基于S7-400H的功率管理系統(tǒng)在海洋平臺中的應(yīng)用

張 奇，金 奎

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基于S7-400H的功率管理系統(tǒng)在海洋平臺中的應(yīng)用

張 奇，金 奎

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

為了實現(xiàn)350英尺自升式多功能服務(wù)平臺項目中的電站功率管理功能，設(shè)計了滿足系統(tǒng)功能要求的冗余功率管理系統(tǒng)，詳細描述了該系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、接口、軟件設(shè)計等內(nèi)容。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以西門子S7-400H PLC和DEIF并車保護單元(PPU)為核心，并采用西門子TIA Portal進行軟件設(shè)計。通過在項目中的實際應(yīng)用證明，本系統(tǒng)功能完善，操作方便，滿足項目使用要求。

S7-400H冗余 并車保護單元 功率管理系統(tǒng)

0 引言

350英尺自升式多功能服務(wù)平臺是一款4樁腿多功能自升式服務(wù)平臺，適用于無限航區(qū)航行，全船設(shè)有三臺全回轉(zhuǎn)的尾部推進器和三臺管隧式首側(cè)推，采用電力推進系統(tǒng)技術(shù)，為滿足DP-2及電力推進需求，設(shè)計了冗余的功率管理系統(tǒng)(簡稱PMS)。PMS根據(jù)電力推進系統(tǒng)的功率需求，自動的管理發(fā)電機組的運行和電能的分配[1]。PMS適用于電力推進系統(tǒng)，模塊化的設(shè)計使系統(tǒng)簡潔、易于升級。PMS內(nèi)置于配電板中，根據(jù)功率的需求對每臺柴油發(fā)電機組進行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各柴油發(fā)電機組的工作，并可以對電站系統(tǒng)進行故障診斷和處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能

PMS主要由PMS控制主站、PMS后備控制站、觸摸屏、柴油發(fā)電機組并車保護單元（PPU）組成。每套柴油發(fā)電機組配一套PPU，它可以控制柴油發(fā)電機組的調(diào)頻調(diào)載、負載分配、并車解列，并提供機組的安全保護功能[2]。PPU通過通訊總線將信息送給PMS主控站，由PMS主控站完成PMS的其它功能和安全保護，并在觸摸屏上進行工況顯示。觸摸屏可以監(jiān)測柴油發(fā)電機組的運行工況及全船重要用電設(shè)備的工況，可以通過觸摸屏手動控制機組的并網(wǎng)、解列以及更改控制參數(shù)。PMS主控站和后備控制站之間熱備冗余。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PMS設(shè)置了一個PLC控制器作為主站，同樣為每臺發(fā)電機組設(shè)置了一個機組并車保護單元(PPU)作為從站。PLC控制器采用西門子公司PLC及輔件構(gòu)成，機組控制器采用DEIF公司PPU3及輔件構(gòu)成。 PMS自帶觸摸式操作面板（HMI），用以常用參數(shù)設(shè)置和重要參數(shù)及狀態(tài)的指示。PMS基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了確保供電連續(xù)性和系統(tǒng)可靠性，PMS采用兩級控制網(wǎng)絡(luò)完成。上層采用冗余的PROFIBUS控制網(wǎng)絡(luò)，PLC控制器采用西門子的兩套S7-400H熱冗余控制器，S7-400H配置有2個同步模塊，通過光纖進行實時同步通訊，兩套S7-400H獨立運行并互為備用。一套S7-400H將在電站功率管理系統(tǒng)中發(fā)揮主控制站的功能，另一套則運行在備用控制站的狀態(tài)。一旦主用S7-400H出現(xiàn)故障，備用S7-400H將被自動切換成主用控制器?？刂破鞯那袚Q時間小于100 ms。上層PROFIBUS通過Y-link連接DEIF公司的PPU3。與機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的接口采用兩路485，采用MODBUS RTU協(xié)議發(fā)送PMS系統(tǒng)狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。PMS配置兩個9寸觸摸屏（TP900）作為人機界面交互，互為備用，分別布置在配電板同步屏上，可進行相關(guān)PMS控制操作、參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)及報警顯示。觸摸屏采用英文圖形界面。

1.3硬件組成

PMS主要硬件組成如下：

1）西門子冗余PLC S7-412H 一套。主要包括：UR-2H機架、電源模塊PS407、CPU412H、同步模塊、同步光纜(1m)、MMC存儲卡(4M)、電池。

2）YLink套件六套。主要包括：YLink有源背板、IM153-2有源背板、IM153-2接口模塊、YLink模塊。

3）ET200M分布式子站三套。主要包括：ET200M、IM153冗余連接模塊、I/O冗余連接模塊、I/O輸入輸出模塊等。4）PPU3并車保護單元六套。5）TP900精智觸摸屏兩塊。

2 系統(tǒng)接口設(shè)計

2.1電源接口

為滿足DP2模式下的FMEA(故障模式分析)要求，外部電源采用三臺在線式不間斷電源UPS(DC24V/1.5kVA)分別為三個子站獨立供電要求，各個子站電源故障情況下均不會對其他子站運行造成影響。同時，為提高PMS可靠性，另外接三路來自充放電板的DC24V作為備用電源，確保UPS故障時PMS仍然能夠正常運行。

2.2控制及信號接口

PMS接口對象主要包括：柴油發(fā)電機組、配電板、重載設(shè)備、推進變頻器、DP設(shè)備等，主要包含以下接口內(nèi)容：

柴油發(fā)電機組：機組啟動、機組停機、機組報警、機組故障、升/降速控制、升/降壓控制、遙控狀態(tài)、備車狀態(tài)、急停控制等接口。

配電板：開關(guān)狀態(tài)及合分閘控制、絕緣低報警、應(yīng)急切斷、優(yōu)先脫扣、PMS模式轉(zhuǎn)換開關(guān)等接口。

重載設(shè)備：重載詢問、重載運行、允許啟動等接口。

推進變頻器：推進斷路器合分閘及狀態(tài)、機組功率信號、快速降負荷信號等接口。

DP設(shè)備：PMS提供與DP的接口，發(fā)送PMS開關(guān)狀態(tài)、機組運行狀態(tài)、實時功率等數(shù)據(jù)，并接收DP系統(tǒng)控制指令實現(xiàn)DP系統(tǒng)功率管理。

2.3網(wǎng)絡(luò)通訊接口

PMS內(nèi)部各分布式子站及PPU3間的通訊接口采用Profibus-DP通訊；通過PPU可以讀取發(fā)電機電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等信息；

與機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的通訊接口采用485 Modbus-Rtu通訊，可實時向機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)PMS實時功率、運行狀態(tài)、斷路器的狀態(tài)和報警信號等；

與人機界面(TP900觸摸屏)采用MPI通訊，通過觸摸屏可以在線監(jiān)測PMS實時功率、運行狀態(tài)、斷路器的狀態(tài)和報警信號等。

3 軟件設(shè)計

3.1程序描述

PMS采用SIEMENS公司S7-300 PLC控制器，控制程序采用SIEMENS公司的Step7V5.5編程工具開發(fā)，通過Step 7軟件包可以實現(xiàn)程序編制、調(diào)試等功能。PLC控制程序可以采用語句表（STL）、梯形圖（LAD）及功能圖（CFC）來編寫。Step 7編程語言與SIMATIC S7系列可編程序控制器PLC相結(jié)合，用以實現(xiàn)各種自動控制功能[3]。

PLC程序采用了典型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，采用軟件塊來構(gòu)造程序。各功能模塊可以單獨進行調(diào)試運行，對各種參數(shù)進行統(tǒng)一管理，這樣使得程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護，可靠性強。軟件塊分組織塊OB、功能塊FB、功能FC、數(shù)據(jù)塊DB。組織塊OB是操作系統(tǒng)與用戶的接口，用以管理用戶程序，可用于循環(huán)、中斷驅(qū)動或定時驅(qū)動。PLC系統(tǒng)在運行時循環(huán)調(diào)用組織塊OB1，用戶程序從OB1開始自頂向下構(gòu)造。功能塊FB是在邏輯操作塊內(nèi)的功能或功能組，在操作塊內(nèi)分配有存儲器，并存儲有變量，需要背景數(shù)據(jù)塊。功能FC是類似于FB的邏輯操作塊，但是不分配存儲區(qū)，不需要背景數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊DB存貯用戶數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)控制程序主要使用了啟動塊OB100、OB101、OB102； I/O訪問錯誤中斷運行塊OB122；周期循環(huán)運行的OB1；以及各種被OB1調(diào)用的功能塊FB和功能FC。利用塊調(diào)用把各個塊組織在一起，組成一個完整的用戶程序。

3.2軟件功能

PMS根據(jù)功率的需求對每套機組進行功率管理并協(xié)調(diào)各機組的工作，對供電系統(tǒng)進行故障報警和處理，為電力推進系統(tǒng)及其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。

該系統(tǒng)的主要功能如下：

1)控制模式選擇

PMS具有手動、自動控制模式選擇，手動是指通過觸摸屏手動控制發(fā)電機組的起停、并網(wǎng)、解列。自動控制是指PMS程序自動控制發(fā)電機組的相關(guān)功能。

2) PMS模式選擇

PMS具有港口、航行模式、DP模式和升降平臺模式。在港口模式，系統(tǒng)不再按照功率關(guān)系解列機組，而是只增機不減機；在航行模式，按照系統(tǒng)正常模式增減機；DP模式，配電板分區(qū)供電；升降平臺模式，根據(jù)諧波計算的結(jié)果，保證在該模式下的發(fā)電機組在網(wǎng)數(shù)量。

3)發(fā)電機組手動遙控起停

當PMS工作在手動模式下，在PMS的觸摸屏上可直接手動控制發(fā)電機組的起動、停止；當PMS工作在自動模式下，程序根據(jù)電站負載的狀況自動控制發(fā)電機組的起動、停止。

4)機組備用/優(yōu)先選擇（用戶可編程機組優(yōu)先級順序）

PMS對柴油發(fā)電機組的起/停順序按照優(yōu)先級管理，并可在線修改機組的優(yōu)先級順序。當柴油機起動成功之后，可以自動并網(wǎng)合閘。當系統(tǒng)發(fā)出停車指令后，可以自動解列/停車。

5)電站運行狀態(tài)監(jiān)測備用發(fā)電機組自動起動

系統(tǒng)監(jiān)測到一臺發(fā)電機組預(yù)報警，則立即起動備用機組投入電網(wǎng)，以預(yù)防單臺發(fā)電機組故障對電網(wǎng)的影響。

6)自動同步、增機和解列、減機

推進負載不同，對電站的功率需求就不同，在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)量應(yīng)根據(jù)負載不同動態(tài)調(diào)整?？筛鶕?jù)實際的使用情況及機動性能的要求，實現(xiàn)自動起動、同步并網(wǎng)備用機組，或者自動解列和停止在網(wǎng)的一臺機組。

7)大功率負載起動詢問

大功率設(shè)備啟動前，需向全船功率管理系統(tǒng)申請，全船PMS將檢測在網(wǎng)的可用功率，當在網(wǎng)可用功率滿足該設(shè)備起動條件時，管理系統(tǒng)發(fā)出允許啟動信號。否則首先鎖止該設(shè)備的起動，同時增加在網(wǎng)功率，滿足該設(shè)備的啟動和運行條件。

9)過負載自動分級卸載

將船上各類負載分級，當故障發(fā)生或啟動大負載，需對功率進行限制時，先將優(yōu)先級低的或當時不重要的負載卸載，以保證推進系統(tǒng)的運行。

10)自動負荷分配

PMS系統(tǒng)實施采集每臺發(fā)電機組的功率，通過PPU可以實現(xiàn)發(fā)電機組在并網(wǎng)、運行、解列過程的負荷自動分配。

11)功率限制功能

當在網(wǎng)功率不能滿足推進功率和其他設(shè)備的需求是，PMS會發(fā)出功率限制指令給推進系統(tǒng)限制推進功率的增加。

12)觸摸屏監(jiān)測功能

彩色觸摸屏的動態(tài)顯示：在觸摸屏上動態(tài)實時監(jiān)測柴油發(fā)電機組的運行狀態(tài)、匯流排電壓、頻率等運行參數(shù)、電能分配狀況等；同時可以在線修改電網(wǎng)設(shè)置參數(shù)。

故障報警功能：對柴油發(fā)電機組進行動態(tài)實時故障報警監(jiān)測，并對故障進行相應(yīng)的處理。

13)最小發(fā)電機組數(shù)量功能

系統(tǒng)可以設(shè)定在網(wǎng)發(fā)電機組的最小數(shù)量，即使在實際功率比較低的情況下也不減機。

14）系統(tǒng)自檢功能

系統(tǒng)在起動過程中進行自檢，系統(tǒng)本身出現(xiàn)的問題通過屏幕故障報警。

3.3性能指標

CPU 循環(huán)處理OB1。并逐行地讀取及執(zhí)行程序命令。當CPU 返回到第一個程序行時，它已經(jīng)完成一個循環(huán)處理。所需要的平均掃描循環(huán)時間不大于15 ms；

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)易于維護；

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的組態(tài)、編程，數(shù)據(jù)管理；

PMS及發(fā)電子站子網(wǎng)采用Profi-Bus總線型電氣網(wǎng)絡(luò)，通訊速率1.5 Mbit/s；

功率管理系統(tǒng)技術(shù)指標：

1） 啟動成功達到投網(wǎng)電壓后自動投入的時間小于30 s。

2） 機組投入運行后，頻率調(diào)節(jié)精度為50±0.5 Hz。

3） 任意發(fā)電機組長期并聯(lián)運行，當總負荷率在20%～100%和功率因數(shù)在0.6～0.9(滯后)范圍變化時，保證有功功率分配差度不大于5％。

4） 當解列發(fā)電機組經(jīng)負荷轉(zhuǎn)移后，負荷率低于10%（可調(diào)），電流不超過30%In（可調(diào)）時發(fā)出分閘指令。

3.4程序及畫面設(shè)計

PMS控制程序按照模塊化設(shè)計的思想，整個系統(tǒng)主要分為以下幾個功能模塊：母線失電處理功能模塊，PMS重載增機處理功能模塊，PMS輕載減機處理功能模塊，分級卸載處理功能模塊，禁止多臺發(fā)電機主開關(guān)同時合閘功能模塊。PMS總流程圖如圖2。

圖2 PMS控制程序總流程圖

MS中的觸摸屏軟件采用西門子TIA Portal進行軟件設(shè)計，主要包含單線圖、電氣參數(shù)、機組狀態(tài)、系統(tǒng)設(shè)置、報警列表等菜單等功能。

4 結(jié)束語

本文主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、系統(tǒng)接口、軟件功能和性能等方面闡述了350英尺自升式多功能服務(wù)平臺項目中的功率管理系統(tǒng)(PMS)的系統(tǒng)。實際應(yīng)用證明，本系統(tǒng)功能完善，操作方便。

參考文獻：

[1] 尚安利, 張達寬. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)綜述[J]. 船電技術(shù), 2011, 31（10）.

[2] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)設(shè)計和研究[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(9).

[3] 向曉漢. 西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.

Application of S7-400H-based Power Management System to Offshore Platform

Zhang Qi, Jin Kui

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM761

A

1003-4862（2016）08-0013-04

2015-12-15

張奇（1986-），男，碩士。研究方向：船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。