【正文】 PLC 的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 26 (2)在線修改 首先進(jìn)入在線監(jiān)視模式，如需修改該數(shù)據(jù)字的數(shù)據(jù)，可通過操作鍵盤上的數(shù)字鍵，按下新的數(shù)值，再按 ENT鍵。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)改良后的系統(tǒng)，通過數(shù)碼撥盤也只能修改極少量的參數(shù)；微機(jī)控制的系統(tǒng)，船員一般做不到，對(duì)于 PLC 通過 專用的通信模塊才能實(shí)現(xiàn)。 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。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)。 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。 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)。 (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。 (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。 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。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。現(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)?；?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。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。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)?，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。 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)。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 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。 (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。 (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。 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。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)。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。 5%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定。 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。計(jì)數(shù)器的有關(guān)操作與此類似，在此不做具體說明。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。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。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。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)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。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。 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。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。 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。 (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。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 : 集控室組態(tài)軟件工業(yè)P C機(jī)發(fā)電機(jī)組P L C控制器打 印 機(jī)鍵 盤鼠 標(biāo)圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 System structure diagram 自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)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)山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 現(xiàn)共享。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。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 其流程圖如下： 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 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。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)。 (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。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 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。 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。 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) 8 (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。 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)。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。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(cè)、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。 船舶電站的主要特點(diǎn)是容量相對(duì)較小。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(guó)外眾多國(guó)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(guó)際著名的大公司近期的產(chǎn)品，是目前國(guó)際上最新技術(shù)產(chǎn)品。 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 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)下開展研究工作所取得的成果。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)。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)化帶來重大的變革。循環(huán)掃描方式是指在執(zhí)行程序的過程中，對(duì)各個(gè)過程輸入信號(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)過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去。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。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。 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，它們共同來完成電站運(yùn)行的自動(dòng)控制和自動(dòng)管理。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。 (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)