【正文】 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。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： 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。 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： 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)。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)。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。 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。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： 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，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。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。它是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制結(jié)合的產(chǎn)物。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。 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)。 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?，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。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)。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)。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。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。 目前我國船舶電站自動(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)國產(chǎn)化率很低，大約有 90%來自國外，而國外采用 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?；?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。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?，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)總線來實(shí)現(xiàn)。 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)。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)展總線接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成，各部件通過由電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成的內(nèi)部系統(tǒng)總線進(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。 隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展，其集成度越來越高，網(wǎng)絡(luò)及通 信功能越來越強(qiáng)，可靠性和控制功能越來越好，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。 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)，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。設(shè)計(jì)電站以兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組為例，下位機(jī) PLC 可通過輸入輸出接口與發(fā)電機(jī)組 和現(xiàn)場(chǎng)儀表相連接，與上位 PC 機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接。 (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)量包括開關(guān)量和模擬量。 (3)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并車：通過采集電壓、頻率的基本參數(shù)，經(jīng)過一定的計(jì)算發(fā)出調(diào)頻及合閘指令，使待并機(jī)與電網(wǎng)上的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。 (9)機(jī)組的保護(hù)：自動(dòng)化電站除了設(shè)有和基本電站一樣的過載、短路、欠壓和逆功率保護(hù)外，還設(shè)有欠頻保護(hù)、高壓保護(hù)、次要負(fù)荷的分級(jí)卸載等，進(jìn)一步的提高了供電質(zhì)量和電網(wǎng)的連續(xù)供電。電站系統(tǒng)各下位機(jī)的監(jiān)測(cè)控制和信息管理由工業(yè) PC 控制機(jī)來完成，除此，亦可顯示電站系統(tǒng)任何運(yùn)行過程的全部信息，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，必要時(shí)可以被其它系統(tǒng)調(diào)用 。 信號(hào)的采集及處理 PLC 與發(fā)電機(jī)組之間的信號(hào)傳輸與電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)之間傳遞的信號(hào)如下圖所示： 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 柴 油 機(jī) 發(fā) 電 機(jī) 電 網(wǎng)氣瓶壓力滑油壓力排煙溫度冷卻水溫度電 壓電流有功功率相位差繞組溫度電壓電流頻率有功功率可 編 程 控 制 器調(diào) 速 器 起 、 停 執(zhí) 行 單 元 主 開 關(guān)減速模 擬 轉(zhuǎn) 換 器加速起動(dòng)停車頻率并網(wǎng)脫網(wǎng) 圖 PLC 與發(fā)電機(jī)組之間的信號(hào)傳遞圖 Signal transmission between PLC and generating set figure (1)關(guān)于電網(wǎng)的信號(hào) 電網(wǎng)電壓、總電流、總電網(wǎng)頻率、頻率和有功功率及各空氣開關(guān)線圈的開關(guān)狀態(tài)。設(shè)計(jì)的各主要模塊有：自動(dòng)起動(dòng)模塊、并車運(yùn)行模塊、調(diào)頻調(diào)載模塊、重載詢問模塊、自動(dòng)解列模塊和自動(dòng)停機(jī)模塊。 下圖為具有三次起動(dòng)功能的起動(dòng)流程 ： 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) 14 起 起 起 起起 起 起 起起 起 起起 起 起 起T 起 起 起起 起 起T 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 發(fā)電機(jī)組起動(dòng)程序流程圖 Generator set start program flow chart 在起動(dòng)備用機(jī)組用完的情況下，發(fā)出“備用機(jī)組用完”的指示報(bào)警。并車合閘流程圖如下： 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 并車合閘流程圖 And closing operation flow chart 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) 16 從上圖中可以看出，當(dāng)接到并車指令時(shí)，系統(tǒng)分別先檢測(cè)電網(wǎng)和待并機(jī)電壓差、頻率差和相角差，而實(shí)際操作電站要按船舶電站的規(guī)范要求設(shè)定。而 PLC 控制器的運(yùn)算數(shù)度都在每千步邏輯指令在 1ms 以內(nèi)。 現(xiàn)代船舶電站為提高供電質(zhì)量，大多在電站中裝有自動(dòng)調(diào)頻調(diào)在裝置 (簡(jiǎn)稱頻載調(diào)節(jié)器 )，在調(diào)速去動(dòng)作之后存在固定偏差時(shí)，再進(jìn)行調(diào)解。 電站頻率的調(diào)節(jié)分為單機(jī)調(diào)節(jié)和并機(jī)調(diào)節(jié)，其實(shí)質(zhì)都是改變柴油機(jī)油門的開度的大小。 自動(dòng)解列和自動(dòng)停機(jī)模塊及流程圖 發(fā)電機(jī)組可分為自動(dòng)停機(jī)與故障應(yīng)急停機(jī)。系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與在線修改，一般數(shù)字在模擬集成電路構(gòu)成的系統(tǒng)中做不到，有些較好的、經(jīng)改良后