【導(dǎo)讀】案設(shè)計與實現(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。此承擔(dān)一切法律責(zé)任。計了集散控制式系統(tǒng)。下位機以PLC作為主要控制裝置，上位機用工業(yè)PC機作為管理裝。本文將電站的控制功能模塊化，再設(shè)計出各模塊的流程，然后將各模塊有機的結(jié)合，以實現(xiàn)電站的綜合自動控制。在這種點對點的控制系統(tǒng)中，下位機可以完成發(fā)電機組的。同時，上位機的人機界面可以顯示、記錄機組的運行狀態(tài)和主要參數(shù)。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。

　　

【正文】 起起 起 起 起起D BE N T 圖 數(shù)據(jù)塊的操作流程 Date block in the operation process 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(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。上圖為數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)的監(jiān)視與修改操作流程。 船舶電站管理系統(tǒng)的監(jiān)控單元 [6]設(shè)計 本文的下位機 PLC 控制器控制現(xiàn)場設(shè)備即發(fā)電機組，通過數(shù)據(jù)線把現(xiàn)場測得的參數(shù)送到上位機，上位機利用人機界面把數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。上位機不斷地從下位機讀取數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，從而完成遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)。 上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能 現(xiàn)場 PLC 控制器對電站各設(shè)備運行狀態(tài)和運行參數(shù)自動的 進(jìn)行實時監(jiān)測，它的檢測量可以是開關(guān)量即接通與斷開所對應(yīng)的值，也可以是模擬量如溫度、壓力等。上位 PC 機把下位機得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，判斷系統(tǒng)是否正常。如果出現(xiàn)故障及時顯示信號并發(fā)出相應(yīng)的聲光報警信號，對超限數(shù)據(jù)可以存儲，方便管理人員分析處理，通過外接打印機可以對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 : 集控室組態(tài)軟件工業(yè)P C機發(fā)電機組P L C控制器打 印 機鍵 盤鼠 標(biāo)圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 System structure diagram 自動控制系統(tǒng)和自動監(jiān)測系統(tǒng)組成了電 站自動化系統(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)實山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 現(xiàn)共享。上位工業(yè) PC 機得監(jiān)控系統(tǒng)為下位控制系統(tǒng)提供了友好的人機界面，它有強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，方便了電站操作人員的操作、維護(hù)等。監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示測量值、設(shè)定值、趨勢曲線、故障狀態(tài)、控制輸出值等，還可以設(shè)置主監(jiān)控界面、原理界面、并車界面、故障報警界面、數(shù)據(jù)報表界面，流程圖畫面。操作人員通過操作站，可以監(jiān)視現(xiàn)場裝置的情況；可以實現(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，從而實現(xiàn)了集中的操作和監(jiān)控管理 。 工業(yè) PC 機控制軟件和監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu) 控制軟件由三個層次構(gòu)成：功能模塊層，可以實現(xiàn)電站各種管理要求；數(shù)據(jù)傳輸層，采集各數(shù)字、模擬量的數(shù)據(jù)；管理層，通過對下兩層之程序的調(diào)用，完成主程序的調(diào)度、管理功能。這三個層次的關(guān)系是，數(shù)據(jù)傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，功能模塊層在數(shù)據(jù)層之上是完成各種特定功能的子程序，管理層調(diào)用下兩層程序，實現(xiàn)主程序的調(diào)度和管理功能。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 控制軟件是一個實時性很強的軟件，為了實現(xiàn)機組并車等特定功能，對計算速度要求嚴(yán)格。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，加快程序運行速度，提高效率。 監(jiān)測軟件框圖如下所示： 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 28 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 數(shù)據(jù)庫模塊圖 Database module figure 整個監(jiān)測軟件以數(shù)據(jù)庫為核心，各個 功能模塊圍繞數(shù)據(jù)庫，形成星型狀態(tài)連接，這使軟件有很強的可移值性和維護(hù)性，可獨立對部分程序模塊替換、修改，而不會影響其它模塊。 監(jiān)控界面簡介 自動化的船舶電站，應(yīng)該有用戶操作的可視化界面，通過用戶界面可以隨時觀察、了解并掌握整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，也可設(shè)定參數(shù)和向控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號。監(jiān)控界面 [7]包括： (1)主監(jiān)控界面：用來監(jiān)控每臺機組并顯示機組和電網(wǎng)的各項參數(shù)?？稍O(shè)有報警顯示按鈕，出現(xiàn)故障時可點擊查看具體報警項，除此，也能限制某些用戶的權(quán)限，禁止或允許其對系統(tǒng)的操作。 (2)原理界面：在此界面可 以很清楚的知道與機組相關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)原理圖，各處開關(guān)的分、合閘情況，和有各種重要參數(shù)的顯示。 (3)并車界面：監(jiān)測各機組的頻率和電壓且設(shè)有同步指示燈，還有各機組并車、解列的功能按鈕，實現(xiàn)監(jiān)控界面的操作。 (4)故障報警界面：設(shè)置各項報警指示燈，在故障時，指示燈由綠變紅。除此在相應(yīng)報警項里可以修改限制參數(shù)值。 (5)數(shù)據(jù)報表界面：一個可以反應(yīng)過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。可對實時報表和歷史報表進(jìn)行打印，方便了管理人員的統(tǒng)計分析。 通過與上位機連接的鼠標(biāo)和鍵盤，可以查看各個界面，也可以在這些界面上實行操 作，讀數(shù)據(jù)在線修改以滿足對系統(tǒng)新的要求。上位還要有自動 /手動切換按鈕來轉(zhuǎn)換控制方式，自動狀態(tài)時，自動起動、并機、解列和停車等控制功山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 能由系統(tǒng)的功能模塊程序自動執(zhí)行；而手動狀態(tài)時，需管理人員在配電板的控制面板上操作。上位機的這些界面使得整個電站系統(tǒng)處于管理人員的實時監(jiān)管之下，也使得管理人員的工作更加便捷。 安全保護(hù)系統(tǒng) 為了保證船舶電力系統(tǒng)安全可靠的供電，需要在電力系統(tǒng)中設(shè)置安全檢測及保護(hù)功能 [8]，避免不正常運行或故障情況的發(fā)生。在本系統(tǒng)的安全監(jiān)測及保護(hù)程序中，對各種參數(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)動作并給出報警指示。系統(tǒng)設(shè)置了欠壓、過流、逆功率繼電保護(hù)和過壓、欠頻、頻率預(yù)調(diào)故障報警。 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。發(fā)電機組在欠壓情況下運行將引起電機的電流增加、電動機轉(zhuǎn)矩下降、發(fā)電機過熱、絕緣損壞，這對發(fā)電機組本身和異步電動機的運行等都是不利的。所以一旦出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，立即采取保護(hù)措施。 程序檢測經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值如低于保護(hù)動作限值，進(jìn)行一次延時確認(rèn)，若仍欠壓，則將主開關(guān)斷開。但在某些情況下，如電網(wǎng)突加負(fù)載時，發(fā)電機電壓可能下降 很大，這時應(yīng)視為正常，欠壓保護(hù)不該動作。程序中通過適當(dāng)整定欠壓限值和主開關(guān)動作時限來回避欠壓保護(hù)環(huán)節(jié)的誤動作。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，應(yīng)經(jīng)系統(tǒng)選擇性保護(hù)要求的延時后動作 ”。 本系統(tǒng)取 70％ Ue 為動作保護(hù)限值，欠壓延時確認(rèn)時間為 4 秒。 過流保護(hù) 當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載過大或并聯(lián)機組間負(fù)荷分配很不均勻等原因，可造成發(fā)電機過流。長時間過流會引起發(fā)電機組過熱、絕緣老化及損壞等，這對電站運行的壽命影響很大。所以應(yīng)設(shè)置保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)電流 參數(shù)越限時，延時確認(rèn)后主開關(guān)跳閘。規(guī)范規(guī)定：“電流過載 10％ 50％之間，經(jīng)少于 2min 的延時斷路器應(yīng)分?jǐn)啵唤ㄗh整定在發(fā)電機額定電流的 125％ 135％，延時 1530 秒斷路器分?jǐn)唷薄? 本系統(tǒng)取 125％ Ie 為保護(hù)動作限值，延時確認(rèn)時間為 20 秒。 逆功率保護(hù) 發(fā)電機組并網(wǎng)運行時，若其中一臺發(fā)電機組因調(diào)速器故障使燃油供油中斷，或調(diào)頻調(diào)載功能發(fā)生故障，會造成發(fā)電機組的逆功率運行，該同步發(fā)電機組并不是發(fā)出有功功率，而是從電網(wǎng)吸收功率。發(fā)電機組在逆功情況下 運行對原動機是不利的，也會造成另一臺機組因過載而跳閘，引起全船供電中斷。逆功超基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 30 過限值，延時確認(rèn)后將逆功機組切除。同時發(fā)出報警指示。 本系統(tǒng)整定逆功限值為 10％ Pe ，延時確認(rèn)時間為 5 秒。 故障報警的設(shè)置 除了啟動失敗、并車失敗和電站逆功率報警外，電站自動化系統(tǒng)還要設(shè)置過壓、欠頻和頻率預(yù)調(diào)故障報警。 (1)過壓 當(dāng)電網(wǎng)電壓過高時，給出過壓報警指示。本系統(tǒng)整定過壓報警限值為 10％Ue 。 (2)欠頻 當(dāng)電 網(wǎng)頻率過低時，給出欠頻報警指示。本系統(tǒng)整定欠頻報警限值為 46Hz。 (3)頻率預(yù)調(diào)故障 在進(jìn)行自動并車操作時，倘若頻差較大，首先應(yīng)進(jìn)行頻率預(yù)調(diào)。頻率預(yù)調(diào)應(yīng)在一定的調(diào)節(jié)時間內(nèi)完成，否則視為預(yù)調(diào)故障。本系統(tǒng)設(shè)置頻率預(yù)調(diào)時間限為 10 秒。 若出現(xiàn)以上報警，則通過報警復(fù)位開關(guān)復(fù)位后，程序重新運行，完成相應(yīng)的功能操作。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試 為了對所設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)及所編程序的正確性進(jìn)行檢測，必須對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)與仿真測試 [9]。船舶電力系統(tǒng)在運行中，可能出現(xiàn)各種不正常運行和故障情況，主要有過 載、短路、過壓、欠壓、過頻、欠頻和逆功率故障等。這些不正常運行或故障發(fā)生以后，往往會造成重要設(shè)備損壞或供電中斷，從而帶來極大的損失。因此，在所設(shè)計成果投入使用之前，對本系統(tǒng)進(jìn)行仿真與調(diào)試是非常必要的。 系統(tǒng)仿真 將 PLC 與計算機相連，打開系統(tǒng)軟件，新建一個項目，并建立連接，確保數(shù)據(jù)能夠順利傳輸。將系統(tǒng)上電，把各個模擬報警器和開關(guān)、按鈕準(zhǔn)確無誤的與 PLC 的 I/O 相連接。 圖 系統(tǒng)的仿真界面 The simulation interface of the system 軟件 新建項目的初始界面如圖所示，將程序語句準(zhǔn)確無誤的輸入到該項目中，進(jìn)行錯誤檢測后運行。按照電機員使用此系統(tǒng)的步驟進(jìn)行模擬測試，檢驗此系統(tǒng)是否實現(xiàn)了機組的自動起動，并車運行，調(diào)頻調(diào)載，重載詢問，自動解列和自動停車，自動檢測報警，安全保護(hù)動作的產(chǎn)生等等問題，通過一次次的查錯、修改，最終完成了的目標(biāo)。初步完成了基于 PLC 的船舶電站及其自動化基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 32 系統(tǒng)的各種功能。 控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)：系統(tǒng)運行后，打開主控模塊的電源主開關(guān)，系統(tǒng)可自動進(jìn)行起動，并車等一系列的控制操作。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)可自動地使處于備用狀態(tài)的機組迅速 起動 (不超過 45s)，自動準(zhǔn)同步投入電網(wǎng)運行；并網(wǎng)成功后，故障機組將負(fù)荷降低至不大于額定功率的 10%時，自動脫離電網(wǎng)。 自動檢測報警系統(tǒng) [10]功能的實現(xiàn)：人為的設(shè)置機組故障，觀察自動檢測報警系統(tǒng)是否發(fā)出一系列的聲光報警信號，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行記錄、打印，對超限參數(shù)進(jìn)行記錄。 安全系統(tǒng)功能的實現(xiàn)：在系統(tǒng)正常運行時，人工設(shè)置故障，在自動檢測報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警的同事，觀察安全系統(tǒng)是否做出相應(yīng)的安全保護(hù)動作。 系統(tǒng)仿真的結(jié)果說明本設(shè)計基本實現(xiàn)了設(shè)計的目標(biāo)，滿足設(shè)計的要求。 系統(tǒng)調(diào)試 在仿真的基礎(chǔ)上對系統(tǒng) 進(jìn)行調(diào)試時非常重要的一環(huán)，該環(huán)節(jié)能夠針對系統(tǒng)仿真中出現(xiàn)的問題對系統(tǒng)進(jìn)行完善和修改，從而逐步使本方案更能滿足現(xiàn)實需要。系統(tǒng)調(diào)試基本包括系統(tǒng)功能調(diào)試、可靠性調(diào)試和環(huán)境適應(yīng)性調(diào)試。 功能測試主要測試系統(tǒng)是否實現(xiàn)設(shè)計功能，諸如能否實現(xiàn)自動控制，自動檢測和報警以及在機組故障的時候產(chǎn)生保護(hù)動作等。 可靠性測試主要測試系統(tǒng)的可靠性。一個是定時器的可靠性，另一個是報警信號的可靠性。本系統(tǒng)用到多種定時器，要確保該定時器能夠在時間上準(zhǔn)確無誤的發(fā)出信號指令。另外，報警系統(tǒng)也起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時報警系統(tǒng)必須第一時間 發(fā)出報警，以便及時對故障進(jìn)行處理。 環(huán)境適應(yīng)性測試也是必不可少的一個重要測試。船舶在海上航行時，會受到各種惡劣環(huán)境的考驗，必須確保該系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的工作。由于長時間的顛簸或者是受到各種腐蝕，系統(tǒng)線路容易發(fā)生老化產(chǎn)生短路或斷路，該系統(tǒng)必須要能夠保證線路和各個器件的可靠性，確保系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定的工作。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 總 結(jié) 本文從船舶電站的組成、功能和特點以及 PLC 工作原理開始論述，同時也分析了船舶電站自動化管理系統(tǒng)的構(gòu)成和自動管理系統(tǒng)的功能。在此基礎(chǔ)上，選擇在基于 PLC 控制的船舶電站集散式管理系統(tǒng)。 集散式管理系統(tǒng)的 特點是分散管理、集中控制，其中某控制模塊出現(xiàn)問題不會影響其他控制模塊。本文設(shè)計了一兩臺發(fā)電機組為例的船舶電站，分別由PLC 控制，以 PLC 為下位機與以工業(yè)電腦為上位機通過組態(tài)軟件實現(xiàn)通信。此系統(tǒng)由 PLC 控制機組實現(xiàn)了機組自動起動、自動并車、調(diào)頻調(diào)載、重載詢問、自動解列及自動停車等功能。作為上位機的工業(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)，在機組出現(xiàn)故障時，報警和相應(yīng)的處理，通過工業(yè)電腦也能實施控制動作。機組運行時自動記錄數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，與打印機連接后，可以打印歷史和當(dāng)前的數(shù)據(jù)，以便 管理人員進(jìn)行處理和分析。 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 34 致 謝 大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，交通學(xué)院的學(xué)習(xí)生活將成為我人生中一段重要旅程?；厥准韧闹斜陡谐鋵?，能在眾多專業(yè)知識淵博、能力和水平很高的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。正是由于你們，我才能在專業(yè)知識方面取得顯著的進(jìn)步，在此向你們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下