【正文】 為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品。眾所周知，PLC適用于多種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)控自動(dòng)化?；赑LC的船舶電站系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在線故障診斷。目前我國(guó)的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)還處于研究階段，只有在局部的環(huán)節(jié)取得成果，尚不能投入全面使用，所以研究船舶電站自動(dòng)化，早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化意義重大。其中船舶電站是船舶所需的全部電能的來(lái)源，處于船舶電力系統(tǒng)的核心地位。發(fā)電機(jī)組是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電設(shè)備；配電裝置是接收船舶發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能，并對(duì)所有電力負(fù)載進(jìn)行配電的開(kāi)關(guān)和控制設(shè)備的組合裝置，也是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、保護(hù)的控制裝置。當(dāng)起動(dòng)某些大容量負(fù)載起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而使發(fā)電頻率和電壓大幅波動(dòng)，同時(shí)將沖擊電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓、頻率大幅度下降，因此，要求發(fā)電機(jī)組要具有較大的承載能力和維持電站穩(wěn)定運(yùn)行的能力。集散式系統(tǒng)就是集計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制技術(shù)于一體的系統(tǒng)。所以，這種集散式的管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有很高的可靠性，且易于擴(kuò)展，上位機(jī)根據(jù)需要增減下位機(jī)臺(tái)數(shù)。另外，采用綜合監(jiān)控的形式，可以構(gòu)成雙重或多重冗余，對(duì)提高系統(tǒng)或者全船整體可靠性是有積極意義的?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的雙向網(wǎng)絡(luò)通信靠現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。從分散危險(xiǎn)的原則上，設(shè)置獨(dú)立的控制子網(wǎng)。利用圖像控制功能，在人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)話效果。船舶電氣自動(dòng)化領(lǐng)域展望，在計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制技術(shù)迅速發(fā)展且互相交叉滲透，還有人工智能和模糊技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)給船舶電站自動(dòng)化帶來(lái)重大的變革。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正在經(jīng)歷著從集中型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→分散型微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→集散型(分布式)多級(jí)、多微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→網(wǎng)絡(luò)型(智能式)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 PLC在船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用 PLC 概述國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)頒布的可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)及其定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的儲(chǔ)存器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等操作的命令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破?Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)稱PLC，是一種工業(yè)控制器件。PLC這種專用的工業(yè)控制機(jī)，它的組成與計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件和軟件系統(tǒng)兩部分組成。主機(jī)由中央控制單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、輸入輸出擴(kuò)展總線接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成，各部件通過(guò)由電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成的內(nèi)部系統(tǒng)總線進(jìn)行連接；輸入輸出擴(kuò)展機(jī)是輸入輸出單元的擴(kuò)展部件；外部設(shè)備主要是編程器、圖形顯示器等。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。 PLC 的工作原理PLC的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理是基本相似，它通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。循環(huán)掃描方式是指在執(zhí)行程序的過(guò)程中，對(duì)各個(gè)過(guò)程輸入信號(hào)進(jìn)行收集，對(duì)收集信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果輸出到生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，其集成度越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)及通信功能越來(lái)越強(qiáng)，可靠性和控制功能越來(lái)越好，這些都使PLC更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中。一般的PLC都有幾百個(gè)內(nèi)部輔助繼電器，而且還有多種專用的內(nèi)部繼電器，可以滿足一般的控制要求，唯一需要做的就是對(duì)PLC進(jìn)行編程。另外，PLC與繼電器控制比較有運(yùn)行速度快、可靠性和壽命高的優(yōu)點(diǎn)。 本課題背景及選題意義隨著新航運(yùn)要求的出現(xiàn)，對(duì)船舶要求也有所提高。為解決船舶電站自動(dòng)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(diǎn)，甚至在情況嚴(yán)重下，會(huì)造成系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，因此開(kāi)發(fā)一套穩(wěn)定、高效、實(shí)時(shí)的基于PLC的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)，是迫切需要的。闡述了基于S7200 PLC的船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)電力管理系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與在線修改[1]。在船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用S7200PLC實(shí)現(xiàn)船舶電站的邏輯控制和總體控制，替代繼電器系統(tǒng)和電子電路控制系統(tǒng)，故障率大大減少。PLC船舶電站控制系統(tǒng)便于系統(tǒng)參數(shù)的在線監(jiān)視與在線修改。設(shè)計(jì)電站以兩臺(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。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)。(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。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。(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。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。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。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。(3)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并車：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。(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。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)。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。(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。總之，觸摸屏不僅有顯示功能，而且還有操作功能。自動(dòng)化系統(tǒng)的方框圖如下： 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。 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。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。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。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)。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。 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： 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)。(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。 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、鍵盤輸入、聲光報(bào)警等。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。設(shè)計(jì)的各主要模塊有：自動(dòng)起動(dòng)模塊、并車運(yùn)行模塊、調(diào)頻調(diào)載模塊、重載詢問(wèn)模塊、自動(dòng)解列模塊和自動(dòng)停機(jī)模塊。 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)。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。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。下圖為具有三次起動(dòng)功能的起動(dòng)流程： 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。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。因此，并車時(shí)應(yīng)使合閘沖擊電流最小，合閘后能迅速進(jìn)入同步并聯(lián)運(yùn)行。(2)檢測(cè)電網(wǎng)與待并發(fā)電機(jī)的電壓頻率差，并根據(jù)頻差對(duì)待并機(jī)頻率發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，使兩者之間頻率差減小，當(dāng)其與電網(wǎng)頻率接近設(shè)定要求時(shí)，就可滿足合閘條件。并車合閘流程圖如下： 并車合閘流程圖 And closing operation flow chart從上圖中可以看出，當(dāng)接到并車指令時(shí)，系統(tǒng)分別先檢測(cè)電網(wǎng)和待并機(jī)電壓差、頻率差和相角差，而實(shí)際操作電站要按船舶電站的規(guī)范要求設(shè)定。5％額定；頻率差整定范圍為177。的電角度。要根據(jù)主開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間來(lái)確定設(shè)定的提前時(shí)間，可用核定超前時(shí)間法。而PLC控制器的運(yùn)算數(shù)度都在每千步邏輯指令在1ms以內(nèi)。原理如圖所示： 恒定時(shí)間的獲取 Constant time access