【正文】 設(shè)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)運行的發(fā)電機，不能與電網(wǎng)立即接通，否則將導(dǎo)致并車失敗，嚴重時會導(dǎo)致全船失電，機組也會受到電磁的和機械的有害沖擊。機組起動成功后，在一定時間未建立電 壓，則停機和發(fā)出聲光報警。同時，發(fā)出“起動失敗”的聲光報警。當檢測到機、電故障時，根據(jù)故障的級別進行處理，若是嚴重故障，先停故障機，在起動備用機；若是較嚴重故障，先起動備用機組，并網(wǎng)后解列故障機。對自動化系統(tǒng)的電站就會自動發(fā)出起動指令。 系統(tǒng)主程序的工作原理：自動巡回檢測電站的主要參數(shù)和工作狀態(tài)，針對不同的參數(shù)和狀態(tài)做出邏輯分析和綜合計算，判斷當前需要完成哪些工作，從而決定調(diào)用哪一個功能子程序來完成該工作，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，整個系統(tǒng)就 如此反復(fù)地運行。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (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)計實現(xiàn)這些子程序的流程圖，然后，主程序?qū)⑦@些子程序有機結(jié)合，來完成對電站的自動化管理。測量控制單元原理框圖如圖下所示 ： 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 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 輸 入工 業(yè) P C 機通 信 通 道模 擬 量 信 號開 關(guān) 量 輸 入開 關(guān) 量 輸 出模 擬 執(zhí) 行 部 件 圖 測量控制單元原理圖 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，及時反映控制對象的狀態(tài)，發(fā)出必要的調(diào)節(jié)指令，以滿足控制要求。 (4)PLC 測控單元的控制信號 (模擬量和開關(guān)量 ) 柴油機組升速和減速脈沖、柴油機組起動和停機、發(fā)電機并網(wǎng)合閘和脫網(wǎng)。 (2)關(guān)于發(fā)電機的信號 發(fā)電機端電壓、電流、頻率、有功功率、發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓的相位差和發(fā)電機繞組溫度。采用了標準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)擴展十分方便。 總體框圖如下圖所示： 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 10 顯 示 打 印 工 業(yè) P C 機 監(jiān) 測 報 警可 編 程 控 制 器 可 編 程 控 制 器電壓的調(diào)節(jié)柴 油 機和調(diào) 速 器控 制參數(shù)監(jiān)控功能自動并車功能頻 率調(diào) 節(jié)和功 率分 配參數(shù)監(jiān)控功能柴 油 機和調(diào) 速 器功 能電壓的調(diào)節(jié)自動并車功能頻 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。 本文所設(shè)計的集散式電站管理系統(tǒng)將各臺發(fā)電機組的控制功能分散化。在上位機上可以修改系統(tǒng)某些設(shè)置參數(shù)，并能以指令的形式傳遞到下位機中，來對電站運行過程進行控制。 工業(yè) PC 控制機置于集控中，作為操作系統(tǒng)的操作管理裝置。此外，系統(tǒng)的通訊接口可以與個人電腦相連，在電腦顯示屏用文字和圖形來顯示各種參數(shù)及相關(guān)機組、主開關(guān)等電器狀態(tài)。 (11)運行系統(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)計編制的程序及各種參數(shù)存放在隨機存儲器 RAM 中，方便在線修改。 (10)運行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視：現(xiàn)代電子觸摸屏通過編程可以在屏幕上以畫出主配電板、發(fā)電機組、主開關(guān)等電器元件的狀況，除此之外也有開關(guān)、按鈕等指令開關(guān)。 (8)機組自動、故障狀態(tài) 下解列、停機控制：輕載或故障需要停機時，并網(wǎng)運行機組先自動轉(zhuǎn)移負載，再按順序使運行機組逐臺退出電網(wǎng)，然后停車。 (7)機組故障的自動處理與報警及負載自動分級：系統(tǒng)設(shè)有故障處理模式與對應(yīng)的故障相匹配。 (6)重載詢問：大功率負荷起動大，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允許負荷率。 (4)并聯(lián)運行中的功率分配與頻率調(diào)整：兩臺機組并聯(lián)運行供電時，通過原動機調(diào)速器和自動調(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)運行機組按容量成比例的承擔 負載。 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 8 (2)發(fā)電機組的自動起動：當電網(wǎng)負荷增加使運行機組重載時、運行機組發(fā)生機電故障和某機組起動失敗或不能合閘時，電站管理系統(tǒng)能自動地發(fā)出起動指令使備用機組迅速自動起動，在起動成功后建立壓力后投入電網(wǎng)供電。自動化管理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖： 打 印 設(shè) 備 檢 測 報 警 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 發(fā) 電 機 組安 全 系 統(tǒng) 圖 自動化系統(tǒng)的組成 Composition of automation system 船舶電站自動化管理系統(tǒng)主要功能 自動化電站管理的主要內(nèi)容包括 [2]： (1)發(fā)電機組起動前的準備工作 :中國船級社對自動化船舶的有關(guān)規(guī)定是船舶電網(wǎng)失電應(yīng)在 45s(國外有些是 30s)內(nèi)恢復(fù)供電，所以自動化電站停車狀態(tài)下的備用機組應(yīng)事先做好準備工作。 (3)安全系統(tǒng)：自動化電站應(yīng)設(shè)安全系統(tǒng)。其次，系統(tǒng)會將監(jiān)測量實時與設(shè)定的限制值進行比較，若被測量超限，將發(fā)出相應(yīng)的聲光報警信號。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)，自動準同步投入電網(wǎng)運行；并網(wǎng)成功后，故障機組將負荷降低至不大于額定功 率的 10%時，自動脫離電網(wǎng)。 (4)通過實際操作，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足之處，對不足之處進行改正。 (2)在集散式系統(tǒng)下，設(shè)計實現(xiàn)了 PLC 控制的發(fā)電機組的自動起動、自動并車運行、自動頻率和負載調(diào)節(jié)，重載詢問、自動解列以及自動停車的流程。上位機的人機界面設(shè)計機各種界面，在設(shè)計的界面上可以顯示機組的狀態(tài)和各主要參數(shù)，輪機員通過各種界面能觀察和操作機組。 本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文主要內(nèi)容是以兩臺發(fā)電機組的電站為例，采用 PLC 的工業(yè)控制技術(shù)和工業(yè) PC 機，設(shè)計了基于 PLC 控制的船舶電站自動化的集散式管理系統(tǒng)。在 PLC 內(nèi)部實現(xiàn)自整定PID 算法控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，驅(qū)動直流伺服電動機執(zhí)行，負荷分配及時均衡。 由于 PLC 可靠性高、耐惡劣環(huán)境、使用極為靈活 ，功能擴展方便。為解決船舶電站自動控制系統(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，給出了解決方案。作為船舶上重要的裝備，船舶電站有著極其重要的作用；除了為船舶提供日常用電之外，還關(guān)系著船舶日常 工作的順利進行。 PLC 與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多 優(yōu)點： (1)更改控制邏輯只需修改軟件，無需對硬件做改動； (2)程序可以復(fù)制，批量生產(chǎn)容易； (3)電氣硬件設(shè)計大大簡化； (4)由于 PLC 除有繼電器功能外，尚有多種其他功能，可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能，實現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機構(gòu)簡化； (5)可靠性高； (6)具有擴展單元或擴展模塊，當需要較多的 I/O 時可以方便的擴展。同時， PLC 在船舶電站抗干擾方面也有其極大的優(yōu)越性。 PLC 在船舶電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢 船舶電站控制有控制動作復(fù)雜、頻繁的特點，且有較多的接觸器作為執(zhí)行器。這種循環(huán)掃描的方式，不斷地對輸入和輸出變量進行收集、計算和輸出，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)動作。但是，在時間上 PLC 執(zhí)行的任務(wù)是串行的，與繼電器邏輯控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的執(zhí)行有所不同， PLC 整個工作過程是以循環(huán)掃描的方式進行。用戶程序包括各類畫面的操作顯示程序，也有人機界面的有關(guān)軟件，用戶可以根據(jù)制造商提供的軟件使用說明進行操作站的系統(tǒng)畫面組態(tài)和編制相應(yīng)的應(yīng)用程序。 PLC 軟件由系統(tǒng)程序、和用戶程序兩大部分組成。 PLC 的硬件系統(tǒng)由主機、輸入輸出擴展設(shè)備及外部設(shè)備三部分組成。它是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制結(jié)合的產(chǎn)物?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充功能的原則而設(shè)計”。而這些技術(shù)的發(fā)展會使船舶工業(yè)向著智能綜合自動化、微機監(jiān)視、智能控制、衛(wèi)星通信導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)、船岸信息直接交流、全船自動化領(lǐng)域延伸得更深。未來船舶電站的自動化系統(tǒng)會向著自動故障預(yù)測、自診斷的方向發(fā)展，上位機將會實現(xiàn)專家系統(tǒng)等智能連接。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于采用數(shù)字化和高層次的自動化技術(shù)代替大量繁瑣的人工操作，它有助于減少頻繁操作和減輕人員疲勞，把船員從環(huán)境惡劣的工作場合中解放出來。各子系統(tǒng)的功能由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，把數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)分散功能結(jié)合，但每個系統(tǒng)又是一個獨立的系統(tǒng)，在某系統(tǒng)局部受損時不影響其他系統(tǒng)獨立 完成工基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 4 作，采用網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余設(shè)計及不間斷后備電源，增強系統(tǒng)控制能力。使用雙層網(wǎng)絡(luò)，第一層網(wǎng)絡(luò)采集與傳送數(shù)據(jù)，第二層網(wǎng)絡(luò)是控制網(wǎng)。 (2)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 如今，數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當成熟。 船舶電氣自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢： (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)。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，下位機分散到現(xiàn)場進行分布式控制。 船舶 電站自動化的發(fā)展與展望 隨著船舶自動化程度的不斷提高，電站自動化由局部控制發(fā)展到了綜合控制，由就地的控制發(fā)展到集中的控制。 船舶電站的主要特點是容量相對較小。 船舶電站由原動機、發(fā)電機和附屬設(shè)備 (組合成發(fā)電機組 )及配電裝置組成。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 1 課題的組成及背景 船舶電站自動化系統(tǒng)的定義、組成和特點 船舶電力系統(tǒng)是孤立于陸地的獨立電網(wǎng)，它是產(chǎn)生、輸送、分配、使用電能的裝置和用電網(wǎng)絡(luò)的總稱，它由用電設(shè)備、裝配電裝置、發(fā)電裝置和電纜等組成?；?PLC 技術(shù)設(shè)計的人機界面，組態(tài)調(diào)試方便，用 S7200 PLC 開發(fā)的船 舶電站控制系統(tǒng)，性價比高，在遠洋船舶得到了成功應(yīng)用，表明 PLC 技術(shù)值得在輪機自動化中推廣。 S7200 PLC 具有豐富的指令集成和內(nèi)置集成功能，如高速計數(shù)器 HSC、自整定 PID 和脈沖輸出PTO/PWN 等，實時特性和通訊能力強，擴展模塊豐富，可靠性高?，F(xiàn)代 PLC 控制技術(shù)因其可靠性高、耐惡劣環(huán)境、基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 2 使用極為靈活方便三大特點，廣泛應(yīng)用在自動化控制系統(tǒng)領(lǐng)域，船舶自動化控制系統(tǒng)更是如此。這就需要研究控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等，船舶電站正以標準化、模塊化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等方式向船舶電站綜合自動化這樣高級階段發(fā)展。隨著計算機信息處理技術(shù)的發(fā)展，船舶電站自動化系統(tǒng)正朝著集散型控制系統(tǒng) (網(wǎng)絡(luò)式或分布式控制系統(tǒng) )的方向發(fā)展 。到 80 年代中后期，隨著微機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，國外眾多國家相繼開發(fā)研制多微機分布式網(wǎng)絡(luò)型自動化控制系統(tǒng)，如：西門子、 AEG 等國際著名的大公司近期的產(chǎn)品，是目前國際上最新技術(shù)產(chǎn)品。到 70 年代中后期，人們在單元自動化裝置的基礎(chǔ)上，把它們系統(tǒng)地組合成成套電站自動化設(shè)備，系統(tǒng)可在集控室進行集中控制，如 “ 里言斯頓 ” 號船上的 SEPA 電站自動化控制系統(tǒng)，日本 “ 星光 ” 號船上電站自動化系統(tǒng)。 國外船舶自動化一開始大多是從電氣部分著手，從最原始的手動本地操縱進 化成手動遙控操縱，再進一步發(fā)展成半自動控制，最后發(fā)展到目前的最高水平電站全自動控制的無人值班機艙?？刂品绞接捎布刂谱?yōu)檐浖刂茷橹?，使功能的組合、擴展或修改變得容易：模塊化、通用性好。 關(guān)鍵詞 ： 船舶電站，自動控制系統(tǒng)， PLC II Abstract This thesis take marine electric power plant which base on two generators for an example and designed a distributed control system after discussed the function and requirement of automatic ship power station. The station uses PLC as main control device and industrial puter as management device. This thesis