng)崩潰。所以在將待并發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行之前，它的某些參數(shù)必須滿足一定的要求才允許進(jìn)行并車操作。

經(jīng)理論和實(shí)踐證明，準(zhǔn)同步并車的三個(gè)限制條件為錯(cuò)誤!未找到引用源。：

1) 待并發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓之差應(yīng)不得大于額定電壓的10%；

2) 待并發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率之差應(yīng)嚴(yán)格限制在±1%額定頻率值以內(nèi)；

3) 待并發(fā)電機(jī)電壓的初相位與電網(wǎng)電壓的初相位之差應(yīng)限制在±15°以內(nèi)。

下面將分別對(duì)電壓、頻率、相位這三個(gè)參數(shù)的采集與處理方法進(jìn)行詳細(xì)論述。

1.1 電壓信號(hào)的采集與處理

到目前為止，因?yàn)榇米詣?lì)恒壓發(fā)電機(jī)的電壓都能保證在并車的允許范圍內(nèi)，所以在一般情況下，都省去調(diào)壓部分，只設(shè)大電壓差閉鎖環(huán)節(jié)錯(cuò)誤!未找到引用源。。

本文設(shè)計(jì)主要采用交流電壓變送器檢測(cè)電壓信號(hào)，其獲取與測(cè)量過程大致如下：首先，將待并發(fā)電機(jī)側(cè)與母排側(cè)的電壓分別經(jīng)互感器降至100 V；其次，將互感器二次側(cè)的電壓信號(hào)送至電壓變送器的輸入端進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換；最后，將電壓變送器的輸出端輸出的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)經(jīng)AI/AQ模塊SM 1234輸入PLC之中，從而完成電壓信號(hào)的測(cè)量。本文選用北京低壓電器廠提供的型號(hào)為CTA01的交流電壓變送器，其輸入電壓的量程為100 V，輸出形式為0~5 V的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)大電壓差閉鎖環(huán)節(jié)，本文將PLC采集到的母排電壓信號(hào)與待并機(jī)電壓信號(hào)進(jìn)行比較即可判斷出電壓差條件是否滿足要求。當(dāng)PLC檢測(cè)到電壓差條件滿足要求（本文設(shè)定為小于10%U）時(shí)，則置標(biāo)志位，并進(jìn)入下一個(gè)條件的檢測(cè)；若不滿足，PLC將禁止發(fā)出合閘指令，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.2 頻率信號(hào)的采集與處理

頻率信號(hào)的采集與處理是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同步并車功能的重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)主要采用頻率變送器檢測(cè)頻率信號(hào)，即把輸入的頻率信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓信號(hào)，最后送至PLC的模擬量輸入采集模塊。

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)，選用北京低壓電器廠提供的型號(hào)為S3-FD-450V2的頻率變送器，該頻率變送器工作方式靈活可靠，且在量程范圍內(nèi)具有極高的線性度，其輸入量程為45 ~55 Hz（100 V），輸出范圍為0~5 V的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)，此標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)經(jīng)AI/AQ模塊SM 1234輸入PLC，從而完成對(duì)頻率參數(shù)的測(cè)量以及頻差的計(jì)算。

當(dāng)頻率差的方向和大小不滿足并車條件時(shí)，PLC發(fā)出加速/減速控制信號(hào)，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變發(fā)電機(jī)的頻率直至滿足準(zhǔn)同步并車的頻率差條件。當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)異常時(shí)，PLC將禁止發(fā)出合閘指令，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.3 相位信號(hào)的采集與處理

相位信號(hào)的采集與處理是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同步并車功能的難點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在將待并發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)時(shí)，主開關(guān)的觸頭應(yīng)該在相位差為零時(shí)閉合，但是考慮到主開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間的影響，系統(tǒng)必須在相位差過零之前的某一時(shí)刻就發(fā)出合閘指令，這一提前指令可以用時(shí)間來衡量。

本文采用恒定超前時(shí)間的方法來獲取提前合閘量。首先把電網(wǎng)的正弦波電壓和待并發(fā)電機(jī)的正弦波電壓通過波形變換電路分別變換為同頻方波，波形變換電路如圖1所示。

然后對(duì)電網(wǎng)和待并發(fā)電機(jī)的電壓方波U和U的邊沿進(jìn)行檢測(cè)，通過測(cè)量兩方波信號(hào)對(duì)應(yīng)的上升沿之間的時(shí)間差，就可以獲得提前發(fā)出合閘指令的時(shí)間

如圖2所示。

在圖2中，設(shè)電網(wǎng)電壓和待并發(fā)電機(jī)電壓的周期分別為T、T，待并發(fā)電機(jī)電壓滯后于電網(wǎng)電壓的時(shí)間為t，主開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間為t，若要求在同相點(diǎn)合閘，此時(shí)t的值是唯一的，且可以由一個(gè)以T、T和t為變量的函數(shù)關(guān)系確定，即：

具體的推導(dǎo)過程如下：

在已知頻差周期T

公式（3）所表達(dá)的物理意義是：已知檢測(cè)到的t，則在經(jīng)過時(shí)間t后，相位角差為零，即電網(wǎng)電壓和待并發(fā)電機(jī)電壓的相角相等。

也就是說，若t為已知的主開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間，則對(duì)應(yīng)的t，為：

在公式（4）中代入主開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間為t和T、T的值，便可計(jì)算出t的理想值t，。在程序中，不斷拿實(shí)際檢測(cè)到的t值與理想值t，相比較，當(dāng)兩者非常接近時(shí)即表示滿足條件，發(fā)出合閘脈沖信號(hào)錯(cuò)誤!未找到引用源。。

本文采用S7-1200 PLC中CPU自帶的高速計(jì)數(shù)器HSC6來測(cè)量時(shí)間差t，其基準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘信號(hào)為20 kHz。以U的上升沿觸發(fā)高速計(jì)數(shù)器清零并開始計(jì)數(shù)，當(dāng)U的上升沿到來時(shí)讀出HSC6的計(jì)數(shù)值，此時(shí)得到的計(jì)數(shù)值就可以換算出t。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)并車裝置原理框圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)的工作流程

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)準(zhǔn)同步并車裝置的工作流程如圖4所示。

1) 系統(tǒng)初始化后，首先檢測(cè)電壓條件是否滿足并車要求。當(dāng)電壓差條件滿足要求時(shí)，程序進(jìn)入下一流程，否則系統(tǒng)將禁止發(fā)出合閘指令，并發(fā)出報(bào)警指示；

2）檢測(cè)電網(wǎng)的頻率，若電網(wǎng)頻率偏離額定值，則將其調(diào)整到額定值；

3）需要進(jìn)行并車操作時(shí)，則將進(jìn)行待并發(fā)電機(jī)組的頻率檢測(cè)。為了避免并車時(shí)出現(xiàn)逆功的現(xiàn)象，提高并聯(lián)運(yùn)行環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，本文將待并機(jī)與電網(wǎng)的頻率差的范圍限定為+0.1～+0.25Hz；

4）最后檢測(cè)相位差條件是否滿足并車要求，按照本文前述的相位條件檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法獲取了合閘的恒定超前時(shí)間發(fā)出合閘指令，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)并車功能。

3 主要技術(shù)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)與分析

3.1 高速計(jì)數(shù)器的組態(tài)與配置

本文選取的S7-1200 PLC的CPU模塊為CPU 1214C DC/DC/DC，該模塊具有14點(diǎn)數(shù)字輸入和10點(diǎn)數(shù)字輸出，并提供了六個(gè)高速計(jì)數(shù)器（HSC1～HSC6），其獨(dú)立于CPU的掃描周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，可測(cè)量的單相脈沖頻率最高為100 kHz。經(jīng)綜合考慮，本文采用高速計(jì)數(shù)器HSC6來測(cè)量恒定超前時(shí)間，其最高的計(jì)數(shù)頻率為30 kHz。HSC6的組態(tài)和配置如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 20 kHz基準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生

本文選取的S7-1200 PLC的CPU模塊還集成了四個(gè)輸出通道（PTO1/PWM1~ PTO4/PWM4）用于高速脈沖輸出，分別可組態(tài)為PTO或PWM。但是，由于PTO的功能只能由運(yùn)動(dòng)控制指令來實(shí)現(xiàn)，所以本文將PTO1/PWM1組態(tài)為PWM功能用來產(chǎn)生20kHz的基準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘信號(hào)，其組態(tài)與配置如圖6所示。

但是需要注意的是，此方法產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)是雙極性的，而PLC的高數(shù)計(jì)數(shù)器只能識(shí)別單極性的脈沖信號(hào)。為了解決這一問題，本文將PLC的PWM輸出端口Q0.0輸出的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)經(jīng)二極管濾除掉負(fù)半周部分之后再送至PLC的高速計(jì)數(shù)器HSC6的計(jì)數(shù)脈沖輸入端口I1.3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用PLC本身輸出的基準(zhǔn)脈沖，方法簡單方便、抗干擾能力強(qiáng)，其波形質(zhì)量基本不受外界影響，穩(wěn)定性好。

3.3 誤差分析

通常情況下，相位差是影響并車成功率的主要因素。下面將對(duì)本文設(shè)計(jì)的船舶電站自動(dòng)準(zhǔn)同步并車裝置的合閘時(shí)刻相角的誤差進(jìn)行詳細(xì)分析。

S7-1200 PLC高速計(jì)數(shù)器HSC6單相的計(jì)數(shù)頻率為30 kHz，周期約為0.033 ms，即被測(cè)的時(shí)鐘信號(hào)周期不得小于0.033 ms。本裝置采用的基準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘信號(hào)的頻率為20 kHz，周期為0.05 ms，滿足高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)要求。

由于高速計(jì)數(shù)器每隔0.05 ms計(jì)數(shù)一次，所以實(shí)際檢測(cè)到的t值可以表示為：

其中為與t對(duì)應(yīng)的高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)。

通常主開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間t為100 ms，頻率差（f-f）為0.25 Hz，電網(wǎng)頻率f為50 Hz，代入公式（4），即可算出t的理想值t，為0.5 ms。由于

由公式（6）可以看出，t與t，之間的比較可以看成是與其相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)之間的比較。

在此部分程序中，本文設(shè)定當(dāng)t與t，的差值小于0.1 ms時(shí)發(fā)出合閘指令，即|-10|<2，可得8<<12，滿足上述不等式的的值為9、10、11。則當(dāng)=11時(shí)，合閘時(shí)刻的相角誤差最大，與之相對(duì)應(yīng)的t的實(shí)際值為11×0.05 ms=0.55 ms，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大相角誤差∣Δ∣=9.9°，完全滿足準(zhǔn)同步并車的相位差條件。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)準(zhǔn)同步并車裝置在船舶電站物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上經(jīng)過了反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果證明該裝置性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，與傳統(tǒng)的自動(dòng)并車裝置相比它有著明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高我國船舶電站的自動(dòng)化水平起到了一定的借鑒作用。

[1] 吳志良.船舶電站[M].大連:大連海事大學(xué)出版社, 2012.

[2] 張春. 深入淺出西門子S7-1200PLC[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2009.

[3] 廖常初. S7-1200PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[4] 王仁祥,王小曼. 西門子S7-1200PLC編程方法與工程應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社,2011.

[5] 黃麗卿.基于PLC的船舶電站自動(dòng)頻載調(diào)節(jié)裝置研究與實(shí)現(xiàn)（碩士學(xué)位論文）[D]. 廈門:廈門大學(xué), 2007.

[6] 楊國豪,王恒,華增芳等. PLC船舶電站自動(dòng)準(zhǔn)同步并車裝置[J]. 航海技術(shù), 2000,(5):49-51.

Design of Automatic Parallel Operation Set for Marine Power Station Based on S7-1200 PLC

Xu Zhao, Wu Zhiliang

（Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning , China）

U665

A

1003-4862（2014）11-0048-04

2014-09-13

徐昭（1989-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。