基于PLC 的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)分析

周長江，孫裕林，趙福財(cái)

（1. 上海研途船舶海事技術(shù)有限公司，上海 200444；2. 上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司，上海201612；3. 安徽長風(fēng)船舶工程有限公司，合肥 230601）

0 引言

隨著造船業(yè)的飛速發(fā)展，大型高科技船舶變得越來越重要。船舶的發(fā)電站和供電系統(tǒng)中強(qiáng)調(diào)了許多新概念，新技術(shù)和新設(shè)備?？刂?，監(jiān)視和管理電源系統(tǒng)的必要性變得越來越重要。在當(dāng)下的船舶行業(yè)的發(fā)展過程中，通信系統(tǒng)環(huán)境處于隨時變化的狀態(tài)，進(jìn)而通信管理控制系統(tǒng)的難度加大，礙于硬件和軟件自身的限制，存在覆蓋率低、通信系統(tǒng)波特率差的問題，已經(jīng)不能適應(yīng)于當(dāng)今船舶通信系統(tǒng)的需要，以此，需要基于PLC自動化系統(tǒng)，有效地對船舶的電站進(jìn)行可靠性方面的管理以及控制，進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)無人駕駛室的操作方式，大大提升工業(yè)的控制能力。

1 研究背景

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類在大數(shù)據(jù)時代的自動化和智能化生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)揮著越來越重要的作用。作為船舶的輔助動力單元，船舶對機(jī)械和設(shè)施供電的需求是船舶電站的重要組成部分，而在技術(shù)快速發(fā)展的時代，船舶電站的監(jiān)控控制系統(tǒng)需要得到補(bǔ)充，以滿足新的需求。對于大型船舶來說，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，通常有大量的系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中，每個機(jī)械設(shè)備都需要一個電能的電源。為此，在大型船舶上，通常是電力，以建造一個獨(dú)立的發(fā)電站。自1960年代以來，我國自動化船用發(fā)電站被廣泛應(yīng)用。在發(fā)電站自動化方面，它可以有效改善船舶行駛過程中電力的穩(wěn)定性和長期生存能力，在高效工作過程中改善船員工作環(huán)境，大大降低勞動強(qiáng)度，是一種經(jīng)濟(jì)的與船舶作業(yè)勞動強(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo)將對系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響。

現(xiàn)代船舶自動控制系統(tǒng)不僅可以跟蹤和管理船舶發(fā)電站，還可以監(jiān)控工作的各個方面。在操作過程中，它可以提高預(yù)期的能源效率，從而確保船舶在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性。降低經(jīng)濟(jì)成本。因此，有必要研究自動控制系統(tǒng)。

2 船舶電站整體系統(tǒng)框架搭建

本文針對交流380 V和50 Hz船舶電站，設(shè)計(jì)一套船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)。為了滿足船舶電站監(jiān)測系統(tǒng)的要求，本論文先建立了系統(tǒng)的整體框架。該系統(tǒng)包括設(shè)備層、監(jiān)視層和網(wǎng)絡(luò)層。設(shè)備層主要包括柴油發(fā)電機(jī)及其調(diào)速器參數(shù)檢測傳感器，自動結(jié)合裝置和調(diào)頻配電裝置等。監(jiān)控層主要包括 PLC 控制，計(jì)算機(jī)報警裝置和操作界面等。網(wǎng)絡(luò)層主要包括網(wǎng)絡(luò)線路計(jì)算機(jī)和各種電子器件等。該系統(tǒng)采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N型PLC，主要用于發(fā)動機(jī)啟動、停機(jī)、調(diào)速、并聯(lián)和系統(tǒng)故障時的數(shù)據(jù)收集、監(jiān)督、分析。通過RS-485串口與計(jì)算機(jī)通信。主站通過MCGS軟件與子站通信。

3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由1臺PC機(jī)、3臺發(fā)電機(jī)PPU并聯(lián)保護(hù)單元（Paralleling and Pro-tection Unit）和3臺柴油發(fā)電機(jī)組組成，其中1臺和2臺發(fā)電機(jī)為常規(guī)發(fā)電機(jī)，3臺為非常規(guī)發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)可自動監(jiān)測、報警和記錄電壓、電量、頻率、電氣參數(shù)和運(yùn)動信號。并為多臺發(fā)電機(jī)設(shè)置了啟動控制程序。PC上位機(jī)會不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控系統(tǒng)，還可以直接操作觸摸屏幕實(shí)現(xiàn)對可編程邏輯控制器下位機(jī)的控制。該界面允許您在控制點(diǎn)、數(shù)字和模擬器的實(shí)時動畫和狀態(tài)信息的幫助下顯示船舶發(fā)電廠的運(yùn)行情況。還可通過相關(guān)的功能鍵完成對應(yīng)設(shè)備的操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如果設(shè)備的一個部分發(fā)生故障而一個部分無法啟動，則設(shè)備的下一部分可以通過電網(wǎng)自動連接。發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中可以實(shí)現(xiàn)電壓的自動分配。激勵裝置可以在工作期間通過調(diào)節(jié)電流波動來充分地保障恒定電源電壓。在此過程中，它甚至可以被完全有效地調(diào)節(jié)，從而有效分配其連接電源的非功能性能量，從而確保電壓的正確分配。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備監(jiān)控軟件，實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，具有功能完善、操作方便和可視性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4.1 電站運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)的監(jiān)測

船舶發(fā)電站監(jiān)測系統(tǒng)可以收集和顯示發(fā)電站的主要參數(shù)。數(shù)字和工作狀態(tài)在監(jiān)測接口中集中顯示，這對參數(shù)很方便發(fā)電廠的工作狀態(tài)。

4.2 監(jiān)測故障、報警、故障處理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)各類故障報警，電廠運(yùn)行情況和參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控，評估故障的發(fā)生和類型，如直流斷電報警、母線頻率報警、低絕緣報警、主發(fā)電機(jī)開關(guān)故障報警、母線上下限故障報警等。當(dāng)出現(xiàn)上述故障時，系統(tǒng)可自動開啟聲光報警[1]，并且界面上還設(shè)置有消聲、消閃按鈕。

母線的電壓和頻率必須與表1中指定的變差范圍相匹配，當(dāng)它超過時，就會產(chǎn)生警報信號。

表1 母線電壓、頻率波動范圍

4.3 信息參數(shù)的顯示、儲存、打印

監(jiān)控畫面上提供故障信息顯示頁面，顯示當(dāng)前發(fā)生故障的具體日期、地點(diǎn)和類型等。以上信息保存在觸摸屏CF卡上。同時系統(tǒng)每秒采集一次數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果存儲在觸摸屏CF卡上。由此，工作人員進(jìn)入界面后可以直觀地看到相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對其進(jìn)行分析，隨時了解電站工作的現(xiàn)狀，方便操作人員觀察和處理。并且可以通過從USB端口外部連接打印設(shè)備來打印觸摸屏。

4.4 電站功能控制

控制電站有3種方式：手動、自動和遙感。其中，手動控制是指根據(jù)設(shè)備的工作條件對設(shè)備和操作員的控制屏幕進(jìn)行手動控制。當(dāng)系統(tǒng)處于自動模式時，PLC自動監(jiān)控發(fā)電站的運(yùn)行狀態(tài)。這是指發(fā)電站的自動控制和控制。根據(jù)不同的情況，發(fā)電站的管理是通過各種控制措施進(jìn)行的。遠(yuǎn)程控制接口允許人員在系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制模式時監(jiān)視接口上的按鈕，以實(shí)現(xiàn)管理信息和接口數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

4.5 系統(tǒng)具有良好的安全功能

該系統(tǒng)提供了多種工作方法和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的優(yōu)勢，但在這種情況下，可能會有現(xiàn)場事故導(dǎo)致系統(tǒng)突然故障和大損失。因此，為了有效解決上述任務(wù)，有必要配置系統(tǒng)安全功能。同樣，您可以設(shè)置用戶權(quán)限在系統(tǒng)的過程中，由于各種因素的影響，很容易犯人為的錯誤。為避免上述癥狀，您可以使用軟件指定用戶級別和權(quán)限。只有授權(quán)用戶才能執(zhí)行此操作，這大大降低了風(fēng)險。最后，設(shè)置優(yōu)先級，可以優(yōu)先處理所有3種操作模式，以防止由于安全功能而損壞系統(tǒng)。

1）設(shè)置用戶權(quán)限。為避免人為錯誤，應(yīng)用程序限制了用戶的級別和權(quán)限，并嚴(yán)格規(guī)范不同類型的操作權(quán)限，以防止未經(jīng)授權(quán)的操作。

2）設(shè)置優(yōu)先級。3種操作模式，遠(yuǎn)程控制和自動均按上述順序排列，以防止3種操作模式的混合。

5 軟件程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件包括PLC控制軟件和基于觸摸的人機(jī)界面。PLC程序用于數(shù)據(jù)處理、邏輯評估及控制執(zhí)行等功能；軟件框圖見圖2。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

其中，PLC軟件的控制功能是，當(dāng)船舶發(fā)電運(yùn)行過程中發(fā)生電源故障時，備用裝置可以立即啟動，以便在短時間內(nèi)恢復(fù)電源。工作原理是：PPU自動連接后對于網(wǎng)絡(luò)而言，連接到柴油發(fā)動機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的電氣頻率是一種比較，然后自動調(diào)整以滿足連接網(wǎng)絡(luò)的要求。同時，中央處理器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)頻率、加載調(diào)節(jié)和加載過程。此外，觸摸屏界面監(jiān)控人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)的使用情況，配置全面的過程項(xiàng)目，對員工實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)很有用。該程序由多個接口組成，包括：主監(jiān)控接口、柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控接口、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接口、警報接口、接口記錄錯誤、方向數(shù)據(jù)接口、海岸電源管理接口、設(shè)置系統(tǒng)接口和遠(yuǎn)程訪問接口主機(jī)界面。在主屏幕上，右上角是時間，底部是切換按鈕[2]。完整的主界面詳細(xì)說明了發(fā)電廠的工作。此外，單擊相應(yīng)的按鈕查看數(shù)據(jù)在監(jiān)控柴油發(fā)電機(jī)組接口的過程中，將集中顯示3個發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以便操作員可以及時控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并執(zhí)行打開、關(guān)閉和重置等操作。界面警報顯示所有信息都是錯誤的[3]。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，警報系統(tǒng)會自動彈出對話框，指示某種類型的故障。同時，可以設(shè)置警報時間和燈警報。通過監(jiān)視屏幕界面工作通過觸摸，可以通過瀏覽器訪問主機(jī)，查詢監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示和操作功能。

6 通信設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)、觸摸屏和PLC通信接受以太網(wǎng)IP模式。該協(xié)議是開放的，并與不同的設(shè)備廠家設(shè)備兼容。同時，有快速、實(shí)時的活動可以確認(rèn)以太網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、效率和穩(wěn)定性。添加適合配置設(shè)備連接設(shè)置的視頻設(shè)計(jì)[4-5]。在這種情況下，用戶只需編寫軟件即可訪問觸摸屏、PLC和計(jì)算機(jī)。

同時，PLC和PPU通過一系列通信操作并實(shí)現(xiàn)電氣中心參數(shù)的通信功能。首先，請?jiān)O(shè)置RS-485并檢查信息的長度。配置完成后，PPU 采樣的內(nèi)部寄存器釋放公共信息，并準(zhǔn)備一個合適的通信命令來更改PPU的信息。

7 結(jié)論

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)并實(shí)時采集。電站通過數(shù)據(jù)運(yùn)行對船舶電站進(jìn)行管理和控制，如操作員可以通過人機(jī)界面實(shí)際分析信息，監(jiān)控和操作船舶電氣數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)警報提供的信息，詢問信息、類型和其他信息，分析關(guān)鍵信息的歷史并詢問信息。電力數(shù)據(jù)的安全和可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用提高了船舶在發(fā)電站的發(fā)電的自動化水平和穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)了移動目的的遠(yuǎn)程控制。