基于PLC的海面電站監(jiān)控系統(tǒng)研究及仿真

李 莉，顧凌云，喬文娟

(銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川751603)

0 引 言

海面環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨，所以在海面作業(yè)非常有危險性，很具有挑戰(zhàn)性。為了使海面上作業(yè)能夠得到有效的保障，對于電站的監(jiān)控就顯得尤為重要。隨著科技的迅速發(fā)展，海面作業(yè)的復(fù)雜程度越來越高，所以對于監(jiān)控也需要更加智能化，使得可以滿足功能多樣化，操作簡單化。在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展之下，對于電站的監(jiān)控也有了巨大的改進(jìn)，海面電站逐步向系統(tǒng)智能化、操作簡單化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、自動化程度高等趨勢發(fā)展，使得操作更加人性化?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)使得控制系統(tǒng)更加有結(jié)構(gòu)性，管理方便，為后續(xù)維護(hù)等提供了有利條件，需要對海面電站的監(jiān)控技術(shù)做更深入的現(xiàn)場總線研究。目前國內(nèi)外對于海面電站的監(jiān)控研究也比較深入，基于PLC 的海面電站監(jiān)控具有一定的優(yōu)勢，所以本文提出基于PLC 的海面電站監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合海面電站的特點(diǎn)及目前海上作業(yè)發(fā)展的復(fù)雜程度，總線控制已經(jīng)體現(xiàn)出自己的優(yōu)勢，但是還需要進(jìn)一步提高其可靠性及實(shí)時性。本系統(tǒng)結(jié)合PLC 及仿真軟件Matlab 來實(shí)現(xiàn)對海面電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真［1］。

1 海面電站監(jiān)控系統(tǒng)的組成

本設(shè)計(jì)先從整體上說明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及組成結(jié)構(gòu)所用到的硬件設(shè)備。通過介紹各個設(shè)備及子系統(tǒng)的功能來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，介紹以PLC 為核心控制的控制系統(tǒng)功能，包括電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)、功率分配、負(fù)載轉(zhuǎn)移等。同時還具有監(jiān)測保護(hù)的功能，若檢測到異常，可以自動執(zhí)行聲光報(bào)警器并采取相應(yīng)保護(hù)措施。還有一些功能需要PLC 來完成。運(yùn)行時采用主程序調(diào)用子程序的形式進(jìn)行，各子程序采取模塊化編程。本系統(tǒng)的主要模塊有重載詢問模塊，備用機(jī)自啟動模塊，自動并車模塊，自動負(fù)荷分配模塊，自動解列和停機(jī)模塊［2］。

海面電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。各PLC 作為核心控制器對各個系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行調(diào)配，并且做出一定的決策指令，使得各個功能有一定的邏輯性，保證監(jiān)控系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

圖1 電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Power monitoring system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此硬件組成的系統(tǒng)工作流程大致如下所述:各機(jī)組上帶有不同的傳感器，可以把發(fā)電機(jī)的各種參數(shù)傳遞給機(jī)旁控制箱。機(jī)旁控制箱可以與PLC 之間交換信息，也可以與PPU 之間交換信息，把一些參數(shù)經(jīng)簡單處理傳出去的同時也接受PLC 以及PPU發(fā)來的一些控制指令。然后把這些指令傳達(dá)給執(zhí)行器，來達(dá)到對柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的效果。

PLC 與PPU 是此系統(tǒng)的控制核心，西門子S7 -300PLC 做主站，PPU 做從站。PLC 主要控制機(jī)組的啟動、解列、停機(jī)等。通過Profibus -DP 總線，連接各個PPU，處理上位工控機(jī)、PPU、機(jī)旁控制箱傳來的數(shù)據(jù)信息。從站PPU 則負(fù)責(zé)采集各發(fā)電機(jī)組以及電網(wǎng)的各種參數(shù)，把一些模擬量參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過Profibus -DP 總線，把數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC，同時接收來自PLC 的控制命令，把指令傳遞給機(jī)旁控制箱，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步合閘并車的控制以及各機(jī)組與電網(wǎng)各運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測等功能。上位機(jī)通過一MOXA 四口交換機(jī)，經(jīng)以太網(wǎng)通訊，與PLC 進(jìn)行通信，把各機(jī)組以及電網(wǎng)的參數(shù)顯示到工控機(jī)顯示屏上，并可以通過顯示屏的操作，來控制整個系統(tǒng)。同時，通過交換機(jī)還可以連接其他設(shè)備，比如打印機(jī)與AMS 報(bào)警系統(tǒng)。硬件框架如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架Fig.2 The hardware framework of monitor and control system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC 的目的就是將連續(xù)的模擬信號進(jìn)行處理，要實(shí)現(xiàn)控制，還需要對采集到的信號予以編程。一旦電站中出現(xiàn)異常，就立即報(bào)警，軟件設(shè)計(jì)方面就需要點(diǎn)亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機(jī)，在電腦上進(jìn)行可視化檢測，對于有必要的人工操作，在通過界面按鈕等功能，實(shí)現(xiàn)對PLC 的人機(jī)操作。

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

西門子S7 -300PLC 的編程軟件為STEP7，能快捷高效的實(shí)現(xiàn)模塊化編程應(yīng)用程序的開發(fā)。它提供了3 種編程方式，分別為語句表、梯形圖和功能塊圖，它是通過項(xiàng)目的方式來對自動化編程系統(tǒng)進(jìn)行管理。它的項(xiàng)目建立流程圖如圖3 所示。

用戶通過OB 操作界面來實(shí)現(xiàn)對控制程序的運(yùn)行，F(xiàn)B 為帶記憶的功能塊，F(xiàn)C 為不帶記憶的功能塊，F(xiàn)B 與FC 都是用戶自己的程序。FB 功能塊之所以有記憶，是因?yàn)樗幸粋€數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全等同于它的附屬數(shù)據(jù)塊(DB)，F(xiàn)B 調(diào)用它的時候DB 數(shù)據(jù)塊便被打開，結(jié)束后便會關(guān)閉。而FC 功能塊則沒有這種附屬數(shù)據(jù)塊，沒有記憶功能。

海面電站監(jiān)控軟件能夠在海面作業(yè)過程中對現(xiàn)場的控制和實(shí)時監(jiān)測設(shè)備各參數(shù)的同步進(jìn)行，為保證監(jiān)控軟件功能正常的運(yùn)行，應(yīng)具備以下功能:

圖3 STEP 項(xiàng)目建立流程Fig.3 The setup progress of STEP project

1)顯示與監(jiān)測電站運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù):為了能夠及時確認(rèn)電站的工作狀態(tài)，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示電站的基本參數(shù)。通過所顯示的參數(shù)，確認(rèn)電站的運(yùn)行狀態(tài)以及船舶的航行狀況。

2)對故障的處理:根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)，能夠判斷船舶電站的運(yùn)行狀況，并能夠及時的確定故障以及故障發(fā)生的原因。當(dāng)確認(rèn)故障，能夠及時報(bào)警，并能確認(rèn)故障類型［4］。

3)信息的顯示、存儲:當(dāng)有故障報(bào)警時，通過觸摸屏的監(jiān)控界面，判斷故障類型，并根據(jù)界面的顯示，能夠確認(rèn)故障發(fā)生的時間以及持續(xù)時間等。在控制系統(tǒng)內(nèi)有儲存卡，將信息儲存起來。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

PLC 有主程序、子程序和中斷程序之分。每一個掃描周期，主程序都要被執(zhí)行一次，小的控制系統(tǒng)一般可以只有一個主程序而不涉及子程序和中斷程序。當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜或規(guī)模比較宏大的時候，如果把所有的控制功能都編入主程序，主程序?qū)霈F(xiàn)難調(diào)試、難閱讀、運(yùn)行吃力、運(yùn)行時間長等情況，并且也不易于維護(hù)。而子程序便很好的解決了這種問題，當(dāng)主程序運(yùn)行的時候，會在需要的時候調(diào)用子程序，子程序只需要編寫一次，它便一直在那里等待調(diào)用。執(zhí)行完子程序以后，系統(tǒng)便會自動跳出子程序返回繼續(xù)執(zhí)行主程序。中斷程序用于快速響應(yīng)中斷事件。在主程序運(yùn)行的過程中，由于某種可能條件的觸發(fā)，主程序需要中斷去執(zhí)行編寫好的中斷程序。當(dāng)中斷程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)便會返回到之前被暫停處繼續(xù)執(zhí)行主程序。

本設(shè)計(jì)用模塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)PLC 的各個控制程序。運(yùn)行時采用主程序中斷調(diào)用子程序的方式進(jìn)行，其中各子程序采取模塊化編程。本系統(tǒng)的主要子程序模塊有備用機(jī)自啟動模塊、自動并車模塊、自動負(fù)荷分配模塊、自動解模塊列和停機(jī)模塊等。

在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，需要判斷確定船舶電站的各種工作狀態(tài)，其過程如圖4 所示，具體工作流程如下:

1)程序運(yùn)行之后，首先要對程序進(jìn)行初始化，這一操作為程序的運(yùn)行提供準(zhǔn)備條件，在程序初始化完成之后，接著進(jìn)行下一步，狀態(tài)監(jiān)控循環(huán)。

2)當(dāng)發(fā)電機(jī)首次運(yùn)行之后，對電壓頻率狀況進(jìn)行確認(rèn)核實(shí)，然后可以直接并入電網(wǎng)，在并入電網(wǎng)過程中，可以不考慮并車的條件。

3)正常工作的發(fā)電機(jī)在啟動之后合閘，然后給電網(wǎng)輸電，合閘之后的程序通過單機(jī)運(yùn)行。單機(jī)運(yùn)行的過程中，需要監(jiān)控多方面的狀況，不僅需要實(shí)時監(jiān)測運(yùn)行機(jī)的重載、故障情況、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況，還需要進(jìn)行重載詢問。在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)自動判斷機(jī)組是否夠用，若能完成任務(wù)則繼續(xù)單機(jī)運(yùn)行。

4)當(dāng)單機(jī)運(yùn)行不能完成任務(wù)時，啟用備用機(jī)組，啟動子程序與處理故障事件時的子程序一樣。

5)第1 個電機(jī)成功啟動之后，還需要進(jìn)行監(jiān)測并車，并根據(jù)檢測狀況，判斷是否滿足并車，條件符合后繼續(xù)進(jìn)行自動并車子程序。

6)實(shí)時對整個機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測所得出的故障原因作出不同的反饋。當(dāng)出現(xiàn)輕載情況時，通過調(diào)用自動停機(jī)、解列模塊等解決問題，保證是安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)重載問題時，則需要變更程序，通過再次調(diào)用自啟動模塊、自動并車模塊以及調(diào)頻調(diào)載模塊，如此循環(huán)往復(fù)。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控功能判斷需要增機(jī)的時候，包括電網(wǎng)失電超過設(shè)定的延時時間、預(yù)測可用功率低于設(shè)定的啟動限制值、運(yùn)行機(jī)故障需要換機(jī)時，系統(tǒng)便會產(chǎn)生自動增機(jī)的信號。此時也會檢測啟動的必要條件，當(dāng)滿足條件時，則啟動開始。設(shè)置好發(fā)電機(jī)組啟動的優(yōu)先級。當(dāng)?shù)? 次啟動失敗后進(jìn)行第2 次啟動，第2 次也失敗后進(jìn)行第3 次啟動，當(dāng)?shù)? 次也失敗時，宣告啟動失敗，執(zhí)行報(bào)警程序，同時啟動第2 臺發(fā)電機(jī)組，以此類推。啟動成功后，則繼續(xù)執(zhí)行下一步單機(jī)調(diào)頻調(diào)壓或自動并車。

圖4 船舶電站自動監(jiān)控主程序流程圖Fig.4 Ship power station automatic monitoring main program flow chart

4 系統(tǒng)仿真

仿真系統(tǒng)軟件采用Matlab，其在電力系統(tǒng)模型及算法的仿真過程中有著強(qiáng)大的功能，仿真過程比較簡單，可以實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的仿真效果，其開放式的結(jié)構(gòu)可以讓用戶進(jìn)行自主功能模塊的設(shè)計(jì)。在接口方面有多種語言的接口，包括VB、VC 等高級語言的接口，所以在程序編寫方面通用性很強(qiáng)，兼容性好。Matlab 可以通過硬件來直接進(jìn)行驅(qū)動，使得其驅(qū)動性更好。軟件中自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動態(tài)連接庫(DLL)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與海面監(jiān)控系統(tǒng)以外的設(shè)備進(jìn)行信息交互。

本文基于以上分析，搭建了海面電站監(jiān)控系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。監(jiān)控系統(tǒng)仿真波形如圖5 所示，仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對電站系統(tǒng)的電壓、電流、頻率和功率的仿真，模擬了海面電站電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

為了更直觀的了解電站系統(tǒng)的工作狀態(tài)，一般監(jiān)控系統(tǒng)都通過Labview 等軟件，在上位機(jī)上編輯可視化顯示界面，來實(shí)時顯示海面電站的各種參數(shù)。本文由于篇幅所限，不再做詳細(xì)介紹。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)仿真波形Fig.5 The simulation waveform of the monitoring system

5 結(jié) 語

海面電站在作業(yè)過程中扮演的角色越來越重要，海面電站監(jiān)控系統(tǒng)對于了解海面電站的運(yùn)行狀態(tài)，保證海面作業(yè)電能的有效安全的使用起著重要的作用。本文利用PLC 控制芯片，對海面電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并結(jié)合Matlab 仿真軟件對其進(jìn)行仿真。監(jiān)控系統(tǒng)可以較好的實(shí)現(xiàn)電站工作狀態(tài)監(jiān)控的可編程控制，可以實(shí)現(xiàn)電站整體工作狀態(tài)的顯示、故障信息的顯示、存儲和報(bào)警功能，可有效保證船舶的安全性及可靠性。

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