【正文】 ...................... 33 致 謝 ...................................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 35 附 錄 ...................................................................................................................................... 36 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 前 言 為實(shí)現(xiàn)船舶電站自動(dòng)化的各種 功能，船舶電站自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)歷了由繼電器、接觸器組成的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)到有分立元件和集成元件組成的無(wú)觸點(diǎn)控制系統(tǒng)。本文將電站的控制功能模塊化，再設(shè)計(jì)出各模塊的流程，然后將各模塊有機(jī)的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)電站的綜合自動(dòng)控制。 山東交通學(xué)院 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題目：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) 院 (系 )別 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 二○一三年六月 原 創(chuàng) 聲 明 本人 李枝賀鄭重聲明：所呈交的論文“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)”，是本人在導(dǎo)師劉洋的指導(dǎo)下開(kāi)展研究工作所取得的成果。下位機(jī)以 PLC作為主要控制裝置，上位機(jī)用工業(yè) PC機(jī)作為管理裝置。這種集散式控制系統(tǒng)充分體現(xiàn)了分散控制和集中管理的 優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)控制由大型機(jī)集中控制方式發(fā)展到多微機(jī)分散控制方式，工作可靠性 提高 ；進(jìn)而出現(xiàn)由多級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)，應(yīng)用光纖通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等 。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，在 80 年代初期國(guó)外研制成功了微型計(jì)算機(jī)單機(jī)控制系統(tǒng)，如：用 在我國(guó) “ 德大 ” 輪上的日本大發(fā)公司配套的電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)，廣州遠(yuǎn)洋公司 15000 噸上使用的丹麥 SEMCO 公司的 APM 電動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)。船舶自動(dòng)化電站是集自動(dòng)控制、報(bào)警和監(jiān)測(cè)于一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到現(xiàn)代控制技術(shù)、通訊、信息處理、數(shù)字化信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科和技術(shù)。 眾所周知， PLC 適用于多種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)控自動(dòng)化。 目前我國(guó)的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)還處于研究階段，只有在局部的環(huán)節(jié)取得成果，尚不能投入全面使用，所以研究船舶電站自動(dòng)化，早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化意義重大。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。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)。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。從分散危險(xiǎn)的原則上，設(shè)置獨(dú)立的控制子網(wǎng)。 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。 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。 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。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。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。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，可以滿足一般的控制要求，唯一需要做的就是對(duì) PLC 進(jìn)行編程。 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。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) 6 數(shù)的在線監(jiān)視與在線修改 [1]。PLC 船舶電站控制系統(tǒng)便于系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與在線修改。 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)。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 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。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。關(guān)鍵的準(zhǔn)備工作是發(fā)電柴油機(jī)的預(yù)熱和預(yù)潤(rùn)滑。 (5)運(yùn)行 機(jī)組臺(tái)數(shù)的管理：在完全滿足船舶電站供電質(zhì)量的前提下，使機(jī)組以經(jīng)濟(jì)的管理模式運(yùn)行，充分利用每臺(tái)機(jī)組的功率，降低發(fā)電成本。自動(dòng)分級(jí)卸載：確保重要設(shè)備連續(xù)供電，在過(guò)載的情況時(shí)將非重要負(fù)載自動(dòng)切斷?？傊?，觸摸屏不僅有顯示功能，而且還有操作功能。 集散式電站 集散式管理系統(tǒng) [3]由 PLC 控制機(jī)組，然后再把信息與工業(yè) PC 機(jī)共享，它們共同來(lái)完成電站運(yùn)行的自動(dòng)控制和自動(dòng)管理。系統(tǒng)操作站是系統(tǒng)的人機(jī)接口，是控制系統(tǒng)與操作管理人員的接口界面。另外，本系統(tǒng)還具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)改善了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，單元故障只影響局部，而且具有自診斷、報(bào)警功能； (2)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展方便。 (3)關(guān)于柴油機(jī)的信號(hào) 起動(dòng)空氣瓶壓力、滑油溫度和壓力、 各缸排煙溫度、排煙總管溫度、冷卻水壓力和溫度和柴油機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速。上位的工業(yè)控制機(jī)可以實(shí)現(xiàn)控制、顯示、記錄和打印的功能。 機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)模塊及流程圖 要起動(dòng)發(fā)電機(jī)機(jī)組的情況有：電站儲(chǔ)備功率不足需要增加機(jī)組時(shí)、運(yùn)行機(jī)組故障需要換機(jī)時(shí)、或者電網(wǎng)失去電時(shí)。在自動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中，還必須對(duì)機(jī)組是否成功起動(dòng)進(jìn)行 檢測(cè)，若不是三次起動(dòng)，在一定時(shí)間間隔后，重新起動(dòng)；若機(jī)組起動(dòng)三次仍不成功，則向上位機(jī)報(bào)告，聯(lián)系另一臺(tái) PLC，起動(dòng)其相應(yīng)的機(jī)組。若電壓成功建立，則轉(zhuǎn)入單機(jī)調(diào)頻程序或自動(dòng)并聯(lián)程序。 (2)檢測(cè)電網(wǎng)與待并發(fā)電機(jī)的電壓頻率差，并根據(jù)頻差對(duì)待并機(jī)頻率發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，使兩者之間頻率差減 小，當(dāng)其與電網(wǎng)頻率接近設(shè)定要求時(shí)，就可滿足合閘條件。5 ％ U 額定；頻率差整定范圍為 177。要根據(jù)主開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間來(lái)確定設(shè)定的提前時(shí)間，可用核定超前時(shí)間法。原理如圖所示： U 電 網(wǎng)T 電tT 待 并 機(jī)U 電 網(wǎng)TOOt 圖 恒定時(shí)間的獲取 Constant time access 若設(shè)主開(kāi)關(guān)的設(shè)定值為 t 則有如下關(guān)系： Δt= t (T 電網(wǎng)－ T 待并機(jī) )/T 待并機(jī) 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 從上式中可以 看出，用算出的 T 電網(wǎng)－ T 待并機(jī)和設(shè)定的主開(kāi)關(guān)固有時(shí)間t，就可得出待并機(jī)滯后時(shí)間 Δt。船舶電站系統(tǒng)由于負(fù)載經(jīng)常變化，特別是在大功率的起動(dòng)和停止時(shí) ,將引起運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)速的變化，從而引起電網(wǎng)頻率的變化?？梢?jiàn)，頻率的調(diào)整及有功功率的分配可以有調(diào)速器和調(diào)頻載裝置共同來(lái)完成。電站供電質(zhì)量由并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組頻率的恒定和有功功率成比例分配所決定。并機(jī)調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，要得到偏差值 Δe (由電網(wǎng)和待并機(jī)的頻率差和功率差組成 )，偏差值 Δe 作為調(diào)節(jié)信號(hào)。若滿足，則允許其啟動(dòng)，否則，應(yīng)先起動(dòng)另一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)，使之并網(wǎng)，儲(chǔ)備功率達(dá)到要求，則允許其起動(dòng)，若達(dá)不到要求則禁止重載起動(dòng)信號(hào)。解列和故障停車(chē)流程如下圖： 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) 20 起 起 起 起起 起 起 起起 起 起 起 起 起 1 0 % 起起 起 起 起 起起 起 起 起 起起 起 起 起起 起 1 0 起 2 0 起 起起 起起 起 起 起 起起起起起起起 圖 解列和故障停機(jī)流程圖 Solution column and the flow chart of downtime 在并聯(lián)機(jī)組運(yùn)行輕載的 情況時(shí)，造成機(jī)組功率不能充分利用，所以，就要解列某臺(tái)機(jī)組。如調(diào)整脈沖的寬度：對(duì)于液壓調(diào)速器來(lái)說(shuō)，新建船舶大約可調(diào)整在 ~2s 之間的不同檔次上，以匹配不同程度的頻差與功差綜合信號(hào)；當(dāng)山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 船舶陳舊時(shí)，調(diào)速器脈沖寬度可能要整定在 1~5s；某些保養(yǎng)不當(dāng)?shù)拇皯?yīng)調(diào)整在 5~20s，調(diào)速器才會(huì)起作用。 OP393 的液晶顯示屏只能顯示 2 行，每行 16 個(gè)字符的信息。液晶顯示如下圖所示。下圖為定時(shí)器的監(jiān)控與修改操作流程 。 數(shù)據(jù)塊的在線監(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，按下 DB 鍵，輸入數(shù)據(jù)字 (DW)編號(hào)，若編程員只編制一個(gè)數(shù)據(jù)塊提供用戶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視與修改，則按 ENT 鍵，否則應(yīng)輸入需要顯示的數(shù)據(jù)字所在的數(shù)據(jù)塊編號(hào)。 船舶電站管理系統(tǒng)的監(jiān)控單元 [6]設(shè)計(jì) 本文的下位機(jī) PLC 控制器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即發(fā)電機(jī)組，通過(guò)數(shù)據(jù)線把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的參數(shù)送到上位機(jī)，上位機(jī)利用人機(jī)界面把數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。如果出現(xiàn)故障及時(shí)顯示信號(hào)并發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，對(duì)超限數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)，方便管理人員分析處理，通過(guò)外接打印機(jī)可以對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。操作人員通過(guò)操作站，可以監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)裝置的情況；可以實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)量的監(jiān)視和組態(tài)，極大地方便了人員的操作，從而實(shí)現(xiàn)了集中的操作和監(jiān)控管理 。故在主體上采用模塊化結(jié)構(gòu)，部分功能子程序則盡量減少子程序的調(diào)用和中間結(jié)果的存放，采用直接操作輸入輸出板的方法，加快程序運(yùn)行速度，提高效率。可設(shè)有報(bào)警顯示按鈕，出現(xiàn)故障時(shí)可點(diǎn)擊查看具體報(bào)警項(xiàng)，除此，也能限制某些用戶的權(quán)限，禁止或允許其對(duì)系統(tǒng)的操作。除此在相應(yīng)報(bào)警項(xiàng)里可以修改限制參數(shù)值。上位還要有自動(dòng) /手動(dòng)切換按鈕來(lái)轉(zhuǎn)換控制方式，自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)、并機(jī)、解列和停車(chē)等控制功山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 能由系統(tǒng)的功能模塊程序自動(dòng)執(zhí)行；而手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需管理人員在配電板的控制面板上操作。系統(tǒng)設(shè)置了欠壓、過(guò)流、逆功率繼電保護(hù)和過(guò)壓、欠頻、頻率預(yù)調(diào)故障報(bào)警。 程序檢測(cè)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的電壓值如低于保護(hù)動(dòng)作限值，進(jìn)行一次延時(shí)確認(rèn)，若仍欠壓，則將主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。 本系統(tǒng)取 70％ Ue 為動(dòng)作保護(hù)限值，欠壓延時(shí)確認(rèn)時(shí)間為 4 秒。規(guī)范規(guī)定：“電流過(guò)載 10％ 50％之間，經(jīng)少于 2min 的延時(shí)斷路器應(yīng)分?jǐn)?；建議整定在發(fā)電機(jī)額定電流的 125％ 135％，延時(shí) 1530 秒斷路器分?jǐn)唷薄Ｄ婀Τ?PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 30 過(guò)限值，延時(shí)確認(rèn)后將逆功機(jī)組切除。 (1)過(guò)壓 當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)高時(shí)，給出過(guò)壓報(bào)警指示。 (3)頻率預(yù)調(diào)故障 在進(jìn)行自動(dòng)并車(chē)操作時(shí)，倘若頻差較大，首先應(yīng)進(jìn)行頻率預(yù)調(diào)。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測(cè)試 為了對(duì)所設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)及所編程序的正確性進(jìn)行檢測(cè)，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)與仿真測(cè)試 [9]。 系統(tǒng)仿真 將 PLC 與計(jì)算機(jī)相連，打開(kāi)系統(tǒng)軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目，并建立連接，確保數(shù)據(jù)能夠順利傳輸。初步完成了基于 PLC 的船舶電站及其自動(dòng)化基于 PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 32 系統(tǒng)的各種功能。 安全系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)：在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，人工設(shè)置故障，在自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警的同事，觀察安全系統(tǒng)是否做出相應(yīng)的安全保護(hù)動(dòng)作。 功能測(cè)試主要測(cè)試系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，諸如能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警以及在機(jī)組故障的時(shí)候產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作等。另外，報(bào)警系統(tǒng)也起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)報(bào)警系統(tǒng)必須第一時(shí)間 發(fā)出報(bào)警，以便及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 總 結(jié) 本文從船舶電站的組成、功能和特點(diǎn)以及 PLC 工作原理開(kāi)始論述，同時(shí)也分析了船舶電站自動(dòng)化管理系統(tǒng)的構(gòu)成和自動(dòng)管理系統(tǒng)的功能。此系統(tǒng)由 PLC 控制機(jī)組實(shí)現(xiàn)了機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)并車(chē)、調(diào)頻調(diào)載、重載詢問(wèn)、自動(dòng)解列及自動(dòng)停車(chē)