船舶電站系統(tǒng)控制的流程設(shè)計(jì)

翁榮政

（江西銅業(yè)（鉛山）光伏發(fā)電有限公司，江西 上饒 334000）

0 引 言

船舶技術(shù)在一定程度上可以衡量一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，船舶的重要組成部分是船舶發(fā)電站，也是象征船舶技術(shù)的重要內(nèi)容。自21世紀(jì)開始，造船市場(chǎng)繁榮，給社會(huì)提供了很多的就業(yè)崗位，也是造船業(yè)發(fā)展的重要契機(jī)。要求船舶越來越自動(dòng)化是由于船舶的三大特點(diǎn)，大型化、高度化及自動(dòng)化。此外，人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信以及控制理論在船舶的應(yīng)用上也越來越頻繁。

為完成自動(dòng)化船舶的功能，已經(jīng)有了繼電器、聯(lián)系人及不連接的綜合部件組成的接觸控制系統(tǒng)。大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)和模塊化也大大減少了微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)量和重量，提高了工作的可靠性[1]?？刂颇Ｊ綇挠布刂妻D(zhuǎn)變?yōu)檐浖刂?，便于組合、擴(kuò)展或修改；模塊化更利于通用。計(jì)算機(jī)控制是通過中央計(jì)算機(jī)控制形式開發(fā)的，并開發(fā)了一種分散的微波控制形式，提高了工作可靠性。然后產(chǎn)生了具有通信應(yīng)用程序的多層次分布式控制系統(tǒng)。

1 船舶電站的整體框架和工作原理

1.1 電站自動(dòng)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)是由設(shè)備、監(jiān)測(cè)網(wǎng)及網(wǎng)格組成的。依據(jù)船舶電站越來越自動(dòng)化的要求，該系統(tǒng)包括通過全面控制組織起來的船舶電站自動(dòng)化所需的功能，每一種功能是各不相同的，但是各種功能也是相互聯(lián)系的，如圖1所示。

PLC的關(guān)鍵作用就是操作智能手機(jī)數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備等。引擎組的啟動(dòng)和制動(dòng)是其負(fù)責(zé)的，頻率調(diào)制、對(duì)平行操作的控制、運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量及負(fù)荷大功率的管理也是其負(fù)責(zé)的。上至下之間的通信采用RS485方法進(jìn)行，包括主站和控制室（工程師工作站）之間的通信?？墒褂霉こ炭刂婆渲密浖此^的“視頻控制”來進(jìn)行工控組態(tài)軟件的操作

1.2 船舶電站控制系統(tǒng)的工作原理

1.2.1 船舶同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行原理

通常，由于船上的貨物量大，裝載能力大，滿載要求一般無法通過一臺(tái)機(jī)組來滿足，船舶供電的電荷需求一般是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機(jī)組提供。這種設(shè)計(jì)比一個(gè)裝置更安全，且成本效益更高。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)都掛接在母線上，將機(jī)組投入運(yùn)行的過程稱為并車操作。

1.2.2 船舶同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的具體實(shí)現(xiàn)

第一，手動(dòng)準(zhǔn)同步并車。這種拉近方式是通過操作員觀察測(cè)量?jī)x，然后將車輛拉近。它要求操作人員觀察電壓計(jì)的大小，以便比較網(wǎng)絡(luò)電壓，并在相同情況下，能夠進(jìn)行合閘并車操作。但在某些情況下，不可以進(jìn)行并車行駛。例如，有較少的大功率負(fù)荷進(jìn)入船舶電廠網(wǎng)絡(luò)時(shí)，并車操作是不被允許的。如果電壓網(wǎng)絡(luò)連接到過大的功率負(fù)載，會(huì)在一瞬間拉低電壓，如果此時(shí)操作并車，會(huì)造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)、各個(gè)子系統(tǒng)電壓不等以及損壞電站設(shè)備。并車運(yùn)行應(yīng)該在負(fù)荷不變的情況下進(jìn)行。手動(dòng)準(zhǔn)同步并車步驟如圖2所示。

圖1 電站總體框圖

圖2 手動(dòng)準(zhǔn)同步并車步驟框圖

第二，自動(dòng)準(zhǔn)同步并車。自動(dòng)準(zhǔn)同步并車幾乎完全取決于相應(yīng)的設(shè)備測(cè)試，自動(dòng)并車裝置基本組成如圖3所示。這些裝置的基本功能具體如下。

（1）檢測(cè)頻差方向，比較待并發(fā)電機(jī)頻率和電網(wǎng)的頻率，若兩者相等就發(fā)出合閘信號(hào)，若不等，則啟動(dòng)調(diào)速的裝備，并調(diào)整并發(fā)電機(jī)，然后改變并發(fā)電機(jī)的頻率，直到兩者的頻率相同為止。這有利于為合閘提供優(yōu)越的條件。

（2）綜合校驗(yàn)電壓、相位以及頻率，合閘信號(hào)會(huì)在三者都滿足條件時(shí)發(fā)出。如果有一種條件沒有被滿足，就會(huì)閉鎖信號(hào)，造成禁止合閘并車。

（3）可以預(yù)先發(fā)出合閘信號(hào)，合閘信號(hào)會(huì)在滿足條件的那一瞬間發(fā)出，有利于減少誤差，特別是儀器設(shè)備造成的誤差。

圖3中，±Δf代表系統(tǒng)可以承受的最大頻率差的環(huán)節(jié)，Δf代表小幅度的調(diào)節(jié)頻率，ΔU表示系統(tǒng)能夠最大承擔(dān)的電壓的波動(dòng)量，Δf允表示系統(tǒng)能夠最大承受的頻率差。

圖3 自動(dòng)并車裝置基本組成框圖

2 設(shè)計(jì)電站控制系統(tǒng)的硬件

2.1 設(shè)計(jì)測(cè)量控制單元

2.1.1 測(cè)控單元原理

正常地對(duì)測(cè)量?jī)x器的輸出電壓和輸入電壓進(jìn)行測(cè)量是測(cè)量?jī)x器的重要工作，也可以測(cè)量電壓差和網(wǎng)格之間的單位電壓，并車時(shí)測(cè)控單元需要得到機(jī)組與電壓間的電壓差、頻率差以及相位差。這些量都需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路才能得到。測(cè)控單位直接跟柴油發(fā)電機(jī)、繼電器及變送器等相連，完成數(shù)據(jù)的采集，管理系統(tǒng)接收這些數(shù)據(jù)，按照事先的程序運(yùn)行，將運(yùn)行結(jié)果輸出給執(zhí)行結(jié)構(gòu)。這些測(cè)控模塊包括模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊及報(bào)警系統(tǒng)等[3]。

2.1.2 57-300 PLC控制信號(hào)

柴油機(jī)、電網(wǎng)以及發(fā)電機(jī)均由PLC控制，PLC在接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給設(shè)備。這就是PLC控制的流程。機(jī)組啟動(dòng)、并車及解列是船舶電站的大致工作。船舶電站應(yīng)按規(guī)定的程序進(jìn)行操作，操作前要檢查一些數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度及壓力等。

2.1.3 控制屏

為了更好地觀測(cè)數(shù)據(jù)，還需要大量的控制屏?？刂破林饕ò峨娍刂破痢l(fā)電機(jī)控制屏、同步控制屏及負(fù)載控制屏等。

2.2 控制器的選擇

該設(shè)計(jì)選擇可編程控制器（PLC）作為主控制器，可以很好地執(zhí)行船舶發(fā)電站的控制功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)并車和解列、自動(dòng)停車、詢問以及重載等功能。此外，PLC可以有效地執(zhí)行保護(hù)功能。使用電流轉(zhuǎn)換器和電壓變壓器主要是用來測(cè)量輪胎的電流和電壓變壓器。通過軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算，可以成功地執(zhí)行電壓保護(hù)、電流保護(hù)及反向功率保護(hù)等操作。

2.3 編程軟件

降級(jí)使用STEP7軟件培訓(xùn)課程，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和適用技術(shù)條件。因此，此課程不僅可以作為軟件工具，而且可以用來組成工業(yè)控制參數(shù)。SIMATICSTEP 7具有這樣功能的參數(shù)配置和硬件配置，啟動(dòng)和維護(hù)通信、文件建檔、編程、測(cè)試等功能，可以在網(wǎng)上公開或使用鼠標(biāo)選擇對(duì)象時(shí)，F(xiàn)1鍵可以了解在線幫助對(duì)象。

2.4 具體功能模塊的編寫

2.4.1 柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)控制

一般柴油機(jī)的啟動(dòng)有兩種方式，分別是電啟動(dòng)和壓縮空氣啟動(dòng)。設(shè)計(jì)中，電機(jī)采用的是壓縮空氣啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)需注意如下問題。

（1）需要選擇一個(gè)更好的預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)，以確保潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行良好，并減少柴油內(nèi)部摩擦損失。

（2）當(dāng)柴油啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)該保持謹(jǐn)慎，因?yàn)椴裼驮诎l(fā)射時(shí)是由手柄控制的。調(diào)節(jié)器是在工作狀態(tài)。

（3）機(jī)組的正常、快捷起動(dòng)需要柴油機(jī)系統(tǒng)具備良好的暖缸和冷卻的循環(huán)系統(tǒng)。

（4）當(dāng)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，不可以驟然停止。

本項(xiàng)目將工作條件設(shè)為考慮范圍，因此啟動(dòng)了3次發(fā)電設(shè)備。船舶電站自動(dòng)啟動(dòng)程序流程如圖4所示。

2.4.2 自動(dòng)準(zhǔn)同步并車控制

準(zhǔn)同步并車條件的判定

由于等效電壓、頻率及相位通過并車來實(shí)現(xiàn)，因此PLC的管理需要運(yùn)行3個(gè)單獨(dú)的模塊。電壓模塊用來調(diào)節(jié)電壓，頻率模塊用來調(diào)節(jié)頻率，相位模塊用來調(diào)節(jié)相位，最終實(shí)現(xiàn)相同的電壓、頻率以及相位，然后發(fā)出合閘信號(hào)[4]。

2.4.3 PLC接口通道的實(shí)現(xiàn)過程

自動(dòng)并車模塊硬件連接原理如圖5所示。

（1）電壓的檢測(cè)是通過電壓互感器進(jìn)行的，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)都配備了電壓互感器來選擇通過PLC傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)來決定其等價(jià)性。

（2）頻率的相等是通過光電編碼器、PLC及高速計(jì)數(shù)器相互配合來判斷，也可以判斷信號(hào)是否相等。

（3）發(fā)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)是PLC的輸出接口通過連接調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的頻率和電壓。

（4）合閘裝置是通過PLC輸出接口進(jìn)行連接，以便發(fā)出合閘信號(hào)并控制合閘。

（5）機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行狀況和報(bào)警信號(hào)的發(fā)出是通過PLC的指示燈以及故障顯示裝置反映。

圖4 船舶電站自動(dòng)啟動(dòng)程序流程圖

圖5 準(zhǔn)同步自動(dòng)并車原理框圖

3 結(jié) 論

本文根據(jù)相關(guān)理論對(duì)船舶控制器的整體進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)，對(duì)于一些技術(shù)選型也給予說明。此外，文章對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相對(duì)比較完善的說明，并在自啟動(dòng)控制柴油發(fā)電機(jī)、自控制準(zhǔn)同步并車控制及接口通道的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。