基于PLC S7- 1200 的船舶柴油發(fā)電機(jī)組安保監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計

王金豹 孔立勝 劉 洋 孫劍峰

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海201108）

1 概述

柴油發(fā)電機(jī)組由于環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)電效率高被廣泛應(yīng)用于各種類型的船舶，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行是確保船舶正常供電的關(guān)鍵。本文所介紹的柴發(fā)機(jī)組安保監(jiān)控統(tǒng)是建立在西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-1200 系列PLC 基礎(chǔ)上,主要功能為控制柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動與停機(jī)，保證柴發(fā)機(jī)組的正常運(yùn)行。

2 方案設(shè)計

2.1 安保監(jiān)控系統(tǒng)的組成

圖1 系統(tǒng)組成圖

柴油發(fā)電機(jī)組安保監(jiān)控系統(tǒng)主要由CRT 顯示終端、S7-1200 PLC 控制模塊、柴油機(jī)機(jī)旁ECU 控制單元、網(wǎng)絡(luò)交換模塊組成。

S7-1200 PLC 控制模塊采集來自機(jī)旁ECU 控制單元、外部傳感器、信號處理模塊、操作面板等元器件的開關(guān)量輸入信號，經(jīng)控制程序邏輯判斷通過PLC 模塊的DQ 通道輸出啟動、正常停機(jī)、故障緊停等輸出信號對柴發(fā)機(jī)組進(jìn)行安全保護(hù)控制。PLC S7-1200 自帶網(wǎng)絡(luò)接口，可以將安全報警信息經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換模塊發(fā)送給CRT 顯示終端，進(jìn)行柴發(fā)機(jī)組監(jiān)控信息顯示。

網(wǎng)絡(luò)交換模塊可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)機(jī)旁ECU 控制單元、CRT 顯示終端、PLC 模塊之間的網(wǎng)絡(luò)信息交互。

柴油機(jī)機(jī)旁ECU 控制單元可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的機(jī)旁監(jiān)測控制，包括啟動、停機(jī)、機(jī)組監(jiān)測報警等功能。并具備遙控交互接口，實(shí)現(xiàn)對外網(wǎng)絡(luò)信息交互、遠(yuǎn)程控制、輸入輸出信息采集等功能。另外ECU 控制單元對外拓展輸出滑油壓力過低、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的70%、機(jī)旁操作、操作未備便等開關(guān)量輸出接口。

CRT 顯示終端安裝LABVIEW 監(jiān)控軟件，可采集來自機(jī)旁ECU 控制單元和PLC 模塊的通訊信息，實(shí)現(xiàn)柴發(fā)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時參數(shù)監(jiān)控、報警輸出并具備數(shù)據(jù)記錄功能。

2.2 安保監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

2.2.1 啟動連鎖功能。啟動柴油機(jī)之前，安保系統(tǒng)自動檢測柴油機(jī)滑油液位、啟動空氣壓力、淡水低溫、控制部位選擇開關(guān)位置、燃油油位等開關(guān)量信號，確認(rèn)柴油機(jī)是否具備安全啟動條件，通過程序設(shè)置啟動連鎖實(shí)現(xiàn)啟動連鎖功能。

2.2.2 正常停機(jī)連鎖功能。正常停機(jī)前檢測發(fā)電機(jī)是否分閘，防止因?yàn)榘l(fā)電機(jī)未分閘突然停機(jī)引起電網(wǎng)的巨大波動。

2.2.3 安保緊急停機(jī)功能。柴油機(jī)超速、淡水溫度過高、滑油壓力過低、主軸承高溫等故障會嚴(yán)重威脅柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的使用壽命。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)以上故障時，自動執(zhí)行緊急停機(jī)功能，經(jīng)檢查排除故障后才可以再次啟動柴發(fā)機(jī)組。

2.2.4 報警輸出功能。當(dāng)柴發(fā)機(jī)組遇到故障緊急停機(jī)同時，PLC 會送出報警信息，在CRT 顯示終端報警顯示界面顯示相應(yīng)的故障報警狀態(tài)，方便操作人員判斷故障原因。

2.3 硬件設(shè)計

安保監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器選擇了西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-1200 系列PLC，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、組態(tài)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠等特點(diǎn)。

2.3.1 PLC 的選型。選型之前需要對控制對象和控制任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，然后確定選擇的型號和配置。經(jīng)過統(tǒng)計，輸入輸出I/O 點(diǎn)數(shù)如下：開關(guān)量輸入17 個，模擬量輸入3 個，開關(guān)量輸出5 個。

CPU 模塊采用的是CPU 1214C DC／DC／DC 模塊。模塊內(nèi)置PROFINET 以太網(wǎng)通信接口、板載14 入／10 出的開關(guān)量通道、兩路模擬量輸入通道以及兩個脈沖發(fā)生器，并最多可附加八個信號模塊以及三個通信模塊。

數(shù)字量模塊采用的是SM 1221 DC，其有8 路24V 輸入通道。

模擬量模塊采用的SM1231 AI，其有4 路模擬量輸入通道。

如圖2 為PLC 在編程軟件中Portal 視圖的硬件組態(tài)情況。

2.3.2 I/O 測點(diǎn)分配。根據(jù)輸入/輸出內(nèi)容，I/O 分配定義情況如下：

I0.0-I0.7 分配輸入測點(diǎn)：手動啟動指令、手動停機(jī)指令、手動緊急停機(jī)指令、越控指令、應(yīng)答、復(fù)位、機(jī)旁操作、操作未備便；

圖2 PLC 硬件組態(tài)

I1.0-I1.5 分配輸入測點(diǎn)：滑油液位低、啟動空氣低壓、淡水溫度低、柴油機(jī)超速、淡水溫度過高、滑油壓力過低；

I2.0-I2.2 分配輸入測點(diǎn)：發(fā)電機(jī)軸承高溫、發(fā)電機(jī)已分閘、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的70%；

Q0.0-Q0.4 分配輸出測點(diǎn)：啟動輸出、正常停機(jī)輸出、故障緊急停機(jī)輸出、正常運(yùn)行信號輸出、蜂鳴器報警輸出；

IW112、IW114、IW116 分配模擬量輸入測點(diǎn)：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣背壓、滑油壓力。

2.3.3 傳感器及信號源的選擇。手動啟動指令、手動停機(jī)指令、手動緊急停機(jī)指令、越控指令、應(yīng)答、復(fù)位開關(guān)量輸入信號由柴油機(jī)操作板上對應(yīng)的按鈕直接送出；

機(jī)旁操作、操作未備便、滑油壓力過低、發(fā)電機(jī)軸承高溫、發(fā)電機(jī)分閘、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的70%開關(guān)量輸入量信號由柴油機(jī)機(jī)旁ECU 控制單元拓展送出；

滑油液位低開關(guān)量信號來自柴油機(jī)油底殼的液位開關(guān)；啟動空氣低壓開關(guān)量信號來自啟動空氣瓶的壓力開關(guān)；淡水低溫開關(guān)量信號來自柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)管路的溫度開關(guān)，當(dāng)?shù)疁囟鹊陀?5℃時，溫度開關(guān)送出一路開關(guān)量信號；淡水溫度過高開關(guān)量信號來自柴油機(jī)淡水管路的另外一路溫度開關(guān)，當(dāng)柴油機(jī)冷卻水溫度高于92℃時，溫度開關(guān)送出一路開關(guān)量信號；排氣背壓模擬量信號來自于排煙管路的壓力傳感器；滑油壓力模擬量信號來自于柴油機(jī)主滑油管路的滑油壓力傳感器。

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號的處理：安裝于柴油機(jī)飛輪端的轉(zhuǎn)速傳感器送出一路脈沖量信號至轉(zhuǎn)速處理模塊，經(jīng)過變換處理后送出一路0-5V 的模擬量至PLC 的SM1231 AI 模擬量采集模塊，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的10%時，轉(zhuǎn)速處理模塊可以送出一路柴油機(jī)超速開關(guān)量信號至PLC 的I1.3 輸入采集通道。

2.4 軟件設(shè)計

柴發(fā)機(jī)組安保監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能設(shè)計主要有以下幾個方面：

2.4.1 啟動連鎖功能。啟動連鎖功能流程分析：當(dāng)控制部位不在機(jī)旁、柴油機(jī)滿足操作備便條件，同時滑油液位低、啟動空氣低壓、淡水溫度低等無報警時，此時柴油機(jī)無啟動連鎖條件，按下柴油機(jī)操作板上啟動按鈕，啟動輸出才有效；當(dāng)僅有淡水溫度低這一啟動連鎖條件時，按下柴油機(jī)操作面板上越控按鈕，可以屏蔽淡水溫度低報警，強(qiáng)制啟動柴油機(jī)。

啟動程序設(shè)計PLC 梯形圖如圖3。

圖3

2.4.2 正常停機(jī)連鎖功能。正常停機(jī)連鎖流程分析：當(dāng)控制部位不在機(jī)旁的情況下，按下柴油機(jī)操作面板上的停機(jī)按鈕，發(fā)電機(jī)分閘后停機(jī)信號可以正常輸出；發(fā)電機(jī)未分閘時，按下停機(jī)按鈕，正常停機(jī)輸出無效。按下柴油機(jī)操作面板上越控按鈕，可以跳過發(fā)電機(jī)分閘信號強(qiáng)制停機(jī)。

停機(jī)程序設(shè)計PLC 梯形圖如圖4。

圖4

2.4.3 安保緊急停機(jī)功能

安保緊急停機(jī)流程分析：當(dāng)按下柴油機(jī)操作面板上緊急停機(jī)按鈕，或者當(dāng)PLC 收到柴油機(jī)超速、淡水溫度過高、滑油壓力過低、發(fā)電機(jī)軸承高溫、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的70%中任一開關(guān)量輸入信號時，執(zhí)行緊急停機(jī)操作。

安保故障停機(jī)設(shè)計PLC 梯形圖如圖5。

圖5

3 結(jié)論

本文設(shè)計的船舶柴發(fā)機(jī)組安保監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室物理仿真平臺上進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，對船舶柴發(fā)機(jī)組安保監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計與應(yīng)用具有一定的參考借鑒意義。