基于PLC MCGS PPU的船舶電站的設(shè)計(jì)

操定友

摘要：AHTS多用途工作船具有動(dòng)力定位功能，主要用于海上打撈救助、海洋石油平臺(tái)供應(yīng)、散液貨供應(yīng)及遠(yuǎn)洋拖帶功能等。基于船舶作業(yè)的安全需要和多功能化發(fā)展，一個(gè)可靠性高、功能齊全的船舶電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)是很有必要的。本文以具有DP2定位的AHTS船舶的電力系統(tǒng)（440V/60Hz）為平臺(tái)，詳細(xì)地闡述了船舶電站的設(shè)計(jì)過程和實(shí)現(xiàn)方法，采用西門子公司S7-200型可編程控制器和丹麥DEIF公司生產(chǎn)的多功能控制器（Paralleling and Protection Unit， PPU）模塊以及MC-GS組態(tài)模塊組成的電站自動(dòng)化管理單元，設(shè)計(jì)了電站自動(dòng)化程序控制流程，對(duì)其他船型的設(shè)計(jì)和研究提供了參考意義。

關(guān)鍵詞：船舶電站;PLC;PPU：MCGS

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）35-0240-03

船舶電站是船舶最重要的組成部分。PLC作為電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要組成部分，現(xiàn)已成為電氣領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)產(chǎn)品之一。而現(xiàn)代PLC具有使用范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)及操作簡(jiǎn)單這三大優(yōu)勢(shì)，那么一個(gè)可靠性高、功能齊全的電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常采用PLC控制技術(shù)對(duì)船舶進(jìn)行自動(dòng)化控制。在這個(gè)前提下，對(duì)PLC的電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

1 船舶電站控制系統(tǒng)主要功能

該船舶在設(shè)計(jì)的過程中，結(jié)合了S7-200PLC、MCGS觸摸屏以及PPU的優(yōu)勢(shì)，使電站堅(jiān)固耐用、安全可靠。

本船設(shè)2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組功率約為425KW，兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，每臺(tái)機(jī)組為1200KW，一臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，功率為122KW。見圖1船舶電站系統(tǒng)圖。

1.1控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)具有可以自發(fā)處理電站在常規(guī)工作模式以及在DP特殊模式發(fā)生一系列故障的功能，并且能自動(dòng)對(duì)電站功率、電壓以及頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以自動(dòng)對(duì)各發(fā)電機(jī)組進(jìn)行自啟動(dòng)、并車、解列等控制。

1.2自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)可以對(duì)電站其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，監(jiān)控對(duì)象主要包括：原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)等，這些設(shè)備監(jiān)控所產(chǎn)生的開關(guān)量、模擬量與報(bào)警系統(tǒng)所預(yù)設(shè)好的報(bào)警閥值進(jìn)行比較，若超過報(bào)警閥值，報(bào)警器將會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒值班人員注意。報(bào)警系統(tǒng)還應(yīng)在出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，對(duì)報(bào)警項(xiàng)目進(jìn)行醒目顯示并進(jìn)行記錄、匯總。

1.3安全保護(hù)系統(tǒng)

安全系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其作用是：在電站的運(yùn)行過程中若發(fā)生嚴(yán)重危及電站運(yùn)行的故障或其他危及DP工況模式時(shí)，安全保護(hù)系統(tǒng)可立即采取措施，進(jìn)行相應(yīng)控制或調(diào)節(jié)，以保護(hù)設(shè)備安全或人身安全。

2 船舶電站自動(dòng)化主要硬件配置

該系統(tǒng)采用PC上位機(jī)、PLC控制器（西門子S7-200型）、MCGS觸摸屏結(jié)合丹麥DEIF的PPU多功能控制器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的保護(hù)、并聯(lián)運(yùn)行和功率分配功能等。PC上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問觸摸屏監(jiān)控軟件，也可直接操作觸摸屏控制PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制。監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)通過觸摸屏顯示各發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)以及狀態(tài)參數(shù)、報(bào)警指示以及報(bào)警記錄的查詢等操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7-200選用的是型號(hào)CPU 226CN DC/DC/DC，24輸入/16輸出，2個(gè)RS485通訊/編程口，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展。可通過自帶編程軟件將S7-200組態(tài)作為MODBUS RTU主站設(shè)備工作，并與1個(gè)或多個(gè)MODBUS從站設(shè)備通訊，且可與機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。

PPU是整個(gè)船舶電站的核心，該系統(tǒng)選用丹麥DEIF生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)并聯(lián)保護(hù)控制單元PPU。PPU可被作為S7-200的從站工作。在船舶電站正常工作時(shí)，PPU可以保持動(dòng)、靜兩種狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)發(fā)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控與調(diào)節(jié)并、保護(hù)。同時(shí)，PPU與PLC之間的相互交互作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制，在這種情況下可以省去上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，減少了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸量，提高了監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。PPU可通過開關(guān)量和模擬量輸入輸出或串口通訊與PLC連接。PPU的主要功能如下：

（1）發(fā)電機(jī)的同步并車、負(fù)載分配與調(diào)節(jié)、頻率控制、逆功率保護(hù)等功能

（2）發(fā)電機(jī)的電壓、電流監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)保護(hù)

（3）發(fā)電機(jī)的起動(dòng)停止控制

（4）根據(jù)油壓、冷卻水溫度的模擬量值和交流頻率的測(cè)量值來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)。

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司生產(chǎn)的一款用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。本船舶電站系統(tǒng)非常適合采用這款組態(tài)軟件作為上位機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地顯示船舶電站的工作狀態(tài)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藶榭刂?。操作人員可以輕易地了解到整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及安全狀況，各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行開關(guān)、儀器儀表以及一些報(bào)警設(shè)備都可以直觀地顯示在上位機(jī)的操作界面上，使得操作者可以輕易地操作船舶電站的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)可視化的操作界面也可以很好地避免出現(xiàn)誤操作。

3 船舶電站的自動(dòng)化程序設(shè)計(jì)

3.1電站手動(dòng)模式

兩臺(tái)主發(fā)電柴油機(jī)之間的手動(dòng)并車以及主發(fā)柴油機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)之間的手動(dòng)并車（在特定工況下，需要將主發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行短暫并車，將主發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)移至軸帶發(fā)電機(jī)或?qū)⑤S帶發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)移至主柴油發(fā)電機(jī)）：當(dāng)任意發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)供電，需要并另一臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí)，將模式開關(guān)打到“手動(dòng)”，并將同步選擇開關(guān)選擇到相應(yīng)的待并發(fā)電機(jī)，手動(dòng)調(diào)節(jié)待并機(jī)轉(zhuǎn)速并觀察同步表指針或同步指示燈，在滿足條件時(shí)，手動(dòng)合上待并機(jī)組同時(shí)斷開同步表，并手動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載分配。

3.2電站半自動(dòng)模式

3.2.1柴油發(fā)電機(jī)組之間的半自動(dòng)并車

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)供電，需要另一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，只需要啟動(dòng)該發(fā)電機(jī)，同時(shí)將該發(fā)電機(jī)的模式開關(guān)置于“自動(dòng)”模式，待電壓建立成功后，發(fā)電機(jī)綠色指示燈亮，電站將自動(dòng)調(diào)節(jié)待并機(jī)的轉(zhuǎn)速（如有需要，可隨時(shí)將模式開關(guān)置于手動(dòng)位置，自動(dòng)并車功能取消），滿足同步并車條件時(shí)，PLC發(fā)出自動(dòng)合閘指令，合閘成功發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載分配。或者直接按下柴油發(fā)電機(jī)的“自動(dòng)啟動(dòng)/并車”按鈕，發(fā)電機(jī)將自行啟動(dòng)并完成并車功能等相關(guān)操作。

3.2.2柴油發(fā)電機(jī)的半自動(dòng)解列

無論是置于手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式，只需直接按下“自動(dòng)解列”按鈕，發(fā)電機(jī)紅色指示燈亮，自動(dòng)電站自動(dòng)降低解列機(jī)組負(fù)載，當(dāng)解列機(jī)組負(fù)載功率低于5%額定值時(shí)，自動(dòng)分?jǐn)嘟饬袡C(jī)組主開關(guān)，解列成功，經(jīng)過3min延時(shí)冷卻后，自動(dòng)停止柴油機(jī)。

3.2.3軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)組之間的半自動(dòng)并車

當(dāng)任一柴油發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)供電，需要切換到軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)，當(dāng)主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并發(fā)出速度恒定信號(hào)，將軸帶發(fā)電機(jī)的模式開關(guān)置于“自動(dòng)”模式，PLC將對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁并待電壓建立成功后自動(dòng)調(diào)節(jié)主機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足同步并車條件，自動(dòng)發(fā)出軸帶發(fā)電機(jī)合閘指令，合閘成功兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。但由于軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)的額定功率不一致，只能短時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行以作轉(zhuǎn)移負(fù)荷之需。此時(shí)需要手動(dòng)按下柴油發(fā)電機(jī)的“自動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移”按鈕，柴油發(fā)電機(jī)將自動(dòng)解列，在解列成功后并延時(shí)3分鐘停車。

3.3電站自動(dòng)模式

根據(jù)功能要求，簡(jiǎn)單的I/O地址分配如表1所示。DG1與DG2為柴油發(fā)電機(jī)，SG1與SG2為軸帶發(fā)電機(jī)，BT1與BT2為兩臺(tái)艏側(cè)推，ST為一臺(tái)尾側(cè)推。ST1 ACB與ST2 ACB能夠在失電的時(shí)候進(jìn)行自動(dòng)切換。

3.3.1匯流排失電（DP工況）

兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)獨(dú)立工作，各自向匯流排A1與B、A2與C供電。見圖1。DG1和DG2均設(shè)置在自動(dòng)模式，當(dāng)BUS BAR A1或BUS BAR A2任一匯流排因故障失電時(shí)，PLC將發(fā)送控制命令給相應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)合閘并投入運(yùn)行，快速恢復(fù)匯流排A1或A2的供電，為及時(shí)恢復(fù)船舶動(dòng)力減少所耗費(fèi)的時(shí)間。當(dāng)匯流排B或C失電時(shí)，PLC將發(fā)送合閘命令給ST2 ACB或ST1 ACB，自動(dòng)進(jìn)行供電切換操作，切換完成后尾側(cè)推自動(dòng)啟動(dòng)并投入運(yùn)行，保持了側(cè)推的冗余性。DP因故繼續(xù)保持工作，確保了船舶的可操作性與安全性。

3.3.2匯流排失電

當(dāng)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，主機(jī)速度恒定，軸帶發(fā)電機(jī)設(shè)為第一第二備用時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)因故失電，自動(dòng)電站對(duì)第一備用軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出合上勵(lì)磁開關(guān)指令，對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，電壓建立成功后發(fā)出合閘指令，軸帶發(fā)電機(jī)主開關(guān)自動(dòng)合閘并投入電網(wǎng)運(yùn)行。若第一備用投入失敗，自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二備用。

當(dāng)一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，另兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)設(shè)為第一第二備用時(shí)，當(dāng)主電網(wǎng)失電，第一備用柴油發(fā)電機(jī)將自行啟動(dòng)，啟動(dòng)成功并建立電壓后將發(fā)出合閘指令，備用發(fā)電機(jī)主開關(guān)自動(dòng)合閘恢復(fù)供電。若啟動(dòng)失敗或者合閘失敗，均發(fā)出報(bào)警提醒值班人員注意。若第一備用投入失敗，自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二備用。

當(dāng)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，另一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)設(shè)為第一備用且軸帶發(fā)電機(jī)不投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)因故失電，第一備用柴油發(fā)電機(jī)將自行啟動(dòng)并投入運(yùn)行，恢復(fù)電網(wǎng)供電。若啟動(dòng)失敗，將發(fā)出失敗報(bào)警。

3.3.3超載

當(dāng)在網(wǎng)柴油發(fā)電機(jī)功率不小于85%，另一柴油發(fā)電機(jī)設(shè)為第一備用模式，發(fā)電機(jī)將自行啟動(dòng)并自動(dòng)并車投入運(yùn)行。

3.3.4輕載解列

當(dāng)兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行并均設(shè)為自動(dòng)模式，發(fā)電機(jī)電網(wǎng)總功率不大于總功率的30%即250KW，經(jīng)過30分鐘延時(shí)，電站發(fā)出DG1自動(dòng)解列指令，待DG1負(fù)載低于額定負(fù)載的10%時(shí)，發(fā)出分閘指令，并經(jīng)過3分鐘的延時(shí)，停止DG1柴油機(jī)的運(yùn)行。見程序設(shè)計(jì)圖3。

3.3.5重載詢問

當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，駕駛臺(tái)發(fā)出啟動(dòng)側(cè)推信號(hào)時(shí)，PLC會(huì)給出一個(gè)允許啟動(dòng)信號(hào)，側(cè)推器將被允許啟動(dòng)并投入運(yùn)行。若軸帶發(fā)電機(jī)未能投入運(yùn)行，則發(fā)出啟動(dòng)失敗信號(hào)并報(bào)警。

4 結(jié)束語

綜上所述，本船舶電站系統(tǒng)功能完善，工作可靠，設(shè)計(jì)符合DP2對(duì)船舶電站系統(tǒng)的要求。本文的研究不僅是為三用工程船開發(fā)的船舶電站設(shè)計(jì)，更重要的是對(duì)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)于船舶電站工作狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)控，并能更為直觀地讓工作人員了解到船舶電站各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】

收稿日期：2019-08-27