基于PLC 的船舶電站自動化控制

張吉山

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

1 概述

船舶就像一座流動的海上城市。幾乎所有設(shè)備都必須提供電能。因此，該船配備了獨立的發(fā)電廠，該發(fā)電廠由發(fā)電，配電和功耗組成- 船上發(fā)電廠。自1960 年代以來，就對船舶電廠的自動化設(shè)計提出了要求。船用電廠自動化的優(yōu)點包括：能夠保持電力供應(yīng)的連續(xù)性和電廠的更高可靠性，提高船舶的生命力并提高電力供應(yīng)的質(zhì)量；改善船員的工作條件，減輕作業(yè)強度，改善經(jīng)濟指標和船舶作業(yè)的靈活性[1]。

現(xiàn)代船舶電廠自動化不僅可以實現(xiàn)普通船舶電廠監(jiān)控系統(tǒng)所實現(xiàn)的各種監(jiān)視和控制功能，而且可以實現(xiàn)優(yōu)化的能源管理，以確保船舶電廠在不同的工作條件下能夠有效，經(jīng)濟地工作。因此，對電廠自動化系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用進行研究，開發(fā)先進的技術(shù)以及穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品為中國現(xiàn)代艦艇提供裝備，具有十分重要的技術(shù)意義。

2 船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 自動化電站控制系統(tǒng)的組成

圖1 電站系統(tǒng)組成

船舶電站自動化系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)采用由德國西門子公司的PLC（一臺S7-300PLC、四臺S7-200PLC）與兩臺DEIF 公司的PPU（Protection and Paralleling Unit）及少量繼電器組成，其數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

從圖中可以得出結(jié)果，該系統(tǒng)是分布式管理結(jié)構(gòu)，主要環(huán)節(jié)是電廠監(jiān)控系統(tǒng)。在控制過程中，PLC 和控制面板從所有其他輸入線讀取必要的信號，以便執(zhí)行信號管理以執(zhí)行兩個發(fā)電機組的控制和監(jiān)視任務(wù)。

1 號與2 號PLC 主要負責檢測轉(zhuǎn)速，盤車桿位置，燃油溫度、壓力，滑油溫度、壓力，冷卻水溫度，超速信號，空氣壓力，停止閥，主開關(guān)等開關(guān)量信號；

3 號PLC 主要負責檢測負載屏上開關(guān)量信號；

4 號PLC 負責檢測組合起動屏的負載狀態(tài)信號；

1 號和2 號PPU 檢測電網(wǎng)電壓，發(fā)電機電壓和電流，有功和無功功率，功率因數(shù)等。

監(jiān)控站PLC300 通過PROFIBUS 通信協(xié)議，檢測這些信號，進行信號匯總、分類，發(fā)出指令等。

2.2 船舶電站的基本功能

船舶電站自動化系統(tǒng)從總體意義來說，所應(yīng)具有的功能如下：

（1）對電網(wǎng)電壓、電流、頻率等電氣參數(shù)和動作信號自動檢測、報警、記錄。

（2）幾臺發(fā)電機組應(yīng)配備啟動控制程序。如果設(shè)備的一部分出現(xiàn)故障且無法啟動，則設(shè)備的下一部分應(yīng)自動啟動并自動進入網(wǎng)絡(luò)。（如果兩個發(fā)電機并聯(lián)連接，它們應(yīng)該能夠自動完成同步輸入）。

（3 發(fā)電機運行時自動分配恒定電壓和無功功率：勵磁設(shè)備會自動調(diào)整以在單次或并聯(lián)運行期間保持恒定的電源電壓。同時，可以調(diào)節(jié)帶有并聯(lián)控制的發(fā)電機組的無功功率分配，以確保有效分配。

（4）自動分配自動恒定頻率和有功功率。當兩個單元并行操作時，自動頻率調(diào)制和分配裝置與速度控制器一起操作，以將網(wǎng)絡(luò)維持在不超過恒定頻率的穩(wěn)定狀態(tài)。每個單元假定的有功功率按單元容量的比例分配。

（5）重載請求。現(xiàn)代大型船舶通常具有容量為100 kW 的獨特機器。例如電動船首推進器，大型電纜絞車，以及工程船上的其他功率負載，通常具有與發(fā)電機的獨立功率等效的功率，并且在使用時應(yīng)啟動這種大功率負載前應(yīng)該詢問一下電站中供電的發(fā)電機組，判斷電站的功率儲備能否滿足他們的用電和啟動要求。

（6）發(fā)電機組是自動運行的并且在錯誤狀態(tài)下啟用關(guān)閉控制功能。船舶發(fā)電廠委托的發(fā)電機數(shù)量取決于負荷的功率。如果負荷很大，系統(tǒng)會自動啟動發(fā)電廠的備用單元，以增加發(fā)電廠的總功率。

（7）重要的負載分階段開始。例如當電力系統(tǒng)處于某種故障狀態(tài)時，突然斷路可能會使發(fā)電機與電網(wǎng)斷開。在自動電站恢復(fù)電力系統(tǒng)以快速恢復(fù)電力系統(tǒng)的運行之后，可以安裝一組重要的控制器來啟動自動分類。

（8）發(fā)電機組、電網(wǎng)故障的自動報警和處理。

（9）應(yīng)急電站供電與主配電板的自動切換。

（10）自動無功補償。它意味著通過控制開關(guān)/斷開電容器的電池來維持負載的功率因數(shù)。

（11）發(fā)電機運行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視。

3 船舶電站自動化系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 PLC 的選型和通訊模塊的選型

3.1.1 PLC 的選型

在執(zhí)行此工作之前，需要對控制對象和控制任務(wù)進行統(tǒng)計和分析。然后確定選擇的大小，型號和配置。據(jù)統(tǒng)計，分站各PLC的輸入輸出I/O 點數(shù)如下：1#PLC、2#PLC：開關(guān)量輸入37 個、開關(guān)量輸出28 個、模擬量輸入4 個、模擬量輸出2 個；3#PLC：開關(guān)量輸入29 個、開關(guān)量輸出26 個；4#PLC：開關(guān)量輸入37 個、開關(guān)量輸出29 個。

根據(jù)上述任務(wù)分析，考慮到電廠控制系統(tǒng)的自動運行方式和可靠性，選取西門子PLC S7-200PLC 系列作為變電站控制單元，型號為CPU226 。模塊化結(jié)構(gòu)，使用方便，易構(gòu)建系統(tǒng)完整的功能模塊；豐富的指令，方便系統(tǒng)的構(gòu)建和擴展，具有高性價比。

3.1.2 通訊模塊的選型

西門子S7-200 PLC 通信模塊主要包括溫度測量模塊（EM231）和PROFIBUD-DP 模塊（EM277）。由于S7-200 系列PLC 自身不帶有PRIFIBUS-DP 通訊接口，所以本船舶電站自動化系統(tǒng)選用EM277 模塊。

使用EM 277 PROFIBUS-DP 從站擴展模塊，可以將S7-200 CPU 連接到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。EM 277 通過通信總線連接到S7-200 CPU。PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)通過DP 通信端口連接到EM 277 PROFIBUS-DP 模塊。該端口可以使用從9600 波特到12 Mbaud 的任何PROFIBUS 數(shù)據(jù)速率。作為DP 從站，EM 277 模塊從主站接收許多不同的I/O 配置，并向主站發(fā)送和接收各種數(shù)據(jù)量。

其他S7-200 模塊包括開關(guān)量輸入輸出模塊EM223、模擬輸入模塊EM231、模擬輸出模塊EM232。本電站使用測溫模塊EM231 來檢測各點溫度，利用輸出模塊EM232 輸出標準信號給外圍設(shè)備。

3.2 I/O 測點及模塊分配

3.2.1 I/O 分配

I0.0 -I0.7 分配輸入測點：DG1 備車、DG1_GB 狀態(tài)、DG1 運行、DG2 備車、DG2_GB 狀態(tài)、DG2 運行、DG3 備車、DG3_GB 狀態(tài)、DG3 運行I1. 0 -I1.6 分配輸入測點：自動模式、備用順序123、備用順序231、備用順序312、重載問詢、重載運行。

Q0.1-Q0.7 分配輸出測點：DG1 啟動、DG1 停止、DG1PPU 運行、DG1 負載轉(zhuǎn)移、DG1 分閘、DG2 啟動、DG2 停止、DG2PPU 運行、DG2 負載轉(zhuǎn)移Q1.0-Q1.7 分配輸出測點：DG2 負載轉(zhuǎn)移、DG2 分閘、DG3 啟動、DG3 停止、DG3PPU 運行、DG3 負載轉(zhuǎn)移、DG3 分閘、重載問訊允許。

對于變換中的對稱，古希臘人特別關(guān)注，他們十分留意對稱現(xiàn)象，他們創(chuàng)立了一種學(xué)說，認為世界的一切規(guī)律都源于對稱，他們認為最對稱的物體就是圓，所以他們把天文學(xué)中的天體運行軌道畫成圓的，之后又圓上加圓。這樣就發(fā)展成為希臘后來的天文學(xué)。

根據(jù)輸入/輸出點數(shù)的定義，應(yīng)根據(jù)實際點數(shù)增加儲備量的20%?30%作為備用。

3.2.2 具體模塊的配置

根據(jù)輸入/輸出點數(shù)的定義，應(yīng)根據(jù)實際點數(shù)增加儲備量的20%～30%。

分站模塊的配置如下：

1#PLC、2#PLC：CPU226 模 塊2 個、數(shù) 字 量 輸 入/ 輸 出EM223 模塊2 個、模擬量輸入EM231 模塊2 個、模擬量輸出EM232 模塊2 個、通信模塊EM277 模塊2 個；3#PLC：CPU226模塊1 個、數(shù)字量輸入/ 輸出EM223 模塊1 個、通信模塊EM277 模塊1 個；4#PLC：CPU226 模塊1 個、數(shù)字量輸入/輸出EM223 模塊1 個、通信模塊EM277 模塊1 個。

4 船舶電站自動化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)的軟件項目主要開發(fā)變電站PLC 控制程序，監(jiān)視站與變電站之間的通訊程序，監(jiān)視PLC 將三部分發(fā)送到觸摸屏，接受功能子程序的結(jié)構(gòu)，設(shè)置每個程序的輸出和輸入，使用調(diào)用CPU314-2DP 子程序的功能使整個程序易于理解和結(jié)構(gòu)化。整個系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能程序流程圖

4.2 系統(tǒng)流程分析

4.3 梯形圖

圖3

4.4 船舶電站自動準確同步并車裝置

4.4.1 自動準確同步并車裝置原理

自動準確同步并車裝置是指可以自動檢測電網(wǎng)與待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓差、頻率差、相位差，當并車條件滿足后便可以自動發(fā)出合閘信號的并車裝置。

當差頻三角波與移相差頻三角波經(jīng)過差頻符號鑒別環(huán)節(jié)，差頻符號鑒別環(huán)節(jié)得出的調(diào)速尖脈沖需要經(jīng)過一個脈沖展寬電路，將其轉(zhuǎn)變成為寬度適當?shù)木匦尾?，這樣才能有效地控制發(fā)電機的加速和減速。為了提高并車裝置的執(zhí)行速度，較快地完成系統(tǒng)并車，在這個裝置中加入了“呆滯擾動”環(huán)節(jié)。“呆滯擾動”環(huán)節(jié)可以在差頻特別小的時候做出反方向調(diào)速動作，適當?shù)膶⒉铑l增大。當差頻由正值趨向于零時，經(jīng)過“呆滯擾動”環(huán)節(jié)后將會輸出差頻加速信號。合閘信號一是由分別來自頻率差檢驗環(huán)節(jié)、頻率差限制環(huán)節(jié)和電壓差檢測環(huán)節(jié)的三個信號相與以后得到。根據(jù)邏輯“與”的定義，只有當每個環(huán)節(jié)都檢測出并車條件滿足時刁- 能輸出合閘信號。此時由提前時間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的合閘尖脈沖經(jīng)過輸出脈沖寬度形成電路后上加到合閘繼電器，實現(xiàn)合閘的動作。

在船舶電站系統(tǒng)開始工作時，此時船舶電網(wǎng)是無電狀態(tài)，此時應(yīng)將一臺發(fā)電機組立即投入運行，而后并入電網(wǎng)。因此在上述流程中的系統(tǒng)合閘后還應(yīng)該添加“單機投入”操作，以保證船舶中網(wǎng)的第一次啟動供電。

4.4.2 自動準確同步并車裝置的工作流程

實際上，用于并行自動準確同步的設(shè)備的工作流程大大簡化了：它通過確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電壓和并行設(shè)備的電壓來確定頻率差的方向，電壓差的條件和頻率差的條件。根據(jù)確定頻率差的方向的結(jié)果，連接到網(wǎng)絡(luò)的電動機進行加速或減速，根據(jù)檢測到電壓差的條件的結(jié)果，并聯(lián)電壓增加或減少，將頻率差的條件與電壓差和引線的條件進行比較。確定邏輯元素AND 之后，發(fā)出閉合命令如果滿足條件。

在實際的發(fā)電機組并車裝置中，差頻信號與移相差頻信號的檢測都集成于同一電路中，電路中一并增加提前量與合閘指令等信號，較為全面的實現(xiàn)了并車過程的所有操作。

5 結(jié)論

關(guān)于此問題的研究已成功地將SPS 和PPU 應(yīng)用于海上電廠的自動化系統(tǒng)設(shè)計中，并實施了具有明顯技術(shù)優(yōu)勢的智能海上電廠的管理：

5.1 控制系統(tǒng)和自動電廠控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計高度適應(yīng)環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高且易于維護。

5.2 該變電站由兩個PPU 模塊和四個PLC 模塊組成，具有很高的成本效益，可以實現(xiàn)對船廠自動化系統(tǒng)邏輯連接的全面控制，并且顯示生成器是通過PPU 模塊的FROFIBUS DP 通信接口實現(xiàn)的。用于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的電廠管理和控制系統(tǒng)有助于實施集成的船舶網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)。

5.3 得益于靈活的編程，簡單的程序修改以及更改PLC 程序和控制面板界面的系統(tǒng)設(shè)置，可以根據(jù)實際需要實現(xiàn)各種控制功能，非常方便，靈活。

5.4 監(jiān)控站S7-200 的成功應(yīng)用

在監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了監(jiān)控站控制發(fā)電機的遠程控制功能，可以通過觸摸屏方便地顯示所需信息，人機界面功能在一定程度上良好。