基于PLC的能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 朝，王孫清，李彬彬，張 煒，鄭恒持

基于PLC的能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 朝1,2，王孫清1,2，李彬彬1,2，張 煒1,2，鄭恒持1,2

（1．中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082；2. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082）

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)可保證艦船綜合電力系統(tǒng)能夠可靠、安全以及健康地運(yùn)行。針對(duì)現(xiàn)有船舶能量管理系統(tǒng)中線路連接復(fù)雜、穿艙線纜多等問題，設(shè)計(jì)基于PLC和分布式控制器的艦船能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)，分艙室采集各傳感器信號(hào)并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)的集中處理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)全艦設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)與控制并保證系統(tǒng)的可靠性。

綜合電力系統(tǒng) 能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng) PLC

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艦船電能的產(chǎn)生、輸送、變換、分配及使用的高效與智能化管理[1]。能量監(jiān)測(cè)及管理分系統(tǒng)利用傳感器和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)和智能輔助技術(shù)，對(duì)艦船電能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)報(bào)警、調(diào)度控制，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)全船電能、變電裝置和用電設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)無人艙室電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和電網(wǎng)故障重構(gòu)，有助于提高艦船的智能化，是綜合電力系統(tǒng)的核心控制部分之一。在能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)中，各發(fā)電裝置、變電裝置和用電設(shè)備分布在艦船各個(gè)部位，需要采集和發(fā)送大量狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)[2]。如果各個(gè)設(shè)備都分別與能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)控制器直接連接，需要大量信號(hào)線進(jìn)行穿艙連接，不利于艦船安全。因此，采用分布式PLC集中處理各艙室監(jiān)控信號(hào)，并與能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)控制器直接相連，從而最大限度地集中處理龐大的狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)。

目前，俞萬(wàn)能[3]等基于PLC及總線控制技術(shù)，研發(fā)多能源船舶微網(wǎng)能量控制系統(tǒng)；胡紅錢[4]等由M430 PLC擴(kuò)展為Modbus/TCP交換機(jī)，改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸；許智豪[5]等使用STM32F407作為微控制器，設(shè)計(jì)基于I2C總線的能量管理系統(tǒng)，對(duì)底層控制器的I/O端口進(jìn)行有效控制；錢美[6]等基于現(xiàn)場(chǎng)CAN網(wǎng)絡(luò)搭建監(jiān)控管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)艦船電力監(jiān)控。

從上述可知，目前艦船能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本為控制器與底層設(shè)備直接相連，導(dǎo)致線路連接復(fù)雜，穿艙線纜多。因此，本文將基于分布式PLC處理各艙室信號(hào)，并與主控制器直接相連的架構(gòu)來搭建艦船能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)，降低線路連接復(fù)雜程度并提高系統(tǒng)可靠性。

1 能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電站艙與推進(jìn)艙采用分布式控制器，負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)采集與控制信號(hào)輸出，駕駛艙P(yáng)LC接收分布式PLC采集的傳感器信號(hào)，集中處理、運(yùn)算后輸出相應(yīng)控制信號(hào)，控制全艦設(shè)備，能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成

主要硬件選型有：

1）集控臺(tái)顯示屏選用西門子TP2200系列，可實(shí)時(shí)顯示能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)各傳感器、接觸器、斷路器狀態(tài)信息，電站1和電站2工作狀態(tài)，電機(jī)1和電機(jī)2驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，并可下發(fā)操作指令，控制各裝置運(yùn)行。

2）駕駛艙P(yáng)LC選用西門子CPU 1515-2 PN控制器，配備模擬量采集模塊和數(shù)字量輸入/輸出模塊，采集相應(yīng)傳感器和接觸器狀態(tài)信息，并與分布式PLC通過以太網(wǎng)接口相連，獲取其它艙室狀態(tài)信息并控制；并與集控臺(tái)顯示屏相連，實(shí)時(shí)輸出信號(hào)在顯示屏上顯示。

3）分布式PLC選用西門子ET200 MP控制器，該分布式PLC不帶CPU，只配信號(hào)輸入/輸出模塊，通過接口模塊IM 155-5 PN與駕駛艙P(yáng)LC通訊。

2 能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)須對(duì)全艦?zāi)芰窟M(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、評(píng)估、調(diào)度和控制，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的高度自動(dòng)化管理，主要功能如下：

1）全艦分布式電源、變電裝置、用電負(fù)荷狀態(tài)集中監(jiān)測(cè)

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)應(yīng)采集分布式電源、各變電裝置、各用電負(fù)荷的基本參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)，集中以直觀形式顯示于監(jiān)控界面，并具備報(bào)警、記錄、歷史查詢功能。

2）電網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)應(yīng)采集主要回路的電壓、電流、絕緣狀態(tài)以及配電開關(guān)合分閘狀態(tài)，以直觀方式在監(jiān)控界面進(jìn)行顯示，并具備報(bào)警、記錄、歷史查詢功能。

3）無人艙室電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無人艙室電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，判斷故障發(fā)生及故障類型，并產(chǎn)生聲光報(bào)警。并可針對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)和工況需求，在取得操作權(quán)限后可發(fā)送遙控指令控制相關(guān)電力設(shè)備運(yùn)行。

4）恢復(fù)性重構(gòu)控制

當(dāng)艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)用電設(shè)備停電。因此，當(dāng)電網(wǎng)故障，能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)應(yīng)能夠及時(shí)定位故障區(qū)域與類型，通過控制相應(yīng)接觸器與斷路器，改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隔離故障區(qū)域，恢復(fù)重要負(fù)載供電。

2.2 程序設(shè)計(jì)

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)可分為三部分，包括主控制器S7-1500的程序設(shè)計(jì)、觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和PLC與各設(shè)備通訊設(shè)計(jì)。主控制器通過采集各艙傳感器信號(hào)，并根據(jù)觸摸屏的控制指令或機(jī)旁控制指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全艦的集中管理和監(jiān)控。

駕駛艙P(yáng)LC采用博途軟件進(jìn)行開發(fā)，包括1個(gè)主程序和9個(gè)子程序，其中子程序分別為初始化子程序、駕駛艙傳感器采集和信號(hào)輸出子程序、駕駛艙數(shù)據(jù)處理子程序、電站艙傳感器采集和信號(hào)輸出子程序、電站艙數(shù)據(jù)處理子程序、推進(jìn)艙傳感器采集和信號(hào)輸出子程序、推進(jìn)艙數(shù)據(jù)處理子程序、報(bào)警闕值設(shè)置及報(bào)警子程序和設(shè)備通訊配置子程序。

其中傳感器采集和信號(hào)處理模塊，將PLC信號(hào)采集模塊過程輸入映像表中的數(shù)據(jù)處理后輸入到工作存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)塊DB中，用于后續(xù)程序編程；并將程序處理后的控制信號(hào)信號(hào)輸出到過程輸出映像表中，用于PLC信號(hào)輸出模塊輸出控制信號(hào)。對(duì)于模擬量信號(hào)，PLC采集卡將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)為16位數(shù)字信號(hào)，需編程將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為傳感器實(shí)際量程，如圖2所示。

圖2 傳感器采集和信號(hào)輸出子程序

數(shù)據(jù)處理子程序通過掃描接收到的輸入信號(hào)與控制命令，按照預(yù)設(shè)程序，逐一執(zhí)行控制程序，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，用于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（接觸器、變頻器等）的控制，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理子程序

圖4 報(bào)警闕值設(shè)置及報(bào)警子程序

報(bào)警闕值設(shè)置及報(bào)警子程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)以及系統(tǒng)狀態(tài)信息，當(dāng)傳感器數(shù)值超過正常范圍時(shí)，置位超限或低限指令，并觸發(fā)報(bào)警子程序，自動(dòng)斷開相應(yīng)設(shè)備并具有聲光報(bào)警功能，并可在監(jiān)控界面提示故障信息，如圖4所示。

3 通訊設(shè)計(jì)

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)主要與分布式PLC、觸摸屏和推進(jìn)電機(jī)變頻器通訊。

對(duì)于分布式PLC和觸摸屏，皆采用西門子系列產(chǎn)品，與駕駛艙P(yáng)LC CPU 1515-2 PN控制器采用以太網(wǎng)接口連接通訊，只需將三個(gè)設(shè)備以太網(wǎng)地址配置為同一網(wǎng)段，軟件可自動(dòng)配置進(jìn)行設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，完成傳感器信號(hào)以及控制信號(hào)的傳輸。

與推進(jìn)電機(jī)變頻器采用Modbus RTU協(xié)議通訊，可實(shí)現(xiàn)變頻器開關(guān)器件和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、輸入電壓、輸出電流監(jiān)控以及轉(zhuǎn)速設(shè)置與顯示等參數(shù)的設(shè)置。使用博途軟件配置Modbus RTU通訊需設(shè)置從站設(shè)備的通訊波特率、奇偶校驗(yàn)、從站地址、通信模式、從站地址區(qū)開始地址、傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等參數(shù)，具體配置如圖5所示。

圖5 Modbus通訊配置程序

4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全艦各艙室傳感器信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各艙室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。因此，在全艦建立綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將船上所有電源、變電裝置、用電負(fù)荷與執(zhí)行機(jī)構(gòu)納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)。將全艦的設(shè)備按照位置的不同劃分為駕駛艙、電站艙和推進(jìn)艙三個(gè)子系統(tǒng)。在駕駛艙監(jiān)控主界面可集中顯示各艙室主要回路電壓、電流和絕緣狀態(tài)以及電站和推進(jìn)裝置工作狀態(tài)；各子系統(tǒng)監(jiān)控界面可詳細(xì)顯示各艙室內(nèi)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)并發(fā)出控制指令，如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)能量監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)中各設(shè)備和傳感器信號(hào)直接與主控制器相連造成穿艙線纜多、線路復(fù)雜等缺點(diǎn)，提出一種基于分布式PLC監(jiān)控各艙室設(shè)備信息并與主控制器通訊的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并加以分析。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備分散控制和集中管理，各分布式PLC與主控PLC僅需一條網(wǎng)線連接，減少了穿艙電纜數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全艦設(shè)備、用電負(fù)荷和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有效控制和監(jiān)測(cè)。

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[2] 王守相, 孟子涵. 艦船綜合電力系統(tǒng)分析技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)艦船研究, 2019, 14(2): 107-117.

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Design of energy monitoring and management system based on PLC

Yu Zhao1,2，Wang Sunqing1,2，Li Binbin1,2，Zhang Wei1,2，Zheng Hengchi1,2

(1. China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2 Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM76

A

1003-4862（2022）09-0039-04

2022-03-10

于朝（1994-），男，工程師，碩士，研究方向：能量監(jiān)測(cè)及管理。E-mail：694752200@qq.com