船舶電站管理系統(tǒng)的設(shè)計與研究

陳兵 劉家劼

【摘 要】隨著造船技術(shù)的進步，船舶對電站管理系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性要求逐漸提高，其運行的可靠性對船舶安全行使有很大意義，所以本文對船舶電站管理系統(tǒng)設(shè)計進行研究有著非常大的意義。本文首先對船舶電站管理系統(tǒng)進行了概述，然后分析了該系統(tǒng)的主要功能，最后從硬件和軟件的角度提出設(shè)計思路，以供廣大讀者參考。

【關(guān)鍵詞】船舶電站管理系統(tǒng) 硬件設(shè)計 軟件設(shè)計

1 船舶電站管理系統(tǒng)概述

船舶電站是整個船舶系統(tǒng)的重要組成部分，其運行的可靠性對船舶安全行使有很大意義，并且隨著現(xiàn)代船舶信息化技術(shù)的發(fā)展，船舶電站管理也開始向自動化和智能化方向靠攏。船舶電站自動化管理的優(yōu)點主要包括：提高船舶電站供電能力、減少船員值班強度、維持供電的可靠性和持續(xù)性、提高船舶運行的效率等。

我國船舶自動化技術(shù)在發(fā)展過程中從當初的有觸點控制系統(tǒng)逐漸向無觸點控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，所以電路控制系統(tǒng)也發(fā)展為規(guī)?；?、模塊化和結(jié)構(gòu)化的集成電路。目前我國很多船舶電站都采用了微機來控制，從而促使控制體積和重量大大下降，可靠性也得到了很大提高，控制方式逐漸向軟件控制過渡，導(dǎo)致功能使用起來更加容易。

我國目前在船舶電站自動化裝置方面的研究與發(fā)達國家相比還有好呢大差距，很多設(shè)備大多是采用外國生產(chǎn)的自動控制裝置和系統(tǒng)，國產(chǎn)化僅為20%左右，在電站的配套設(shè)備中，國產(chǎn)化更低。發(fā)到國家都是采用計算機技術(shù)來研制船舶電站管理系統(tǒng)，技術(shù)也比較先進，在國際上處于壟斷地位，所以我國投入大量人力和物力去研究船舶電站自動化管理系統(tǒng)有著非常大的意義。集散控制系統(tǒng)是很多發(fā)達國家在船舶電站管理系統(tǒng)方面采用的主要設(shè)置，這種系統(tǒng)具有顯示方式靈活、連接方式容易更改、數(shù)據(jù)存儲量大等優(yōu)勢，并且在管理中還具有控制功能分散、可靠性高等優(yōu)點，所以會逐漸取代計算機集中控制系統(tǒng)。

2 船舶電站管理系統(tǒng)的主要功能

船舶電站管理系統(tǒng)主要是為了保證整個船舶的供電正常、提高勞動生產(chǎn)率、降低電站產(chǎn)生的費用等，并且隨著自動化程度的提高，電站已經(jīng)開始從以往那種局部的控制轉(zhuǎn)向目前更為集中和綜合的控制，成為整個船舶自動化的重要組成部分。

詳細來說，船舶電站管理系統(tǒng)的主要功能包括：第一，船舶電站管理系統(tǒng)可以自動啟動備用發(fā)電機組，可以解決持續(xù)供電問題。當備用發(fā)電機處于停機狀態(tài)時，如果有命令發(fā)電機啟動的信號想起，那么這臺備用發(fā)電機就會自動啟動。第二，船舶電站管理系統(tǒng)可以準同步并聯(lián)進行，降低成本。當備用發(fā)電機啟動后，并且電網(wǎng)上已經(jīng)有了發(fā)電機供電，這二者之間就可以實現(xiàn)配合工作，將啟動的發(fā)電機自動并入到電網(wǎng)中并聯(lián)使用。第三，船舶電站管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動分配有功功率。如果電站中出現(xiàn)兩臺機組并聯(lián)運行的情況，那么管理系統(tǒng)可以使電網(wǎng)頻率維持在恒定狀態(tài)，將有功功率按照機組容量比例分給兩臺機組。第四，船舶電站管理系統(tǒng)可以將解列的發(fā)電機組負載轉(zhuǎn)移到正在運行的發(fā)電機組，然后還可以自動接收跳閘命令實現(xiàn)解列。第五，船舶電站管理系統(tǒng)可以自動卸載單元，如果電網(wǎng)負載超過了一定限度后，可以將次要的負載卸載。第六，船舶電站管理系統(tǒng)可以自動分配無功功率，管理系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)單元，將電網(wǎng)電壓維持在恒定狀態(tài)，并能夠自動調(diào)整并聯(lián)狀態(tài)下的無功功率。

3 船舶電站管理系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 船舶電站管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

首先從信號的采集和處理方面來分析，信號主要在發(fā)電機、柴油機和S7—300PLC測控單元之間傳遞，發(fā)電機的信號由電影、與電網(wǎng)的相位差產(chǎn)生；柴油機的信號包括各缸排煙溫度、冷卻水溫度、冷卻水壓力、滑油壓力等部分組成；S7—300PLC測控單元的控制信號主要包括柴油機啟動、聲速脈沖、發(fā)電機并網(wǎng)合閘等內(nèi)容。測量控制單元選擇了集散式船舶電站管理系統(tǒng)，可以直接與柴油機、發(fā)電機和電網(wǎng)相連，從而完成對整個電站的控制，電站機組的測量控制單元主要有開關(guān)量輸出入、鍵盤輸入、模擬量輸出入等。檢測單元是電站管理系統(tǒng)中非常重要的部分，主要是對現(xiàn)場信號進行采集，如實反映測控對象的狀態(tài)，滿足可靠性的要求。

其次從準同步并聯(lián)控制單元功能的實現(xiàn)設(shè)計來看，該單元的主要功能包括：第一，對準備并發(fā)電機和運行發(fā)電機的相位差、頻率差等方面進行檢測，如果沒有符合并聯(lián)運行的要求，但那么久不能發(fā)出合閘命令。第二，對準備并發(fā)電機電壓和正在運行發(fā)電機電壓的頻率差進行檢測，并發(fā)出調(diào)頻信號，將二者的頻差減小到滿足合閘的要求。第三，如果頻率差和電壓差都滿足了要求，那么該單元就要提前發(fā)出合閘命令，從而實現(xiàn)自動準同步并聯(lián)。電壓信號、頻率信號和信號的檢測是這一設(shè)計的主要內(nèi)容，從電壓信號的檢測來看，電壓條件應(yīng)該滿足PLC模擬量模塊的要求，并采用電壓比較器來檢測，如果檢測到電壓沒有滿足要求那么就要發(fā)出報警信號。從頻率信號的檢測來看，這一檢測時為了實現(xiàn)自動調(diào)頻功能，可以采用光電編碼器來材質(zhì)，控制對象頻率為50Hz。從相位信號的檢測方面來看，這是為了實現(xiàn)自動并聯(lián)運行，也是其中的難點，在檢測過程中要考慮到各種環(huán)境下的合閘動作時間，并根據(jù)檢測的相位差等要素來計算合閘提前量。

最后從自動調(diào)頻調(diào)載單元的功能設(shè)計方面來分析，這一單元的主要功能包括：第一，維持電力系統(tǒng)頻率在恒定位置；第二，在接受解列命令后能夠自動控制負荷轉(zhuǎn)移，并且在一定情況下還可以自動分閘，從而與電網(wǎng)脫離；第三，根據(jù)發(fā)電機組容量的比例進行負荷分配。這一單元的設(shè)計內(nèi)容包括頻率調(diào)節(jié)的實現(xiàn)和有功功率的分配。頻率調(diào)節(jié)的實現(xiàn)需要安裝超頻閉鎖限值，這樣在頻率達到某種高限后，就可以禁止加速條件，從而閉鎖加速調(diào)節(jié)信號，另外還會發(fā)出警報。有功功率轉(zhuǎn)移和分配功能的實現(xiàn)是在控制器發(fā)出控制信號后，可以適當?shù)丶哟笥烷T，從而減少網(wǎng)機的油門，這樣既實現(xiàn)了有功功率的轉(zhuǎn)移；而有功功率的分配則是在發(fā)電機組并聯(lián)運行狀態(tài)下系統(tǒng)總負荷會按照有差調(diào)節(jié)特性來平均分配給并聯(lián)的多臺機組，還可以進行二次調(diào)節(jié)。

3.2 船舶電站管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

首先從自動啟動模塊的子程序設(shè)計方面來看，這一程序是在電網(wǎng)功率不夠的情況下發(fā)出增機信號，同時還可以檢測到備用發(fā)電機的條件。如果出現(xiàn)了以上情況，那么該程序就會發(fā)出信號，子程序會檢測是否存在機械故障，如果有故障就要轉(zhuǎn)向下一臺備用機組。目前在這一程序中還利用了計算機技術(shù)，可以發(fā)出自動啟動的決策，主要呈現(xiàn)檢測就可以聽到信號后啟動。

其次從自動準同步并聯(lián)子程序設(shè)計方面來分析，該程序可以自動判斷目前電站所處的狀態(tài)，所以需要在該項程序中加入狀態(tài)變量，那么在并聯(lián)運行中，就可以對狀態(tài)變量進行循環(huán)讀取和分析，并根據(jù)判斷的結(jié)果來決定各個子程序模塊的使用。頻率檢測程序設(shè)計也是其中非常重要的內(nèi)容，這一程序設(shè)計中的脈沖寬度要根據(jù)頻差來決定，從而將調(diào)節(jié)次數(shù)控制在最小的范圍內(nèi)，這樣既避免了振蕩，有能夠快速解決問題。

最后從自動調(diào)頻調(diào)載程序設(shè)計方面來分析，這一程序主要是對電站的工作情況進行監(jiān)控，編制這一系統(tǒng)的程序需要對船舶電站自動調(diào)頻調(diào)載功能進行分析。根據(jù)檢測的自動調(diào)頻調(diào)載功能來編寫控制程序，同時還有利用模塊化設(shè)計思路，這樣就可以完成穩(wěn)頻和均功的作用，所以其中的子程序主要包括均功模塊和穩(wěn)頻模塊，在發(fā)送報警時可以使用相應(yīng)的子程序模塊。在對自動調(diào)頻調(diào)載的控制軟件進行設(shè)計時，主要模塊包括解列控制模塊、功率檢測模塊頻率檢測模塊等方面，而主模塊程序在設(shè)定時注意過程應(yīng)該包括：第一，如果是單機沂南縣，那么就應(yīng)該執(zhí)行單機穩(wěn)頻調(diào)節(jié)；第二，如果是并聯(lián)運行，并且負載也沒有達到一定限值，那么就應(yīng)該使用調(diào)頻調(diào)載程序模塊；第三，如果在并聯(lián)運行時，負荷達到了一定限值，那么就應(yīng)該使用解列模塊，然后再進行網(wǎng)機的穩(wěn)頻操作。

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作者簡介：陳兵（1982—），男，廣西玉林人，本科，研究方向：船舶電氣。