船舶電站自動控制系統(tǒng)的設計分析

周園園

摘要：隨著船舶制造業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電站的自動化程度不斷提高。電站控制系統(tǒng)也由局部、就地的控制向綜合、集散的方向發(fā)展，尤其伴隨著計算機、通信、網(wǎng)絡技術(shù)在船舶上的廣泛應用，自動控制系統(tǒng)開始進入一個嶄新的發(fā)展階段。

關(guān)鍵詞：船舶電站;自動控制;系統(tǒng);海上風機安裝船

船舶猶如一個可移動的海上城市，它的許多設備都需要使用電能，因此在船上都配備有獨立的電站。隨著船舶的大型化和自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設備需要電能來驅(qū)動和控制，使船舶電站日趨復雜龐大。在海上風機安裝船N792上面就有：配電系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，主機推進系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，通信導航系統(tǒng)，中控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡系統(tǒng)，火警系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，救生筏救生艇系統(tǒng)等等，對船舶電站提出的要求很高，其發(fā)展的突出標志是高容量和高自動化。

1 船舶電站控制系統(tǒng)發(fā)展階段

（1）集中控制階段。此時的自動控制系統(tǒng)已經(jīng)開始運用計算機作為控制核心，硬件設備也因此得到了極大的簡化，功能更加完善，監(jiān)測和管理也更加方便。盡管集中型控制系統(tǒng)具有一定的先進性，但由于系統(tǒng)開銷較大，加之如果計算機出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就有可能全面崩潰，因此逐漸被其他控制系統(tǒng)所取代。

（2）分散控制階段。自上世紀70年代以來，微機及單片機技術(shù)得到普及推廣，船舶電站控制系統(tǒng)也因此發(fā)生改變，不再是使用單一的計算機進行集中控制而是使用幾臺或更多的計算機分別對船舶的各個系統(tǒng)進行自動管理。分散型系統(tǒng)的特點就是靈活使用計算機技術(shù)，且系統(tǒng)造價低，操作簡單，具有良好的可靠性。因此在很長一段時間內(nèi)都主導著自動控制系統(tǒng)的市場。

（3）網(wǎng)絡控制階段。雖然分散型控制系統(tǒng)在集中型控制系統(tǒng)的基礎上進行了許多改進，但系統(tǒng)各部分之間還是分散獨立的，信息無法進行互相傳輸。并且分散控制系統(tǒng)中的計算機僅僅作為接收各部分傳送信息的通信單元，缺乏統(tǒng)籌管理的功能。因此，自上世紀90年代以來，隨著通信網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了以綜合運用計算機和通信技術(shù)的網(wǎng)絡型系統(tǒng)，短時間內(nèi)就受到極大的關(guān)注，也得到了迅速的推廣。網(wǎng)絡型控制系統(tǒng)在采用分布式控制的基礎之上，又進一步加強了各控制單元之間聯(lián)系，使其可以通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)連接。

2船舶電站自動化控制系統(tǒng)的作用

船舶電站自動控制系統(tǒng)的主要任務是保證供電的安全可靠和改善勞動條件，同時也提高運行的經(jīng)濟性。PLC控制的船舶自動電站基本功能有：

（1）對有關(guān)的電氣參數(shù)和動作信號自動監(jiān)測、報警、記錄、顯示，并有邏輯判斷功能去控制發(fā)動機組;（2）發(fā)動機組自動啟動;（3）在匯流排不帶電的狀態(tài)下，使發(fā)動機組自動接入電網(wǎng)，要限制在該狀態(tài)下有兩臺機組或更多的機組同時接入及短路后多次接入的嘗試;（4）發(fā)電機組自動準同步并車;（5）自動恒壓及無功功率自動分配;（6）自動橫頻及有功功率自動分配;（7）自動分級卸載;（8）負載自動分級啟動。

3 船舶電站自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

船舶電站自動控制系統(tǒng)一般是由上位機、現(xiàn)場控制設備及通信網(wǎng)絡所構(gòu)成的兩級控制系統(tǒng)。

（1）上位機。上位機主要負責實時監(jiān)測電站各設備的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，并在當系統(tǒng)設備發(fā)生故障時，報警通知相關(guān)人員。上位機還需要根據(jù)船舶實際運行狀況，對電力負載進行管理，例如重載詢問、增減負載等。

（2）現(xiàn)場控制設備?，F(xiàn)場控制設備不僅需要實時監(jiān)測電網(wǎng)和發(fā)電機組的電壓、電流、頻率值，還需要控制實現(xiàn)發(fā)電機組自動起動、自動并車、負載自動轉(zhuǎn)移、故障機組自動解列、自動停機等功能?，F(xiàn)場控制設備還可以方便的與上位機進行組網(wǎng)通信，共享數(shù)據(jù)。

（3）通信網(wǎng)絡。通信網(wǎng)絡可以實現(xiàn)主站和各從站間的通信連接，完成信息、控制命令的傳輸與發(fā)送。通信網(wǎng)絡一般采用雙重冗余設計，這樣就使得信息傳輸更加高速可靠

4自動控制系統(tǒng)的硬件設計分析

PPU裝置采用一體化設計，其面板為帶按鈕的液晶顯示器，PPU可以與控制器通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PPU外圍有開關(guān)量輸入、輸出接口，可配置的開關(guān)量輸入/輸出接口，模擬量輸入、輸出接口和可配置的模擬量輸入/輸出接口，還可以選配RS485、CAN、Profi Bus-DP等通信接口，并自帶可編程的RS232接口。PPU是一個緊湊的微處理器控制單元，廣泛的應用于陸地或船舶，其主要功能包括：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理功能：檢測發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓、電流、頻率和功率值，實現(xiàn)頻率比較、電壓檢測、主開關(guān)延時時間補償、相序檢測、計量等;

（2）自動并車功能：在收到上位機發(fā)出的并聯(lián)運行指令后，自動實現(xiàn)并車操作;

（3）發(fā)電機負載自動分配和頻率的自動控制;

（4）并車運行發(fā)電機電壓和無功功率的自動平衡控制;

（5）并車運行時，各發(fā)電機負載的自動檢測，以及根據(jù)選擇信號控制解列和自動停車;

（6）根據(jù)選擇信號和電網(wǎng)負荷自動控制各發(fā)電機的自動起動;

（7）網(wǎng)絡通信：與上位機進行數(shù)據(jù)通信，并通過顯示單元或PC進行參數(shù)的修改，PPU之間與上位PLC之間的通信方式有MODBUS RTU（RS485）、CANBUS、Profi Bus-DP三種供選擇。

5 船舶應急電力系統(tǒng)概述

5.1 基本組成

通常，船舶電站發(fā)電機組的組成主要包括電源、電力負載、配電裝置與電力網(wǎng)。（1）電源。所謂電源是能夠有效轉(zhuǎn)換機械能與化學能并成為電能的主要裝置。在船舶中，最常見的電源裝置是柴油發(fā)電機組，而蓄電池則可以被當做小的應急電源。（2）配電裝置。配電裝置最主要的功能是保護、測量并監(jiān)控船舶電源、電力負載與電力網(wǎng)的基本裝置，其中涵蓋了測量儀表、繼電保護、互感器、輔助設備、連接母線與自動裝置等。需結(jié)合供電范圍與對象差異，將配電裝置細化成岸電箱、主配電板、分配墊板、應急配電板和蓄電池充放電板等。（3）船舶電力網(wǎng)，即全船電纜電線總稱，能夠有效管理整個船舶的用電需求。其中，船舶電網(wǎng)主要是供電網(wǎng)與配電網(wǎng)2個部分。而供電網(wǎng)則是發(fā)電機，主配電板通過配合才能滿足船舶各種電力設備的要求，若是配電網(wǎng)絡中存在大容量設備與重要設備，均需由主配電板敷設單獨饋電線，以實現(xiàn)供電的目標。船舶電力網(wǎng)能夠結(jié)合聯(lián)接負載性質(zhì)，細化成弱電電網(wǎng)、應急電網(wǎng)、主電網(wǎng)與小應急電網(wǎng)。（4）船舶內(nèi)部用電設備能夠?qū)㈦娔苡行У剞D(zhuǎn)變成其他形式能量。眾所周知，船舶電力負載的類別主要包括以下幾個方面：船舶不同的電力拖動設備、電氣照明、通信設備、電航設備、生活區(qū)用電設備等。

5.2基本特點

（1）電站容量小。在遠洋船舶中，主電站的發(fā)電機組主要有2～4臺，且大部分發(fā)電機組的單機容量在500kW范圍內(nèi)。通常，原動機以柴油機為主，其啟動速度較快，機動性特征明顯，通過軸帶發(fā)電機即可實現(xiàn)節(jié)能需求，所以實際應用較為普遍。

（2）由于在海洋環(huán)境中，用電設備常常工作在潮濕的環(huán)境中，這就會造成電氣設備發(fā)生更多的故障，從而影響到航線的安全。在海上航行的過程中，周邊環(huán)境要更加濕熱，為霉菌生長提供了極大便利。為此，應嚴格要求電氣設備，以免空氣濕熱而引起絕緣老化的情況。

（3）負載特點。因船舶電氣設備和陸地存在明顯差異，主要涵蓋了船用輔機運轉(zhuǎn)電動機與船舶照明設備。選擇大負載消耗功率的設備，在實際運行期間，會嚴重干擾到其他用電設備的安全，導致這些設備突然無法工作，從而導致更多的連鎖故障。

（4）配電裝置相對簡單。一般來講，船舶電力系統(tǒng)的容量不大，且電壓等級不多，所以電壓一般不會超過690V，且變電設備、開關(guān)電氣、繼電保護、配電設備等均比陸地簡單。

6 船舶電站發(fā)電機組的自動切換電氣控制故障排除系統(tǒng)的設計研究

6.1常見故障

在船舶電站發(fā)電機組實際運行狀態(tài)下，很容易引發(fā)嚴重的故障。而發(fā)電機組故障是系統(tǒng)構(gòu)造異常，最終導致功能失調(diào)，在設備行為超過允許范圍的情況下，即可被稱作故障狀態(tài)。引發(fā)系統(tǒng)故障的原因包括內(nèi)因與外因兩部分。其中，內(nèi)因是系統(tǒng)自身因素，即結(jié)構(gòu)、設計與測試方法的不足，或者是選擇元器件不合理等，而外因則是運行環(huán)境對于系統(tǒng)性能的影響。

6.2 船舶發(fā)電機電路故障診斷原理

船舶發(fā)電機電路故障分類和診斷是一個分類問題。首先通過傳感器采集船舶發(fā)電機工作狀態(tài)信號，從狀態(tài)信號提取船舶發(fā)電機電路故障特征，并進行歸一化，作為輸入向量，然后通過模式識別技術(shù)建立船舶發(fā)電機電路故障的分類器。

6.3船舶電力系統(tǒng)應急發(fā)電機組仿真

（1）仿真系統(tǒng)。船舶電力系統(tǒng)應急發(fā)電機組仿真軟件能夠在PC機中獨立運行，確保船舶電站設備均在計算機中實現(xiàn)虛擬。在實際訓練的過程中，操作人員需利用鼠標或者是鍵盤對內(nèi)存所涵蓋的船舶電站設備圖形進行調(diào)用，通過控制屏實現(xiàn)操作。這一船舶電站仿真軟件能夠在光盤中存儲，攜帶十分方便，也可以在Windows操作系統(tǒng)中運行，對于硬件以及使用環(huán)境的要求并不高，且升級也相對便利，維護周期較長。

（2）柴油機調(diào)速系統(tǒng)模型。在船舶實際運行的過程中，電力負荷會伴隨工況變化而改變，且系統(tǒng)當中的柴油發(fā)電機組分配有功功率同樣有所改變，導致轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，電網(wǎng)頻率改變明顯。所以，對于調(diào)速系統(tǒng)建模十分關(guān)鍵。柴油機的轉(zhuǎn)速會受到多種因素的影響，通過對轉(zhuǎn)速進行監(jiān)控、反饋和調(diào)節(jié)，可以有效提高應急發(fā)電機組的能源轉(zhuǎn)換效率。且實際輸出的轉(zhuǎn)速會利用積分單元實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換，在延時單元的作用下，可以和轉(zhuǎn)速信號相乘，進而確定機械功率。

（3）發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模型。一般情況下，船舶電力系統(tǒng)屬于有限源電力系統(tǒng)，且負載容量比發(fā)電機容量更大，實際變化相對頻繁，致使柴油發(fā)電機分配無功功率隨之改變。一旦系統(tǒng)運行狀態(tài)下，電壓有所波動，很容易導致發(fā)電機解列，嚴重的還會導致系統(tǒng)崩潰。所以，同步發(fā)電機應設置自勵恒壓自動裝置，進而對勵磁電壓加以調(diào)節(jié)，確保發(fā)電機端的電壓更穩(wěn)定。由此可見，研究勵磁系統(tǒng)并建模也十分關(guān)鍵，能夠促進船舶電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

（4）同步發(fā)電機模型。當同步發(fā)電機處于運行狀態(tài)下，電子與轉(zhuǎn)子電流、各個電磁專柜都會產(chǎn)生互相影響，且內(nèi)部涵蓋了動態(tài)性與非線性電磁過渡過程。為了能夠更好地進行仿真并分析結(jié)果，將標準值引入同步發(fā)電機仿真模型當中。

6.4系統(tǒng)設計

（1）數(shù)據(jù)庫。因數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可靠性、持久性與共享性特征明顯，所以在存儲、處理、傳送和管理數(shù)據(jù)方面得到了廣泛應用。數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)不同用戶的共享，確保數(shù)據(jù)存儲的性能達到最佳，操作十分方便，數(shù)據(jù)的恢復能力較強。

（2）具體過程。船舶電站電氣機組自動切換電氣控制故障排除系統(tǒng)的設計要選擇數(shù)據(jù)管理器程序窗口添加，才能夠創(chuàng)建相關(guān)文件，并實現(xiàn)下一操作。應在文件中找到新建命令并單擊，對MicrosoftAccess命令確認，隨后確認Version7.0MDB命令。在雙重命令之下，即可彈出系統(tǒng)設計對話框，將船舶電站電氣機組自動切換電氣控制故障排除系統(tǒng)輸入到文件名當中，單擊保存后，即可創(chuàng)建系統(tǒng)。再將船舶電站電氣機組自動切換電氣控制故障排除系統(tǒng)輸入到表名的文本框當中，進而創(chuàng)建具體的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。字段的添加方式是要單擊AddField按鈕，并彈出相應的對話框。在完成指定字段后，即可單擊OK按鈕。在設置用戶界面的時候，要對系統(tǒng)便捷使用加以考慮，并且將船舶電站電氣機組自動切換電氣控制故障排除系統(tǒng)界面合理地設置為Windows資源管理器形式。

7 結(jié)語

船舶電站作為船舶電力系統(tǒng)的核心，對保證船舶正常航行有著決定性意義。近些年來，隨著船舶大型化、自動化的發(fā)展，系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)愈加復雜，對自動控制的要求也愈加嚴格。因此對船舶電站自動控制系統(tǒng)的分析具有重要的意義。

參考文獻：

[1]吳家鳴.我國造船業(yè)的變遷與現(xiàn)狀[J].廣東造船，2012，31（1）：37-41.

[2]陳猷亮.淺談船舶電氣自動化發(fā)展趨勢[J].科技風，2012（2）：40-40.