【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文主要內(nèi)容是以?xún)膳_(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)。設(shè)計(jì)電站以?xún)膳_(tái)發(fā)電機(jī)組為例，下位機(jī) PLC 可通過(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)連接。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(guò)各種界面能觀察和操作機(jī)組。 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)。 (2)在集散式系統(tǒng)下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 PLC 控制的發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)并車(chē)運(yùn)行、自動(dòng)頻率和負(fù)載調(diào)節(jié)，重載詢(xún)問(wèn)、自動(dòng)解列以及自動(dòng)停車(chē)的流程。 (3)在上位機(jī)上提出幾種設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的分散控制和集中 管理功能。 (4)通過(guò)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。 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。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(guò) 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)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(kāi)關(guān)量和模擬量。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)。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。 (3)安全系統(tǒng)：自動(dòng)化電站應(yīng)設(shè)安全系統(tǒng)。如果電站控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生危及電站系統(tǒng)的各主要設(shè)備安全的嚴(yán)重故障時(shí)，安全系統(tǒng)能自動(dòng)產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，避免事故的進(jìn)一步 擴(kuò)大。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(chē)狀態(tài)下的備用機(jī)組應(yīng)事先做好準(zhǔn)備工作。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。 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。 (3)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并車(chē)：通過(guò)采集電壓、頻率的基本參數(shù)，經(jīng)過(guò)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。 (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(guò)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。 (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。 (6)重載詢(xún)問(wèn)：大功率負(fù)荷起動(dòng)大，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(guò)運(yùn)行機(jī)組的最大允許負(fù)荷率。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)，然后允許其起動(dòng)。 (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)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。 (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(chē)。 (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(guò)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。 (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(guò)編程可以在屏幕上以畫(huà)出主配電板、發(fā)電機(jī)組、主開(kāi)關(guān)等電器元件的狀況，除此之外也有開(kāi)關(guān)、按鈕等指令開(kāi)關(guān)?？傊|摸屏不僅有顯示功能，而且還有操作功能。 (11)運(yùn)行系統(tǒng)給定參數(shù)的監(jiān) 視與修改：系統(tǒng)支持參數(shù)的監(jiān)視與在線修改，PLC 技術(shù)可將設(shè)計(jì)編制的程序及各種參數(shù)存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 中，方便在線修改。 自動(dòng)化系統(tǒng)的方框圖如下： 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 發(fā) 電 機(jī) 組狀 態(tài)電 網(wǎng)自 動(dòng)巡 回檢 測(cè)電站監(jiān)測(cè)電 站 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng)負(fù)載管理負(fù) 載 自 動(dòng) 切 入重 載 詢(xún) 問(wèn)自 動(dòng) 并 車(chē)自 動(dòng)調(diào) 頻 調(diào) 載發(fā) 電 機(jī) 組自 動(dòng) 起 動(dòng) 控 制功 率自 動(dòng) 分 配自 動(dòng) 解 列機(jī) 組 控 制 圖 電站自動(dòng)化系統(tǒng)方框圖 Power plant automation system block diagram 集散式船舶電站管理系統(tǒng) 集散控制形式是每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置 PLC(或微機(jī) )控制裝置，主要控制發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、停機(jī)以及處理機(jī)電故障等，上 面有一套 PLC(或微機(jī) )控制裝置主要進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行、功率管理及信息通信等管理控制。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(lái)顯示各種參數(shù)及相關(guān)機(jī)組、主開(kāi)關(guān)等電器狀態(tài)。 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。 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。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(lái)完成，除此，亦可顯示電站系統(tǒng)任何運(yùn)行過(guò)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。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(lái)對(duì)電站運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制。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。 本文所設(shè)計(jì)的集散式電站管理系統(tǒng)將各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的控制功能分散化。兩臺(tái) PLC 的控制作用由工業(yè) PC 機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，來(lái)完成整個(gè)電站的監(jiān)控任務(wù)。 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(chē)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(chē)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(guò)程的分散控制、監(jiān)控和信息集中管理等一系列工作。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。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。 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(kāi) 關(guān)減速模 擬 轉(zhuǎn) 換 器加速起動(dòng)停車(chē)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(kāi)關(guān)線圈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 (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。 (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。 (4)PLC 測(cè)控單元的控制信號(hào) (模擬量和開(kāi)關(guān)量 ) 柴油機(jī)組升速和減速脈沖、柴油機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)合閘和脫網(wǎng)。 檢測(cè)單元的設(shè)計(jì) 機(jī)組的測(cè)量控制單元包括模擬量輸出／輸入、開(kāi)關(guān)量輸出／輸入、鍵盤(pán)輸入、聲光報(bào)警等。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(pán) 輸 入工 業(yè) P C 機(jī)通 信 通 道模 擬 量 信 號(hào)開(kāi) 關(guān) 量 輸 入開(kāi) 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。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。 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(lái)完成對(duì)電站的自動(dòng)化管理。設(shè)計(jì)的各主要模塊有：自動(dòng)起動(dòng)模塊、并車(chē)運(yùn)行模塊、調(diào)頻調(diào)載模塊、重載詢(xún)問(wèn)模塊、自動(dòng)解列模塊和自動(dòng)停機(jī)模塊。 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(lái)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。 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)。對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的電站就會(huì)自動(dòng)發(fā)出起動(dòng)指令。 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電站儲(chǔ)備功率不夠時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生增機(jī)指令，與此同時(shí)需起動(dòng)機(jī)組起動(dòng)的邏輯條件也應(yīng)被檢測(cè)，只有起動(dòng)的邏輯條件滿足，才發(fā)出起動(dòng)指令。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)。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。同時(shí)，發(fā)出“起動(dòng)失敗”的聲光報(bào)警。 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。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。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。 并車(chē)運(yùn)行模塊及流程圖 投入電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，不能與電網(wǎng)立即接通，否則將導(dǎo)致并車(chē)失敗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致全船失電，機(jī)組也會(huì)受到電磁的和機(jī)械的有害沖擊。因此，并車(chē)時(shí)