【正文】 正是由于你們，我才能在專業(yè)知識(shí)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！ 。 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) 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。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。本文設(shè)計(jì)了一兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組為例的船舶電站，分別由PLC 控制，以 PLC 為下位機(jī)與以工業(yè)電腦為上位機(jī)通過組態(tài)軟件實(shí)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(zhǎng)時(shí)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(gè)器件的可靠性，確保系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試也是必不可少的一個(gè)重要測(cè)試。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。 可靠性測(cè)試主要測(cè)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(yīng)性調(diào)試。 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。 自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng) [10]功能的實(shí)現(xiàn)：人為的設(shè)置機(jī)組故障，觀察自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是否發(fā)出一系列的聲光報(bào)警信號(hào)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄、打印，對(duì)超限參數(shù)進(jìn)行記錄。 控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)運(yùn)行后，打開主控模塊的電源主開關(guān)，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行起動(dòng)，并車等一系列的控制操作。按照電機(jī)員使用此系統(tǒng)的步驟進(jìn)行模擬測(cè)試，檢驗(yàn)此系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)，并車運(yùn)行，調(diào)頻調(diào)載，重載詢問，自動(dòng)解列和自動(dòng)停車，自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警，安全保護(hù)動(dòng)作的產(chǎn)生等等問題，通過一次次的查錯(cuò)、修改，最終完成了的目標(biāo)。將系統(tǒng)上電，把各個(gè)模擬報(bào)警器和開關(guān)、按鈕準(zhǔn)確無誤的與 PLC 的 I/O 相連接。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。船舶電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，可能出現(xiàn)各種不正常運(yùn)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(bào)警，則通過報(bào)警復(fù)位開關(guān)復(fù)位后，程序重新運(yùn)行，完成相應(yīng)的功能操作。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。本系統(tǒng)整定欠頻報(bào)警限值為 46Hz。本系統(tǒng)整定過壓報(bào)警限值為 10％Ue 。 故障報(bào)警的設(shè)置 除了啟動(dòng)失敗、并車失敗和電站逆功率報(bào)警外，電站自動(dòng)化系統(tǒng)還要設(shè)置過壓、欠頻和頻率預(yù)調(diào)故障報(bào)警。同時(shí)發(fā)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。 本系統(tǒng)取 125％ Ie 為保護(hù)動(dòng)作限值，延時(shí)確認(rèn)時(shí)間為 20 秒。所以應(yīng)設(shè)置保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)電流 參數(shù)越限時(shí)，延時(shí)確認(rèn)后主開關(guān)跳閘。 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。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(shí)，應(yīng)經(jīng)系統(tǒng)選擇性保護(hù)要求的延時(shí)后動(dòng)作 ”。但在某些情況下，如電網(wǎng)突加負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓可能下降 很大，這時(shí)應(yīng)視為正常，欠壓保護(hù)不該動(dòng)作。所以一旦出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，立即采取保護(hù)措施。 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。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。上位機(jī)的這些界面使得整個(gè)電站系統(tǒng)處于管理人員的實(shí)時(shí)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(jī)連接的鼠標(biāo)和鍵盤，可以查看各個(gè)界面，也可以在這些界面上實(shí)行操 作，讀數(shù)據(jù)在線修改以滿足對(duì)系統(tǒng)新的要求。 (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。 (4)故障報(bào)警界面：設(shè)置各項(xiàng)報(bào)警指示燈，在故障時(shí)，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(jī)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。監(jiān)控界面 [7]包括： (1)主監(jiān)控界面：用來監(jiān)控每臺(tái)機(jī)組并顯示機(jī)組和電網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)。 監(jiān)測(cè)軟件框圖如下所示： 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) 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(kù)模塊圖 Database module figure 整個(gè)監(jiān)測(cè)軟件以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，各個(gè) 功能模塊圍繞數(shù)據(jù)庫(kù)，形成星型狀態(tài)連接，這使軟件有很強(qiáng)的可移值性和維護(hù)性，可獨(dú)立對(duì)部分程序模塊替換、修改，而不會(huì)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(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。 工業(yè) PC 機(jī)控制軟件和監(jiān)測(cè)軟件結(jié)構(gòu) 控制軟件由三個(gè)層次構(gòu)成：功能模塊層，可以實(shí)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(duì)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(cè)量值、設(shè)定值、趨勢(shì)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(bào)警界面、數(shù)據(jù)報(bào)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(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。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。上位機(jī)不斷地從下位機(jī)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(hào) DBxy；左上部分顯示該數(shù)據(jù)字的當(dāng)前內(nèi)容；左下部分顯示數(shù)據(jù)字設(shè)定內(nèi)容；右下部分顯示該數(shù)據(jù)字的文本信息。計(jì)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(shí)器的操作流程 The operation of the timer process 如果修改時(shí)間數(shù)據(jù)時(shí)該定時(shí)器尚未啟動(dòng)，則該定時(shí)器一旦啟動(dòng)則按新的給山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 定時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，如果修改時(shí)，該定時(shí)器已啟動(dòng)正在計(jì)時(shí)，則這次定時(shí)器仍按老的給定時(shí)間計(jì)時(shí)，該定時(shí)器下次啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)新的給定時(shí)間。 (2)在線修改 首先進(jìn)入在線監(jiān)視顯示方式，如需修改定時(shí)器的給定時(shí)間，可通過操作鍵盤上的數(shù)字鍵，按下新的給定時(shí)間數(shù)值，再按 ENT 鍵。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。 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。其典型顯示如圖： 1 2.54 .7 s0sT I M E R 1 01* 5 0當(dāng) 前 值 或 文 本整 定 值 或 P L C 狀 態(tài)錯(cuò) 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(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)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(jìn) 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(huì)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(shè)計(jì)中，系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與修改 [5]是通過 PMA52 自動(dòng)電力管理系統(tǒng)中的便攜式用戶操作器 OP393 實(shí)現(xiàn)的。對(duì)發(fā)電機(jī)的過載、過流、失壓、超速、逆功率保護(hù)的各項(xiàng)整定值，其中各項(xiàng)動(dòng)作整定值可以允許用戶調(diào)整，而從運(yùn)行安全方面考慮時(shí)，通常在安裝調(diào)試時(shí)設(shè)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(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。解列機(jī)組時(shí)，退出電網(wǎng)的機(jī)組把負(fù)荷轉(zhuǎn)移到運(yùn)行機(jī)組上，當(dāng)退出機(jī)組的功率小于 10%額定功率時(shí)，主開關(guān)脫開，緊接著發(fā)出停機(jī)指令。所謂自動(dòng)停機(jī)，就是并網(wǎng)輕負(fù)荷時(shí)的自動(dòng)減機(jī)，出現(xiàn)嚴(yán)重故障停機(jī)時(shí)處理方法是立即跳閘停電。 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。 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。當(dāng)偏差值的絕對(duì)值小于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)過程結(jié)束，若偏差值小于零 時(shí)，開大柴油機(jī)油門，使柴油機(jī)加速；當(dāng)偏差值大于零時(shí)，減小柴油機(jī)油門，使柴油機(jī)減速。單機(jī)調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，只是調(diào)用單機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)速器改變油門的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可另設(shè)調(diào)頻調(diào)載單元。 5%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)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(hào)是頻率差與功率差的合成信號(hào)，經(jīng)放大、判別后控制伺服電機(jī)，來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門來調(diào)整轉(zhuǎn)速。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)。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)。在待并機(jī)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(cè)得 Δt 值小于計(jì)算出的 Δt 值時(shí)發(fā)出合閘脈沖。 用恒定超前時(shí)間法 [4]發(fā)出合閘指令，先把電網(wǎng)和待并機(jī) 的正弦電壓通過波形變化變?yōu)橥l方波，然后對(duì)電網(wǎng)電壓和待并機(jī)的電壓檢測(cè)計(jì)算，來得到合閘指令提前時(shí)間。合閘時(shí)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(yùn)算周期就是 PLC 的掃描周期。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。；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(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。為此并車必須滿足的下列條件： 山東交通學(xué)院畢業(yè)