基于MCGS 艦艇應急電站監(jiān)控系統(tǒng)設計

胡 靜，朱 娜

（1. 武警海警學院，浙江寧波 315801；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

隨著海警艦艇自動化的標準逐漸提升，艦艇應急電站作為全艦艇自動化的重要環(huán)節(jié)，針對其自動化控制進行研究尤為重要。應急電站的監(jiān)控系統(tǒng)分為參數(shù)顯示和自動控制2個主體部分[1]；在應急電站工作時，能實時顯示原動機和電網(wǎng)的參數(shù)，如原動機的油水壓力和溫度、應急電網(wǎng)的電壓、電流和頻率等。在發(fā)生故障時，能及時報警并自動調(diào)節(jié)部分參數(shù)，如通過控制油門開度來穩(wěn)定頻率、通過調(diào)整勵磁電流來穩(wěn)定電壓[2]。傳統(tǒng)的繼電器和機械顯示儀表已經(jīng)不能滿足這一系列的控制要求，因此，如何提高整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性已成為海警艦艇自動化的重要研究方向。

1 艦艇應急電力系統(tǒng)

艦艇應急電力系統(tǒng)屬于全艦艇電力系統(tǒng)的一部分，當遭受如戰(zhàn)損、惡劣海況等導致的主電力系統(tǒng)斷電且暫時不能恢復供電的情況時，應急電力系統(tǒng)應快速投入運行，為艦艇重要用電負載緊急供電，以保證艦艇生命力的維持；同時，艦艇人員需盡快恢復主電網(wǎng)的供電。

隨著海警艦艇新型艦船裝備的列裝、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，其自動化程度的提高為人員帶來便利的同時，對使用環(huán)境、設計水平和人員素質(zhì)提出了更高的要求，其主要概括如下：

1）艦艇應急電站應設有自動和手動控制2種工作模式。

2）應急發(fā)電機組投入運行與主電網(wǎng)正常運行之間設有必要的電氣連鎖，避免出現(xiàn)應急發(fā)電機組和主電網(wǎng)二者同時供電的情況。

3）應急發(fā)電機組通常設置在人員容易到達的高層連續(xù)甲板、遠離主副機艙的位置，應急配電板和應急發(fā)電機應安裝在同一艙室。

4）應急電力系統(tǒng)應設置必要的短路、欠壓、過載保護，同時設有必要的絕緣監(jiān)測與報警系統(tǒng)。

5）艦艇應急發(fā)電機組應保證至少能連續(xù)起動6次的電力或壓縮空氣的儲備，且其控制系統(tǒng)能保證能短時間連續(xù)起動3次發(fā)電機組，并保證能在45s內(nèi)根據(jù)預定控制程序給應急負載供電。若3次均未能成功起動，則監(jiān)控系統(tǒng)立即停止其自動起動程序并報警。

6）應急電站監(jiān)控系統(tǒng)設有對柴油機運行參數(shù)的報警以及發(fā)電機和電網(wǎng)參數(shù)的顯示和報警功能。表1為艦艇應急電站規(guī)范所要求的報警內(nèi)容。

表1 艦艇應急柴油機的安全保護和報警項目表

2 控制系統(tǒng)設計

艦艇應急電站控制系統(tǒng)是以PLC作為核心控制元件來實現(xiàn)對應急電站柴油機和電氣參數(shù)的采集與控制，采用MCGS設計出的人機監(jiān)控界面并建立與S7-200連接的PPI通信通道，實現(xiàn)對整個電站實時監(jiān)視和控制。

本文設計的應急電站控制單元主要在以下2種情況下使用：

1）當主電網(wǎng)正常工作時，發(fā)生故障失電且經(jīng)歷短暫延時確認后仍未恢復供電，則立即啟用該控制程序，根據(jù)不同情況，按照既定的控制程序完成對應急負載的供電過程。

2）在對應急柴油發(fā)電機組（簡稱：EG）起動性能模擬測試時，只運行PLC自動起停模塊的子程序，而不運行合閘部分的程序，以保證試驗時主電站的正常供電。

在不考慮背向反射影響的情況下,微環(huán)諧振腔的光場傳輸示意圖如圖1所示。圖1中,微環(huán)與直波導寬度相同,半徑為R,耦合間距為d,微環(huán)與直波導光場耦合系數(shù)為k,在耦合區(qū)域,輸入光場(a1,a2)與輸出光場(b1,b2)的傳數(shù)矩陣[20]可以表示為:

根據(jù)艦艇應急電站所需實現(xiàn)的控制需求，以模塊化的設計方法對整個控制流程進行編寫，即通過主程序來調(diào)用各子程序，主要包括應急柴油發(fā)電機組自動起停模塊、主開關(guān)分合閘模塊和聲光報警模塊[3]。

現(xiàn)按照控制要求對I/O資源作如下配置：

1）數(shù)字量I/O分布如表2所示。

表2 數(shù)字量符號表

2）模擬量I/O分布如表3所示。

表3 模擬量符號表

3 系統(tǒng)調(diào)試

將裝有控制程序的S7-200 PLC與MCGS觸摸屏連接，進行監(jiān)控系統(tǒng)的模擬運行與仿真，以應急發(fā)電機的起動情況為例，其測試結(jié)果如下：艦艇通常由主電網(wǎng)供電，當主電網(wǎng)因故斷電時，應急發(fā)電機組應迅速起動，且在45 s內(nèi)投入運行。其投入運行過程如圖1～圖3所示。

圖1 應急起動完成

圖3 應急投入運行時負載的監(jiān)控

圖2 應急系統(tǒng)界面

根據(jù)電站實際運行過程和相關(guān)控制需求，設計出艦艇應急電站監(jiān)控系統(tǒng)，可設置為自動或手動2種運行模式，經(jīng)過從系統(tǒng)初始化到起動、應急負載監(jiān)控與手動調(diào)節(jié)，對報警提示與查詢等過程的功能進行仿真測試。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠滿足對艦艇應急電站的實時監(jiān)控。

4結(jié)論

艦艇應急電站作為艦艇電力系統(tǒng)最后的保障，盡管使用頻率低，但一旦投入運行，監(jiān)控系統(tǒng)必須保證供電的穩(wěn)定性和快速性。最終測試結(jié)果表明：基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)在參數(shù)顯示、故障報警等方面人機交互性好，結(jié)合PLC控制器的控制優(yōu)勢，能夠在艦艇復雜情況下及時、可靠地完成對重要負載的供電，降低艦艇人員的工作和執(zhí)勤強度，提升艦艇自動化水平和艦艇生命力。