【正文】 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設計與實現(xiàn) 34 致 謝 大學四年的學習生活即將結(jié)束，交通學院的學習生活。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，報警和相應的處理，通過工業(yè)電腦也能實施控制動作。本文設計了一兩臺發(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。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)。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。 環(huán)境適應性測試也是必不可少的一個重要測試。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確無誤的發(fā)出信號指令。 可靠性測試主要測試系統(tǒng)的可靠性。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)境適應性調(diào)試。 系統(tǒng)仿真的結(jié)果說明本設計基本實現(xiàn)了設計的目標，滿足設計的要求。 自動檢測報警系統(tǒng) [10]功能的實現(xiàn)：人為的設置機組故障，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)果進行記錄、打印，對超限參數(shù)進行記錄。 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)可自動進行起動，并車等一系列的控制操作。按照電機員使用此系統(tǒng)的步驟進行模擬測試，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。將系統(tǒng)上電，把各個模擬報警器和開關(guān)、按鈕準確無誤的與 PLC 的 I/O 相連接。因此，在所設計成果投入使用之前，對本系統(tǒng)進行仿真與調(diào)試是非常必要的。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。 若出現(xiàn)以上報警，則通過報警復位開關(guān)復位后，程序重新運行，完成相應的功能操作。頻率預調(diào)應在一定的調(diào)節(jié)時間內(nèi)完成，否則視為預調(diào)故障。本系統(tǒng)整定欠頻報警限值為 46Hz。本系統(tǒng)整定過壓報警限值為 10％Ue 。 故障報警的設置 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)還要設置過壓、欠頻和頻率預調(diào)故障報警。同時發(fā)出報警指示。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。 本系統(tǒng)取 125％ Ie 為保護動作限值，延時確認時間為 20 秒。所以應設置保護環(huán)節(jié)，當電流 參數(shù)越限時，延時確認后主開關(guān)跳閘。 過流保護 當電網(wǎng)負載過大或并聯(lián)機組間負荷分配很不均勻等原因，可造成發(fā)電機過流。根據(jù)船舶規(guī)范規(guī)定 :“當電壓降低至額定電壓的 70％ 35％時，應經(jīng)系統(tǒng)選擇性保護要求的延時后動作 ”。但在某些情況下，如電網(wǎng)突加負載時，發(fā)電機電壓可能下降 很大，這時應視為正常，欠壓保護不該動作。所以一旦出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，立即采取保護措施。 欠壓保護 當調(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。在本系統(tǒng)的安全監(jiān)測及保護程序中，對各種參數(shù)進行監(jiān)測，一旦發(fā)生參數(shù)越限，立 即執(zhí)行相應的保護動作并給出報警指示。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。 通過與上位機連接的鼠標和鍵盤，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。 (5)數(shù)據(jù)報表界面：一個可以反應過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，并對數(shù)據(jù)進行記錄。 (4)故障報警界面：設置各項報警指示燈，在故障時，指示燈由綠變紅。 (2)原理界面：在此界面可 以很清楚的知道與機組相關(guān)設備的系統(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。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)。 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性，可獨立對部分程序模塊替換、修改，而不會影響其它模塊。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，對計算速度要求嚴格。 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。監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示測量值、設定值、趨勢曲線、故障狀態(tài)、控制輸出值等，還可以設置主監(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。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)實山東交通學院畢業(yè)設計 (論文 ) 27 現(xiàn)共享。上位 PC 機把下位機得到的數(shù)據(jù)進行計算，判斷系統(tǒng)是否正常。上位機不斷地從下位機讀取數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否在設定的范圍內(nèi)，從而完成遠程監(jiān)控任務。上圖為數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)的監(jiān)視與修改操作流程。右上部分顯示數(shù)據(jù)塊編號 DBxy；左上部分顯示該數(shù)據(jù)字的當前內(nèi)容；左下部分顯示數(shù)據(jù)字設定內(nèi)容；右下部分顯示該數(shù)據(jù)字的文本信息。計數(shù)器的有關(guān)操作與此類似，在此不做具體說明。 T M R起 起 起 起 起 起 起 起 起S 5 1 0 1 U o r D B 6起 起 起 起起 起 起 起 起 起 起 起起 起 起 D B 起1 . 0 1 s T I M E R 2 . 0 0 U s e r t e x t起 起 起 起 起 T M RE N T起 起 起 起 起起E N T起 起 圖 定時器的操作流程 The operation of the timer process 如果修改時間數(shù)據(jù)時該定時器尚未啟動，則該定時器一旦啟動則按新的給山東交通學院畢業(yè)設計 (論文 ) 25 定時間進行計時，如果修改時，該定時器已啟動正在計時，則這次定時器仍按老的給定時間計時，該定時器下次啟動時將啟動新的給定時間。 (2)在線修改 首先進入在線監(jiān)視顯示方式，如需修改定時器的給定時間，可通過操作鍵盤上的數(shù)字鍵，按下新的給定時間數(shù)值，再按 ENT 鍵。右上部分顯示定時器編號；左上 部分顯示定時器當前值。 定時器的在線監(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，輸入定時器編號，按 ENT 鍵。其典型顯示如圖： 1 2.54 .7 s0sT I M E R 1 01* 5 0當 前 值 或 文 本整 定 值 或 P L C 狀 態(tài)錯 誤 信 息說 明 文 本 圖 OP393液晶顯示屏 OP393Liquid crystal display OP393 的操作鍵盤如下圖所示： 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設計與實現(xiàn) 22 T M RC T RF C TO NO F FT X T T S T D B D I A E N TC 1234567 8 9+ / 圖 OP393鍵盤 OP393Keyboard OP393 的連接與登錄 將 OP393 的接插連接器插進 S5115U的編程口連接器， OP393 液晶顯示屏顯示如下： O P3 9 3 I I IV x ,y OP393 上電一會后，顯示初始狀態(tài)信息 T M R / C T R / T X T / F C TD I A / D B / T S T ? 然后按下鑰匙鍵，輸入 5位數(shù)字密碼，再按 ENT鍵。在本設計中，系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與修改 [5]是通過 PMA52 自動電力管理系統(tǒng)中的便攜式用戶操作器 OP393 實現(xiàn)的。對發(fā)電機的過載、過流、失壓、超速、逆功率保護的各項整定值，其中各項動作整定值可以允許用戶調(diào)整，而從運行安全方面考慮時，通常在安裝調(diào)試時設定，一般不允許用戶修改。 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)電機組，及隨著機組累計運行時問加大而致機組性能的變化，系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視以及機組當前運行工況的變化隨時做出相應的修改是必要的。解列機組時，退出電網(wǎng)的機組把負荷轉(zhuǎn)移到運行機組上，當退出機組的功率小于 10%額定功率時，主開關(guān)脫開，緊接著發(fā)出停機指令。所謂自動停機，就是并網(wǎng)輕負荷時的自動減機，出現(xiàn)嚴重故障停機時處理方法是立即跳閘停電。 山東交通學院畢業(yè)設計 (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 ，防止重載起動的沖擊對電網(wǎng)造成故障，從而達到電站穩(wěn)定連續(xù)供電的要求。 恒頻和成比例分功流程控制圖如下： 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設計與實現(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： 大負載投入電網(wǎng)前，管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負荷與起動的大功率負荷是否超過運行機組的最大負荷率。當偏差值的絕對值小于設定值時，調(diào)節(jié)過程結(jié)束，若偏差值小于零 時，開大柴油機油門，使柴油機加速；當偏差值大于零時，減小柴油機油門，使柴油機減速。單機調(diào)節(jié)比較簡單，只是調(diào)用單機調(diào)頻程序，在此不用再做討論。維持電網(wǎng)頻率恒定及有功功率轉(zhuǎn)移可由原動機調(diào)速器改變油門的大小進行調(diào)節(jié)，也可另設調(diào)頻調(diào)載單元。 5%的標準來設定。圖中的 A 值由系統(tǒng)的調(diào)節(jié) 精度決定，一般按并小于177。頻載調(diào)節(jié)器的控制信號是頻率差與功率差的合成信號，經(jīng)放大、判別后控制伺服電機，來調(diào)節(jié)發(fā)電機油門來調(diào)整轉(zhuǎn)速。發(fā)電柴油機本身具有調(diào)速器，可以保證轉(zhuǎn)速處于規(guī)范之內(nèi)。當接受到“解列”指令時，能自動控制負荷轉(zhuǎn)移，待其負荷接 近 5%額定 功率后，使其主開關(guān)跳閘脫網(wǎng)。在待并機頻率大于電網(wǎng)的頻率的情況下， Δt值是不斷的在減小的，所以測得 Δt 值小于計算出的 Δt 值時發(fā)出合閘脈沖。 用恒定超前時間法 [4]發(fā)出合閘指令，先把電網(wǎng)和待并機 的正弦電壓通過波形變化變?yōu)橥l方波，然后對電網(wǎng)電壓和待并機的電壓檢測計算，來得到合閘指令提前時間。合閘時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)的運算周期就是 PLC 的掃描周期。主開關(guān)接到指令后，從開始動作到主觸頭閉合要經(jīng)過一定的時間，考慮的這個問題，合閘指令應該提前發(fā)出。；相位差為 15176。規(guī)范要求的并車條 件：電壓差整定范圍為 177。 (3)當相位差、電壓差和頻率差在系統(tǒng)設定范圍內(nèi)時，提前發(fā)出合閘指令，實現(xiàn)自動準同步并聯(lián)運行。為此并車必須滿足的下列條件： 山東交通學院畢業(yè)設計 (論文 ) 15 (1)檢測電網(wǎng)與待并發(fā)電機的電壓差、頻率差和相位差，當不符合并聯(lián)運行要求時，繼續(xù)巡回檢測。 并車運行模塊及流程圖 投入電網(wǎng)并聯(lián)