【正文】 護(hù) 29 逆功率保護(hù) 30 故障報(bào)警的設(shè)置 304 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試 31 系統(tǒng)仿真 31 系統(tǒng)調(diào)試 32總 結(jié) 33致 謝 34參考文獻(xiàn) 35附 錄 36III山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)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觸點(diǎn)控制系統(tǒng)。到80年代中后期，隨著微機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，國外眾多國家相繼開發(fā)研制多微機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)型自動(dòng)化控制系統(tǒng)，如：西門子、AEG等國際著名的大公司近期的產(chǎn)品，是目前國際上最新技術(shù)產(chǎn)品。S7200 PLC具有豐富的指令集成和內(nèi)置集成功能，如高速計(jì)數(shù)器HSC、自整定PID和脈沖輸出PTO/PWN等，實(shí)時(shí)特性和通訊能力強(qiáng)，擴(kuò)展模塊豐富，可靠性高。船舶電站的主要特點(diǎn)是容量相對(duì)較小。(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。未來船舶電站的自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)向著自動(dòng)故障預(yù)測、自診斷的方向發(fā)展，上位機(jī)將會(huì)實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)等智能連接。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。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，使得變量滿足程序條件，并且相應(yīng)的輸出使執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作。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。 本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本文主要內(nèi)容是以兩臺(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)。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)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)：當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加使運(yùn)行機(jī)組重載時(shí)、運(yùn)行機(jī)組發(fā)生機(jī)電故障和某機(jī)組起動(dòng)失敗或不能合閘時(shí)，電站管理系統(tǒng)能自動(dòng)地發(fā)出起動(dòng)指令使備用機(jī)組迅速自動(dòng)起動(dòng)，在起動(dòng)成功后建立壓力后投入電網(wǎng)供電。(8)機(jī)組自動(dòng)、故障狀態(tài)下解列、停機(jī)控制：輕載或故障需要停機(jī)時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組先自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)載，再按順序使運(yùn)行機(jī)組逐臺(tái)退出電網(wǎng)，然后停車。工業(yè)PC控制機(jī)置于集控中，作為操作系統(tǒng)的操作管理裝置。采用了標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊和軟件模塊，可以靈活組建，而且采用了局域網(wǎng)，系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便。3 集散式船舶電站管理系統(tǒng)的功能流程本文首先把集散式船舶電站管理系統(tǒng)的功能劃分為不同的模塊，并把它們作為子程序，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些子程序的流程圖，然后，主程序?qū)⑦@些子程序有機(jī)結(jié)合，來完成對(duì)電站的自動(dòng)化管理。同時(shí)，發(fā)出“起動(dòng)失敗”的聲光報(bào)警。(3)當(dāng)相位差、電壓差和頻率差在系統(tǒng)設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，提前發(fā)出合閘指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同步并聯(lián)運(yùn)行。合閘時(shí)間越短則越有利于同步操作，而PLC按掃描的原理工作，因此PLC系統(tǒng)的運(yùn)算周期就是PLC的掃描周期。發(fā)電柴油機(jī)本身具有調(diào)速器，可以保證轉(zhuǎn)速處于規(guī)范之內(nèi)。維持電網(wǎng)頻率恒定及有功功率轉(zhuǎn)移可由原動(dòng)機(jī)調(diào)速器改變油門的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可另設(shè)調(diào)頻調(diào)載單元。其流程圖如下： 重載詢問流程圖 Overloading about flow chart重載詢問模塊的功能是合理的管理電站，防止重載起動(dòng)的沖擊對(duì)電網(wǎng)造成故障，從而達(dá)到電站穩(wěn)定連續(xù)供電的要求。對(duì)發(fā)電機(jī)的過載、過流、失壓、超速、逆功率保護(hù)的各項(xiàng)整定值，其中各項(xiàng)動(dòng)作整定值可以允許用戶調(diào)整，而從運(yùn)行安全方面考慮時(shí)，通常在安裝調(diào)試時(shí)設(shè)定，一般不允許用戶修改。右上部分顯示定時(shí)器編號(hào)；左上部分顯示定時(shí)器當(dāng)前值。右上部分顯示數(shù)據(jù)塊編號(hào)DBxy；左上部分顯示該數(shù)據(jù)字的當(dāng)前內(nèi)容；左下部分顯示數(shù)據(jù)字設(shè)定內(nèi)容；右下部分顯示該數(shù)據(jù)字的文本信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下: 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 System structure diagram自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)組成了電站自動(dòng)化系統(tǒng)，集散式電站的上位PC監(jiān)控系統(tǒng)與下位PLC控制系統(tǒng)一起同步工作，通過連線把彼此之間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享。監(jiān)測軟件框圖如下所示： 數(shù)據(jù)庫模塊圖 Database module figure整個(gè)監(jiān)測軟件以數(shù)據(jù)庫為核心，各個(gè)功能模塊圍繞數(shù)據(jù)庫，形成星型狀態(tài)連接，這使軟件有很強(qiáng)的可移值性和維護(hù)性，可獨(dú)立對(duì)部分程序模塊替換、修改，而不會(huì)影響其它模塊。(5)數(shù)據(jù)報(bào)表界面：一個(gè)可以反應(yīng)過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。 欠壓保護(hù)當(dāng)調(diào)壓器失靈或電網(wǎng)中發(fā)生持續(xù)性短路故障等原因，都將出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象。 過流保護(hù)當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載過大或并聯(lián)機(jī)組間負(fù)荷分配很不均勻等原因，可造成發(fā)電機(jī)過流。同時(shí)發(fā)出報(bào)警指示。頻率預(yù)調(diào)應(yīng)在一定的調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)完成，否則視為預(yù)調(diào)故障。將系統(tǒng)上電，把各個(gè)模擬報(bào)警器和開關(guān)、按鈕準(zhǔn)確無誤的與PLC的I/O相連接。系統(tǒng)仿真的結(jié)果說明本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)的要求。環(huán)境適應(yīng)性測試也是必不可少的一個(gè)重要測試。作為上位機(jī)的工業(yè)電腦與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，在不同的控制界面可以顯示和修改控制參數(shù)，在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警和相應(yīng)的處理，通過工業(yè)電腦也能實(shí)施控制動(dòng)作。在此，謹(jǐn)向劉洋老師致以誠摯的感謝！最后，感謝所有在畢業(yè)論文寫作中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)。正是劉洋老師的辛勤栽培、才有了我論文的順利完成。本文設(shè)計(jì)了一兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組為例的船舶電站，分別由PLC控制，以PLC為下位機(jī)與以工業(yè)電腦為上位機(jī)通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)通信。本系統(tǒng)用到多種定時(shí)器，要確保該定時(shí)器能夠在時(shí)間上準(zhǔn)確無誤的發(fā)出信號(hào)指令。 自動(dòng)檢測報(bào)警系統(tǒng)[10]功能的實(shí)現(xiàn)：人為的設(shè)置機(jī)組故障，觀察自動(dòng)檢測報(bào)警系統(tǒng)是否發(fā)出一系列的聲光報(bào)警信號(hào)，并對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行記錄、打印，對(duì)超限參數(shù)進(jìn)行記錄。因此，在所設(shè)計(jì)成果投入使用之前，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行仿真與調(diào)試是非常必要的。本系統(tǒng)整定欠頻報(bào)警限值為46Hz。發(fā)電機(jī)組在逆功情況下運(yùn)行對(duì)原動(dòng)機(jī)是不利的，也會(huì)造成另一臺(tái)機(jī)組因過載而跳閘，引起全船供電中斷。根據(jù)船舶規(guī)范規(guī)定:“當(dāng)電壓降低至額定電壓的70％35％時(shí)，應(yīng)經(jīng)系統(tǒng)選擇性保護(hù)要求的延時(shí)后動(dòng)作”。在本系統(tǒng)的安全監(jiān)測及保護(hù)程序中，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，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。(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。程序框圖如下所示： 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。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。計(jì)數(shù)器的有關(guān)操作與此類似，在此不做具體說明。 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。 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。恒頻和成比例分功流程控制圖如下： 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。5%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定。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)。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。為此并車必須滿足的下列條件：(1)檢測電網(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。當(dāng)檢測到機(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)。測量控制單元原理框圖如圖下所示： 測量控制單元原理圖 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?？傮w框圖如下圖所示： 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。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)。(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。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)電機(jī)組起動(dòng)前的準(zhǔn)備工作:中國船級(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)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。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，