【正文】 場(chǎng)總線來實(shí)現(xiàn)。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)。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。其中船舶電站是船舶所需的全部電能的來源，處于船舶電力系 統(tǒng)的核心地位?；?PLC的船舶電站系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在線故障診斷。 隨著工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，自電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要組成部分PLC 問世以來，引起了國(guó)內(nèi)外電氣行業(yè)的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新 技術(shù)產(chǎn)品。 目前我國(guó)船舶電站自動(dòng)化裝置的研制和生產(chǎn)水平相對(duì)較低，船用電站管理系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率很低，大約有 90%來自國(guó)外，而國(guó)外采用 PLC 控制技術(shù)研制的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)，功能完善，技術(shù)先進(jìn)，但是技術(shù)壟斷嚴(yán)重。 早在 60 年代初期，日本、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)就有電站單元自動(dòng)化裝置，如：英國(guó)的 MMF 自動(dòng)并車裝置，日本的 XET 自動(dòng)并車裝置和 XPT 自動(dòng)負(fù)荷分配裝置。大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)化、模塊化，還可以使微機(jī)控制系統(tǒng)的體積、重量大大減少，工作可靠性提高。在這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制系統(tǒng)中，下位機(jī)可以完成發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、停機(jī)控制、調(diào)頻調(diào)載以及機(jī)、電故障處理等；上位機(jī)進(jìn)行機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行、解列、重載詢問等。除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明，本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果，尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并愿為此承擔(dān)一切法律責(zé)任。 論文作者 (簽字 )： 日期： 年 月 I 摘 要 本文以兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的船舶電站為例，在論述自動(dòng)化電站功能和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了集散控制式系統(tǒng)。同時(shí)，上位機(jī)的人機(jī)界面可以顯示、記錄機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和主要參數(shù)?？刂品绞接捎布刂谱?yōu)檐浖刂茷橹鳎构δ艿慕M合、擴(kuò)展或修改變得容易：模塊化、通用性好。到 70 年代中后期，人們?cè)趩卧詣?dòng)化裝置的基礎(chǔ)上，把它們系統(tǒng)地組合成成套電站自動(dòng)化設(shè)備，系統(tǒng)可在集控室進(jìn)行集中控制，如 “ 里言斯頓 ” 號(hào)船上的 SEPA 電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)，日本 “ 星光 ” 號(hào)船上電站自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著計(jì)算 機(jī)信息處理技術(shù)的發(fā)展，船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)正朝著集散型控制系統(tǒng) (網(wǎng)絡(luò)式或分布式控制系統(tǒng) )的方向發(fā)展 ?，F(xiàn)代 PLC 控制技術(shù)因其可靠性高、耐惡劣環(huán)境、基于 PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 使用極為靈活方便三大特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域，船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)更是如此。基于 PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，組態(tài)調(diào)試方便，用 S7200 PLC 開發(fā)的船舶電站控制系統(tǒng)，性 價(jià)比高，在遠(yuǎn)洋船舶得到了成功應(yīng)用，表明 PLC 技術(shù)值得在輪機(jī)自動(dòng)化中推廣。 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。 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。 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)所有功能可通過屏幕軟件按 鈕來完成，為系統(tǒng)監(jiān)控的綜合化提供了必要的基礎(chǔ)。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)。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。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。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 軟件由系統(tǒng)程序、和用戶程序兩大部分組成。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)工作過程是以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行。 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。 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。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。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。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)員通過各種界面能觀察和操作機(jī)組。 (4)通過實(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。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)。自動(dòng)化管理系 統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖： 打 印 設(shè) 備 檢 測(cè) 報(bào) 警 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 發(fā) 電 機(jī) 組安 全 系 統(tǒng) 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)電機(jī)組起動(dòng)前的準(zhǔn)備工作 :中國(guó)船級(jí)社對(duì)自動(dòng)化船舶的有關(guān)規(guī)定是船舶電網(wǎng)失電應(yīng)在 45s(國(guó)外有些是 30s)內(nèi)恢復(fù)供電，所以自動(dòng)化電站停車狀態(tài)下的備用機(jī)組應(yīng)事先做好準(zhǔn)備工作。 (4)并聯(lián)運(yùn)行中的功率分配與頻率調(diào)整：兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行供電時(shí)，通過原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置配合工作，使電網(wǎng)維持在穩(wěn)定頻率，且使并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組按容量成比例的承擔(dān)負(fù)載。 (7)機(jī)組故障的自動(dòng)處理與報(bào)警及負(fù)載自動(dòng)分級(jí)：系統(tǒng)設(shè)有故障處理模式與對(duì)應(yīng)的故障相匹配。 (10)運(yùn)行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視：現(xiàn)代電子觸摸屏通過編程可以在屏幕上以畫出主配電板、發(fā)電機(jī)組、主開關(guān)等電器元件的狀況，除此之外也有開關(guān)、按鈕等指令開關(guān)。此外，系統(tǒng)的通訊接口可以與個(gè)人電腦相連，在電腦顯示屏用文字和圖形來顯示各種參數(shù)及相關(guān)機(jī)組、主開關(guān)等電器狀態(tài)。在上位機(jī)上可以修改系統(tǒng)某些設(shè)置參數(shù)，并能以指令的形式傳遞到下位機(jī)中，來對(duì)電站運(yùn)行過程進(jìn)行控制。 總體框圖如下圖所示： 基于 PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 顯 示 打 印 工 業(yè) P C 機(jī) 監(jiān) 測(cè) 報(bào) 警可 編 程 控 制 器 可 編 程 控 制 器電壓的調(diào)節(jié)柴 油 機(jī)和調(diào) 速 器控 制參數(shù)監(jiān)控功能自動(dòng)并車功能頻 率調(diào) 節(jié)和功 率分 配參數(shù)監(jiān)控功能柴 油 機(jī)和調(diào) 速 器功 能電壓的調(diào)節(jié)自動(dòng)并車功能頻 率調(diào) 節(jié)和功 率分 配 圖 電站管理系統(tǒng)的總體功能框圖 Plant overall management system functional block diagram 集散式船舶電站管理系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是以數(shù)據(jù)通信為紐帶，完成過程的分散控制、監(jiān)控和信息集中管理等一系列工作。 (2)關(guān)于發(fā)電機(jī)的信號(hào) 發(fā)電機(jī)端電壓、電流、頻率、有功功率、發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的相位差和發(fā)電機(jī)繞組溫度。測(cè)量控制單元原理框圖如圖下所示 ： 基于 PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 數(shù) 據(jù)采 集單 元電 站控 制執(zhí) 行單 元可編程控制器電 源鍵 盤 輸 入工 業(yè) P C 機(jī)通 信 通 道模 擬 量 信 號(hào)開 關(guān) 量 輸 入開 關(guān) 量 輸 出模 擬 執(zhí) 行 部 件 圖 測(cè)量控制單元原理圖 The principle diagram of the measurement control unit 數(shù)據(jù)采集單元主要采集信息有：電壓、頻率、相位、溫度、壓力、液位、轉(zhuǎn)速和功率等，及時(shí)反映控制對(duì)象的狀態(tài)，發(fā)出必要的調(diào)節(jié)指令，以滿足控制要求。 系統(tǒng)主程序的工作原理：自動(dòng)巡回檢測(cè)電站的主要參數(shù)和工作狀態(tài)，針對(duì)不同的參數(shù)和狀態(tài)做出邏輯分析和綜合計(jì)算，判斷當(dāng)前需要完成哪些工作，從而決定調(diào)用哪一個(gè)功能子程序來完成該工作，被調(diào)用的功能子程序一旦執(zhí)行完畢，又返回主程序中繼續(xù)巡回檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)就 如此反復(fù)地運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)到機(jī)、電故障時(shí)，根據(jù)故障的級(jí)別進(jìn)行處理，若是嚴(yán)重故障，先停故障機(jī)，在起動(dòng)備用機(jī)；若是較嚴(yán)重故障，先起動(dòng)備用機(jī)組，并網(wǎng)后解列故障機(jī)。機(jī)組起動(dòng)成功后，在一定時(shí)間未建立電 壓，則停機(jī)和發(fā)出聲光報(bào)警。為此并車必須滿足的下列條件： 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 (1)檢測(cè)電網(wǎng)與待并發(fā)電機(jī)的電壓差、頻率差和相位差，當(dāng)不符合并聯(lián)運(yùn)行要求時(shí)，繼續(xù)巡回檢測(cè)。規(guī)范要求的并車條 件：電壓差整定范圍為 177。主開關(guān)接到指令后，從開始動(dòng)作到主觸頭閉合要經(jīng)過一定的時(shí)間，考慮的這個(gè)問題，合閘指令應(yīng)該提前發(fā)出。 用恒定超前時(shí)間法 [4]發(fā)出合閘指令，先把電網(wǎng)和待并機(jī) 的正弦電壓通過波形變化變?yōu)橥l方波，然后對(duì)電網(wǎng)電壓和待并機(jī)的電壓檢測(cè)計(jì)算，來得到合閘指令提前時(shí)間。當(dāng)接受到“解列”指令時(shí)，能自動(dòng)控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移，待其負(fù)荷接 近 5%額定 功率后，使其主開關(guān)跳閘脫網(wǎng)。頻載調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)是頻率差與功率差的合成信號(hào)，經(jīng)放大、判別后控制伺服電機(jī)，來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門來調(diào)整轉(zhuǎn)速。 5%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定。單機(jī)調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，只是調(diào)用單機(jī)調(diào)頻程序，在此不用再做討論。 恒頻和成比例分功流程控制圖如下： 基于 PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 起 起 起 起 起 起起起 起 起 起1 起 起 起 起 2 起 起 起 起Δ e 1 = Δ f 1 + Δ P 1 Δ e 2 = Δ f 2 + Δ P 2| Δ e 1 | 起 A | Δ e 2 | 起 AΔ e 1 起 0 Δ e 2 起 0起 起 起 起起 起 起 起起 起 起 起起 起 起 起起起 起起 起起起起起起起起起起起圖 恒頻和成比例分功控制流程圖 Constant frequency and proportional to the work and control flow chart 重載詢問模塊及流程圖 重載詢問： 大負(fù)載投入電網(wǎng)前，管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負(fù)荷與起動(dòng)的大功率負(fù)荷是否超過運(yùn)行機(jī)組的最大負(fù)荷率。所謂自動(dòng)停機(jī)，就是并網(wǎng)輕負(fù)荷時(shí)的自動(dòng)減機(jī)，出現(xiàn)嚴(yán)重故障停機(jī)時(shí)處理方法是立即跳閘停電。 電力管理系統(tǒng)參數(shù)在線監(jiān)視與在線修改 為適合不同類型的柴油發(fā)電機(jī)組，及隨著機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)問加大而致機(jī)組性能的變化，系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視以及機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行工況的變化隨時(shí)做出相應(yīng)的修改是必要的。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與修改 [5]是通過 PMA52 自動(dòng)電力管理系統(tǒng)中的便攜式用戶操作器 OP393 實(shí)現(xiàn)的。 定時(shí)器的在線監(jiān)視與在線修改 (1)在線監(jiān)視 在登錄、顯示初始信息狀態(tài)后，按 TMR 鍵，輸入定時(shí)器編號(hào)，按 ENT 鍵。 (2)在線修改 首先進(jìn)入在線監(jiān)視顯示方式，如需修改定時(shí)器的給定時(shí)間，可通過操作鍵盤上的數(shù)字鍵，按下新的給定時(shí)間數(shù)值，再按 ENT 鍵。計(jì)數(shù)器的有關(guān)操作與此類似，在此不做具體說明。上圖為數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)的監(jiān)視與修改操作流程。上位 PC 機(jī)把下位機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，判斷系統(tǒng)是否正常。監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示測(cè)量值、設(shè)定值、趨勢(shì)曲線、故障狀態(tài)、控制輸出值等，還可以設(shè)置主監(jiān)控界面、原理界面、并車界面、故障報(bào)警界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面，流程圖畫面。程序框圖如下所示： 起 起 起 起 起起 起 起 起 起 起 起 起 起 起 起 起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起起 圖 控制結(jié)構(gòu)框圖 Control structure block diagram 控制軟件是一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的軟件，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組并車等特定功能，對(duì)計(jì)算速度要求嚴(yán)格。監(jiān)控界面 [7]包括： (1)主監(jiān)控界面：用來監(jiān)控每臺(tái)機(jī)組并顯示機(jī)組和電網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)。 (4)故障報(bào)警界面：設(shè)置各項(xiàng)報(bào)警指示燈，在故障時(shí)，指示燈由綠變紅。 通過與上位機(jī)連接的鼠標(biāo)和鍵盤，可以查看各個(gè)界面，也可以在這些界面上實(shí)行操 作，讀數(shù)據(jù)在線修改以滿足對(duì)系統(tǒng)新的要求。在本系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)及保護(hù)程序中，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生參數(shù)越限，立 即執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作并給出報(bào)警指示。所以一旦出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，立即采取保護(hù)措施。根據(jù)船舶規(guī)范規(guī)定 :“當(dāng)電壓降低至額定電壓