【正文】 1課題的組成及背景 船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)的定義、組成和特點(diǎn)船舶電力系統(tǒng)是孤立于陸地的獨(dú)立電網(wǎng)，它是產(chǎn)生、輸送、分配、使用電能的裝置和用電網(wǎng)絡(luò)的總稱(chēng)，它由用電設(shè)備、裝配電裝置、發(fā)電裝置和電纜等組成。其中船舶電站是船舶所需的全部電能的來(lái)源，處于船舶電力系統(tǒng)的核心地位。船舶電站由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和附屬設(shè)備(組合成發(fā)電機(jī)組)及配電裝置組成。發(fā)電機(jī)組是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電設(shè)備；配電裝置是接收船舶發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能，并對(duì)所有電力負(fù)載進(jìn)行配電的開(kāi)關(guān)和控制設(shè)備的組合裝置，也是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、保護(hù)的控制裝置。船舶電站的主要特點(diǎn)是容量相對(duì)較小。當(dāng)起動(dòng)某些大容量負(fù)載起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而使發(fā)電頻率和電壓大幅波動(dòng)，同時(shí)將沖擊電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓、頻率大幅度下降，因此，要求發(fā)電機(jī)組要具有較大的承載能力和維持電站穩(wěn)定運(yùn)行的能力。 船舶電站自動(dòng)化的發(fā)展與展望隨著船舶自動(dòng)化程度的不斷提高，電站自動(dòng)化由局部控制發(fā)展到了綜合控制，由就地的控制發(fā)展到集中的控制。集散式系統(tǒng)就是集計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制技術(shù)于一體的系統(tǒng)。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，下位機(jī)分散到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分布式控制。所以，這種集散式的管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有很高的可靠性，且易于擴(kuò)展，上位機(jī)根據(jù)需要增減下位機(jī)臺(tái)數(shù)。船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)：(1)系統(tǒng)監(jiān)控的綜合化由于電氣設(shè)備已經(jīng)日趨通用化、模塊化、系列化，組態(tài)靈活；上位控制機(jī)所有功能可通過(guò)屏幕軟件按鈕來(lái)完成，為系統(tǒng)監(jiān)控的綜合化提供了必要的基礎(chǔ)。另外，采用綜合監(jiān)控的形式，可以構(gòu)成雙重或多重冗余，對(duì)提高系統(tǒng)或者全船整體可靠性是有積極意義的。(2)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化如今，數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的雙向網(wǎng)絡(luò)通信靠現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用雙層網(wǎng)絡(luò)，第一層網(wǎng)絡(luò)采集與傳送數(shù)據(jù)，第二層網(wǎng)絡(luò)是控制網(wǎng)。從分散危險(xiǎn)的原則上，設(shè)置獨(dú)立的控制子網(wǎng)。各子系統(tǒng)的功能由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，把數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)分散功能結(jié)合，但每個(gè)系統(tǒng)又是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，在某系統(tǒng)局部受損時(shí)不影響其他系統(tǒng)獨(dú)立完成工作，采用網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余設(shè)計(jì)及不間斷后備電源，增強(qiáng)系統(tǒng)控制能力。利用圖像控制功能，在人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)話(huà)效果。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于采用數(shù)字化和高層次的自動(dòng)化技術(shù)代替大量繁瑣的人工操作，它有助于減少頻繁操作和減輕人員疲勞，把船員從環(huán)境惡劣的工作場(chǎng)合中解放出來(lái)。船舶電氣自動(dòng)化領(lǐng)域展望，在計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制技術(shù)迅速發(fā)展且互相交叉滲透，還有人工智能和模糊技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)給船舶電站自動(dòng)化帶來(lái)重大的變革。未來(lái)船舶電站的自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)向著自動(dòng)故障預(yù)測(cè)、自診斷的方向發(fā)展，上位機(jī)將會(huì)實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家系統(tǒng)等智能連接。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正在經(jīng)歷著從集中型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→分散型微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→集散型(分布式)多級(jí)、多微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→網(wǎng)絡(luò)型(智能式)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。而這些技術(shù)的發(fā)展會(huì)使船舶工業(yè)向著智能綜合自動(dòng)化、微機(jī)監(jiān)視、智能控制、衛(wèi)星通信導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)、船岸信息直接交流、全船自動(dòng)化領(lǐng)域延伸得更深。 PLC在船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用 PLC 概述國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)頒布的可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)及其定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的儲(chǔ)存器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等操作的命令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)”。可編程控制器(Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是一種工業(yè)控制器件。它是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制結(jié)合的產(chǎn)物。PLC這種專(zhuān)用的工業(yè)控制機(jī)，它的組成與計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件和軟件系統(tǒng)兩部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)由主機(jī)、輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備及外部設(shè)備三部分組成。主機(jī)由中央控制單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、輸入輸出擴(kuò)展總線(xiàn)接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成，各部件通過(guò)由電源總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)構(gòu)成的內(nèi)部系統(tǒng)總線(xiàn)進(jìn)行連接；輸入輸出擴(kuò)展機(jī)是輸入輸出單元的擴(kuò)展部件；外部設(shè)備主要是編程器、圖形顯示器等。PLC軟件由系統(tǒng)程序、和用戶(hù)程序兩大部分組成。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶(hù)指令解釋程序和系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。用戶(hù)程序包括各類(lèi)畫(huà)面的操作顯示程序，也有人機(jī)界面的有關(guān)軟件，用戶(hù)可以根據(jù)制造商提供的軟件使用說(shuō)明進(jìn)行操作站的系統(tǒng)畫(huà)面組態(tài)和編制相應(yīng)的應(yīng)用程序。 PLC 的工作原理PLC的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理是基本相似，它通過(guò)執(zhí)行用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。但是，在時(shí)間上PLC執(zhí)行的任務(wù)是串行的，與繼電器邏輯控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的執(zhí)行有所不同，PLC整個(gè)工作過(guò)程是以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行。循環(huán)掃描方式是指在執(zhí)行程序的過(guò)程中，對(duì)各個(gè)過(guò)程輸入信號(hào)進(jìn)行收集，對(duì)收集信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果輸出到生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去。這種循環(huán)掃描的方式，不斷地對(duì)輸入和輸出變量進(jìn)行收集、計(jì)算和輸出，使得變量滿(mǎn)足程序條件，并且相應(yīng)的輸出使執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，其集成度越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)及通信功能越來(lái)越強(qiáng)，可靠性和控制功能越來(lái)越好，這些都使PLC更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中。 PLC 在船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)船舶電站控制有控制動(dòng)作復(fù)雜、頻繁的特點(diǎn)，且有較多的接觸器作為執(zhí)行器。一般的PLC都有幾百個(gè)內(nèi)部輔助繼電器，而且還有多種專(zhuān)用的內(nèi)部繼電器，可以滿(mǎn)足一般的控制要求，唯一需要做的就是對(duì)PLC進(jìn)行編程。同時(shí)，PLC在船舶電站抗干擾方面也有其極大的優(yōu)越性。另外，PLC與繼電器控制比較有運(yùn)行速度快、可靠性和壽命高的優(yōu)點(diǎn)。PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)更改控制邏輯只需修改軟件，無(wú)需對(duì)硬件做改動(dòng)；(2)程序可以復(fù)制，批量生產(chǎn)容易；(3)電氣硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化；(4)由于PLC除有繼電器功能外，尚有多種其他功能，可以實(shí)現(xiàn)繼電器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制功能，實(shí)現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化；(5)可靠性高；(6)具有擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，當(dāng)需要較多的I/O時(shí)可以方便的擴(kuò)展。 本課題背景及選題意義隨著新航運(yùn)要求的出現(xiàn)，對(duì)船舶要求也有所提高。作為船舶上重要的裝備，船舶電站有著極其重要的作用；除了為船舶提供日常用電之外，還關(guān)系著船舶日常工作的順利進(jìn)行。為解決船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的繼電器系統(tǒng)和電子電路控制系統(tǒng)的線(xiàn)路復(fù)雜、可靠性差、維修工作量大等缺點(diǎn)，甚至在情況嚴(yán)重下，會(huì)造成系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，因此開(kāi)發(fā)一套穩(wěn)定、高效、實(shí)時(shí)的基于PLC的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)，是迫切需要的。為解決船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的繼電器系統(tǒng)和電子電路控制系統(tǒng)的線(xiàn)路復(fù)雜、可靠性差、維修工作量大等缺點(diǎn)，給出了解決方案。闡述了基于S7200 PLC的船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)電力管理系統(tǒng)參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)視與在線(xiàn)修改[1]。由于PLC可靠性高、耐惡劣環(huán)境、使用極為靈活，功能擴(kuò)展方便。在船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用S7200PLC實(shí)現(xiàn)船舶電站的邏輯控制和總體控制，替代繼電器系統(tǒng)和電子電路控制系統(tǒng)，故障率大大減少。在PLC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自整定PID算法控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)執(zhí)行，負(fù)荷分配及時(shí)均衡。PLC船舶電站控制系統(tǒng)便于系統(tǒng)參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)視與在線(xiàn)修改。 本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本文主要內(nèi)容是以?xún)膳_(tái)發(fā)電機(jī)組的電站為例，采用PLC的工業(yè)控制技術(shù)和工業(yè)PC機(jī)，設(shè)計(jì)了基于PLC控制的船舶電站自動(dòng)化的集散式管理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)電站以?xún)膳_(tái)發(fā)電機(jī)組為例，下位機(jī)PLC可通過(guò)輸入輸出接口與發(fā)電機(jī)組和現(xiàn)場(chǎng)儀表相連接，與上位PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接。上位機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)機(jī)各種界面，在設(shè)計(jì)的界面上可以顯示機(jī)組的狀態(tài)和各主要參數(shù)，輪機(jī)員通過(guò)各種界面能觀(guān)察和操作機(jī)組。結(jié)構(gòu)的安排：(1)首先充分論述自動(dòng)化電站的組成、原理、功能、要求，在了解控制器功能和監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇了集散式船舶管理系統(tǒng)。(2)在集散式系統(tǒng)下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PLC控制的發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)并車(chē)運(yùn)行、自動(dòng)頻率和負(fù)載調(diào)節(jié)，重載詢(xún)問(wèn)、自動(dòng)解列以及自動(dòng)停車(chē)的流程。(3)在上位機(jī)上提出幾種設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的分散控制和集中管理功能。(4)通過(guò)實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足之處，對(duì)不足之處進(jìn)行改正。2 船舶電站自動(dòng)化管理系統(tǒng) 船舶電站自動(dòng)化管理系統(tǒng)的總體構(gòu)成船舶電站的自動(dòng)化管理系統(tǒng)一般由電站自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)報(bào)警和安全系統(tǒng)組成：(1)控制系統(tǒng)：能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)、并車(chē)和解列，還可以實(shí)現(xiàn)電站功率的自動(dòng)管理及電壓、頻率的穩(wěn)定，且可處理電站中出現(xiàn)的故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)可自動(dòng)地使處于備用狀態(tài)的機(jī)組迅速起動(dòng)(不超過(guò)45s)，自動(dòng)準(zhǔn)同步投入電網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)成功后，故障機(jī)組將負(fù)荷降低至不大于額定功率的10%時(shí)，自動(dòng)脫離電網(wǎng)。(2)自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)：此系統(tǒng)的主要功能是自動(dòng)地實(shí)施監(jiān)測(cè)電站各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，有原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)量包括開(kāi)關(guān)量和模擬量。其次，系統(tǒng)會(huì)將監(jiān)測(cè)量實(shí)時(shí)與設(shè)定的限制值進(jìn)行比較，若被測(cè)量超限，將發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)。最后，系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄、打印，并對(duì)超限參數(shù)進(jìn)行記錄。(3)安全系統(tǒng)：自動(dòng)化電站應(yīng)設(shè)安全系統(tǒng)。如果電站控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生危及電站系統(tǒng)的各主要設(shè)備安全的嚴(yán)重故障時(shí)，安全系統(tǒng)能自動(dòng)產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。自動(dòng)化管理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖： 自動(dòng)化系統(tǒng)的組成 Composition of automation system 船舶電站自動(dòng)化管理系統(tǒng)主要功能自動(dòng)化電站管理的主要內(nèi)容包括[2]：(1)發(fā)電