基于S7-300PLC和PPU的遠(yuǎn)洋漁船船舶電站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燕居懷，譚銀朝

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基于S7-300PLC和PPU的遠(yuǎn)洋漁船船舶電站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燕居懷，譚銀朝

（威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東榮成264315）

基于S7-300可編程邏輯控制器（PLC）和船舶電站發(fā)電機(jī)并車與保護(hù)單元（PPU），設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)洋漁船船舶電站智能化控制系統(tǒng)。以PLC為主站、PPU為從站組成的聯(lián)合控制核心，采集發(fā)電柴油機(jī)組以及船舶電網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出共享，并根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行智能化指令執(zhí)行。滿足船舶電站自動(dòng)控制以及安全保護(hù)等功能，適應(yīng)漁船在航行及作業(yè)過(guò)程中工況多變的特點(diǎn)，從而提高船舶電力網(wǎng)的可靠性、便利性與經(jīng)濟(jì)性。

S7-300PLC PPU 船舶電站 智能化控制

0 引言

隨著現(xiàn)代科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)船舶機(jī)艙的智能化要求越來(lái)越高，船舶電站的智能化控制更是船舶機(jī)艙智能化的核心。為適應(yīng)遠(yuǎn)洋漁船電力系統(tǒng)特點(diǎn)（電站配置、照明系統(tǒng)、助漁設(shè)備、無(wú)線電定位等），實(shí)現(xiàn)過(guò)程智能控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)以西門子S7-300PLC為主站，PPU為從站組成的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶電站在船舶離港、起動(dòng)、航行、靠岸、拖網(wǎng)捕撈作業(yè)等工況下發(fā)電機(jī)的智能起動(dòng)、智能并車、智能卸載、智能監(jiān)控、故障檢測(cè)和解決等智能控制[1]。

西門子S7-300可編程邏輯控制器是中小型PLC，模塊化設(shè)計(jì)，使它在保持原來(lái)PLC共同優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了靈活性，在各行各業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用。在船舶行業(yè)的自動(dòng)化控制方面應(yīng)用也比較普遍。

PPU 是船舶電站并車與保護(hù)單元，專門用來(lái)負(fù)責(zé)船舶電力網(wǎng)的電力分配。它可以采集多種船舶發(fā)電機(jī)組與電力網(wǎng)的模擬參數(shù)，并且及時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，與其他從站PPU、主站PLC以及機(jī)旁控制箱進(jìn)行通信，可以彌補(bǔ)PLC在繁雜信號(hào)采集過(guò)程中的不足。

1 船舶電站組成

基于S7-300PLC和PPU的遠(yuǎn)洋漁船船舶電站由兩臺(tái)250 kW柴油主發(fā)電機(jī)組、一臺(tái)250 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組以及配電板組成。在正常航行工況下，只需啟用一臺(tái)發(fā)電機(jī)組供電，當(dāng)捕魚(yú)作業(yè)、靠離港等工況下兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。備用發(fā)電機(jī)組與主發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)互鎖，當(dāng)主發(fā)電機(jī)組故障或其他原因?qū)е氯щ?，備用發(fā)電機(jī)組會(huì)在規(guī)定時(shí)間自動(dòng)起動(dòng)，并且只能給必要負(fù)載供電。

主配電板設(shè)有二組發(fā)電機(jī)控制屏及主開(kāi)關(guān)屏，一組應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制及主開(kāi)關(guān)單元，一組380 V負(fù)載屏，一組380 V負(fù)載及岸電屏，二組組合起動(dòng)屏，一組并車屏。為了增加船舶的安全性，主匯流排分為獨(dú)立的二段，把船舶安全必需的設(shè)備別接在不同的段上，并且兩段匯流排用隔離開(kāi)關(guān)連接，就相當(dāng)于有了雙重保護(hù)。

2 船舶電站功能

本漁船設(shè)計(jì)的船舶電站的功能主要包括自動(dòng)控制和智能保護(hù)功能兩部分[2]。

2.1控制功能

根據(jù)船舶電站的自動(dòng)化程度把工作方式分為手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和自動(dòng)化控制三種方式。

1）手動(dòng)控制方式

每臺(tái)發(fā)電機(jī)組都配有機(jī)旁控制箱，在智能控制設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，也可以通過(guò)手動(dòng)操作以確保船舶電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過(guò)機(jī)旁控制箱可對(duì)船舶柴油發(fā)電機(jī)以及電網(wǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，也可實(shí)現(xiàn)船舶電站的同步并車、手動(dòng)解列、重載詢問(wèn)、手動(dòng)停機(jī)等功能[3]。

2）半自動(dòng)控制方式

在此設(shè)計(jì)中，也可以不經(jīng)過(guò)PLC而直接由PPU進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的控制功能，這樣在PLC故障條件下仍可以進(jìn)行一定程度的自動(dòng)化控制。PPU就暫時(shí)成了控制核心，PPU除了具有信號(hào)采集與檢測(cè)功能外也可以實(shí)現(xiàn)部分控制功能。檢測(cè)匯流排的電壓、頻率與發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)，控制發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、調(diào)頻調(diào)載、并車、卸載、停機(jī)等功能。此時(shí)PPU之間的信息傳遞可以不經(jīng)過(guò)信息模塊，只用簡(jiǎn)單的電氣聯(lián)系。

3）自動(dòng)控制方式[4]

正常情況下，船舶電站是由PLC與PPU共同作為控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作。此控制網(wǎng)絡(luò)由主站西門子S7-300與三臺(tái)從站同步保護(hù)裝置PPU組成。主站負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制管理，從站負(fù)責(zé)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)的采集與轉(zhuǎn)化，主站與從站之間，從站與從站之間通過(guò)Profibus進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信?？梢詫?shí)現(xiàn)船舶電站各種控制與報(bào)警處理功能。

2.2安全保護(hù)功能

船舶在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障是難免的，這些故障又可以根據(jù)嚴(yán)重程度分為一類和二類故障。二類故障包括柴油發(fā)電機(jī)組的冷卻水溫度過(guò)高、滑油壓力與溫度異常等。發(fā)生二類故障以后，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，比如降低故障發(fā)電機(jī)負(fù)荷等，并立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如有需要需要人工進(jìn)行處理。[5]一類故障包括超速、冷卻水過(guò)高等嚴(yán)重異?，F(xiàn)象需要立即停機(jī)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待值班人員進(jìn)行處理。

3 PLC+PPU系統(tǒng)硬件組成及軟件說(shuō)明

3.1硬件組成

由于對(duì)此船舶電站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是全自動(dòng)監(jiān)控，對(duì)硬件的選型也要考慮穩(wěn)定性、可靠性等各方面問(wèn)題。此處我們選擇西門子S7-300CPU315-2PN/DP(如圖1）作為控制機(jī)。該可編程控制器的模塊化形式增加了他的組合靈活性，擴(kuò)展方便，功能更強(qiáng)，性價(jià)比高，而且處理信息的精度和速度都能達(dá)到船舶電站自動(dòng)監(jiān)控的要求。根據(jù)實(shí)際要求我們選用的其他模塊及器件分別為電源模塊PS、信號(hào)模塊SM、安裝導(dǎo)軌DIN、功能模塊FM、中央處理器CPU。

圖1西門子S7-300PLC

PPU對(duì)發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)參數(shù)的采集、發(fā)電機(jī)組的自起動(dòng)、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、自動(dòng)并車等的控制、過(guò)流過(guò)載、逆功率等保護(hù)功能，我們選擇了DEIF公司的MULTI-LINE2 系列PPU(如圖2）配合PLC實(shí)現(xiàn)。但是PPU對(duì)復(fù)雜的邏輯控制不如PLC，但是對(duì)信號(hào)周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性較差的信號(hào)處理優(yōu)于PLC，如此便和PLC形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)之勢(shì)。此外PPU還提供了用戶加密功能、保存數(shù)據(jù)、下載數(shù)據(jù)和進(jìn)行軟件升級(jí)等功能。PPU的鏈接線路圖如圖3所示。

3.2控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本船舶電站的PLC程序由STEP7軟件編寫(xiě)，系統(tǒng)的硬件組態(tài)圖如圖4所示。程序分為主程序、中斷程序與子程序，按設(shè)備層與控制層設(shè)計(jì)，每層分為若干個(gè)模塊。[6]每個(gè)模塊對(duì)外設(shè)計(jì)為PLC程序標(biāo)準(zhǔn)接口，使整個(gè)程序?qū)哟畏置鳌Ｖ饕鞒倘缦滤荆捍鞍l(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)流程圖（如圖5）、主發(fā)電機(jī)自動(dòng)增機(jī)流程圖（如圖6）、重載問(wèn)詢流程圖（如圖7）、自動(dòng)減機(jī)流程圖（如圖8）。

圖4 系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

圖5 船舶發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)流程圖

圖6 主發(fā)電機(jī)自動(dòng)增機(jī)流程圖

圖7 重載問(wèn)詢流程圖

圖8自動(dòng)減機(jī)流程圖

4 結(jié)論

針對(duì)遠(yuǎn)洋漁船的耗電負(fù)載特點(diǎn)，應(yīng)用S7-300系列可編程邏輯控制器和PPU技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋漁船船舶電站智能化控制的方法、步驟，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋漁船電站的智能起動(dòng)、并聯(lián)運(yùn)行、智能調(diào)頻調(diào)載、智能卸載、智能停機(jī)、智能監(jiān)控報(bào)警等功能。在對(duì)該船舶電站進(jìn)行了調(diào)試，基于西門子S7-300和PPU的遠(yuǎn)洋漁船船舶電站智能化控制系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1] 李雷, 劉燕, 胡益超. 基于S7-300的船舶電站功率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2013, 25(10): 53-54.

[2] 胡勤耕. 基于PLC的船舶電站控制系統(tǒng)研究[D]. 西南石油大學(xué), 2012.

[3] 陳旺, 林葉春. 基于PLC和PPU船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)水運(yùn)月刊, 2011, 01(1).

[4] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢理工大學(xué), 2009.

[5] 勞山. 船舶電站自動(dòng)化及發(fā)電機(jī)保護(hù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 大連海事大學(xué), 2014.

[6] 呂井勇, 楊濤, 張民. 船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2009, 第5期(5):27-29.

Design of Power Station Control System for Deep Sea Fishing Vessels Based on PLC and PPU

Yan Juhuai, Tan Yinchao

(Weihai Ocean Vocational College, Rongcheng 264315, Shandong, China）

A power station control system for deep sea fishing vessels is designed by using S7-300 programmable logic controller(PLC) and paralleling and protection unit（PPU). With the S7-300 PLC as main station and PPU as the slave station, all the parameters of generator set and ship power system are collected to share input and output parameters, and to execute instruction intelligently. The system can meet the functions of intelligent control and fault alarm of the ship power station. It adapts the fishing vessels in changing working conditions which enhance the ship electric system’s reliability, convenience and economy.

S7-300PLC;PPU; ship power station; intelligent control

TP273

A

1003-4862（2016）04-0037-05

2015-11-25

燕居懷(1974-)，男，副教授。研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。