【正文】 題目：基于 PLC 的船舶電站自動化 系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 院 (系 )別 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 二○一三年六月 原 創(chuàng) 聲 明 本人李枝賀鄭重聲明：所呈交的論文“基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(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。除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，對本文的研究做出重 要貢獻(xiàn)的個人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明，本人完全意識到本聲明的法律后果，尊重知識產(chǎn)權(quán)，并愿為此承擔(dān)一切法律責(zé)任。下位機(jī)以 PLC作為主要控制裝置，上位機(jī)用工業(yè) PC機(jī)作為管理裝置。在這種點對點的控制系統(tǒng)中，下位機(jī)可以完成發(fā)電機(jī)組的起動、停機(jī)控制、調(diào)頻調(diào)載以及機(jī)、電故障處理等；上位機(jī)進(jìn)行機(jī)組的并聯(lián)運行、解列、重載詢問等。這種集散式控制系統(tǒng)充分體現(xiàn)了分散控制和集中管理的優(yōu)點。大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)化、模塊化，還可以使微機(jī)控制系統(tǒng)的體積、重量大大減少，工作可靠性提高。計算機(jī)控制由大型機(jī)集中控制方式發(fā)展到多微機(jī)分散控制方式，工作可靠性 提高 ；進(jìn)而出現(xiàn)由多級計算機(jī)構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)，應(yīng)用光纖通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等 。 早在 60 年代初期，日本、德國、英國等國就有電站單元自動化裝置，如：英國的 MMF 自動并車裝置，日本的 XET 自動并車裝置和 XPT 自動負(fù)荷分配裝置。隨著微型計算機(jī)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，在 80 年代初期國外研制成功了微型計算機(jī)單 機(jī)控制系統(tǒng)，如：用在我國 “ 德大 ” 輪上的日本大發(fā)公司配套的電站自動化控制系統(tǒng)，廣州遠(yuǎn)洋公司 15000 噸上使用的丹麥 SEMCO 公司的 APM 電動自動化系統(tǒng)。 目前我國船舶電站自動化裝置的研制和生產(chǎn)水平相對較低，船用電站管理系統(tǒng)國產(chǎn)化率很低，大約有 90%來自國外，而國外采用 PLC 控制技術(shù)研制的船舶電站自動化系統(tǒng)，功能完善，技術(shù)先進(jìn)，但是技術(shù) 壟斷嚴(yán)重。船舶自動化電站是集自動控制、報警和監(jiān)測于一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到現(xiàn)代控制技術(shù)、通訊、信息處理、數(shù)字化信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科和技術(shù)。 隨著工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，自電氣自動化控制領(lǐng)域的重要組成部分PLC 問世以來，引起了國內(nèi)外電氣行業(yè)的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景 和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。 眾所周知， PLC 適用于多種場合中的檢測、監(jiān)控自動化?；?PLC的船舶電站系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在線故障診斷。 目前我國的船舶電站自動化系統(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化，早日實現(xiàn)國產(chǎn)化意義重大。其中船舶電站是船舶所需的全部電能的來 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，并對所有電力負(fù)載進(jìn)行配電的開關(guān)和控制設(shè)備的組合裝置，也是對電力系統(tǒng)進(jìn)行測量、監(jiān)視、保護(hù)的控制裝置。當(dāng)起動某些大容量負(fù)載起動時，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，同時將沖擊電網(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)定運行的能力。集散式系統(tǒng)就是集計算機(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，對提高系統(tǒng)或者全船整體可靠性是有積極意義的。現(xiàn)場控制設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的雙向網(wǎng)絡(luò)通信靠現(xiàn)場總線來實現(xiàn)。從分散危險的原則上，設(shè)置獨立的控制子網(wǎng)。利用圖像控制功能，在人機(jī)界面實現(xiàn)良好的對話效果。 船舶電氣自動化領(lǐng)域展望，在計算機(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)用將會給船舶電站自動化帶來重大的變革。 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正在經(jīng)歷著從集中型計算機(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、多微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)→網(wǎng)絡(luò)型 (智能式 )計算 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 PLC 在船舶電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用 PLC 概述 國際電工委員會 (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，它采用可編程序的儲存器，用來在其內(nèi) 部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)等操作的命令，并通過數(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)過程。 可編程控制器 (Programmable Logic Controller)簡稱 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。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 PLC 的工作原理 PLC 的工作原理與計算機(jī)的工作原理是基本相似，它通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制任務(wù)。循環(huán)掃描方式是指在執(zhí)行程序的過程中，對各個過程輸入信號進(jìn)行收集，對收集信號進(jìn)行處理和計算，并把計算結(jié)果輸出到生產(chǎn)過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去。 隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展，其集成度 越來越高，網(wǎng)絡(luò)及通信功能越來越強(qiáng)，可靠性和控制功能越來越好，這些都使 PLC更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域當(dāng)中。一般的 PLC 都有幾百個內(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 PLC 進(jìn)行編程。另外， PLC 與繼電器控制比較有運行速度快、可靠性和壽命高的優(yōu)點。 本課題背景及選題意義 隨著新航運要求的出現(xiàn)，對船舶要求也有所提高。 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，甚至在情況嚴(yán)重下，會造成系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，因此開發(fā)一套穩(wěn)定、高效、實時的基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)，是迫切需要的。闡述了基于 S7200 PLC 的船舶電站自動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，自動電力管理系統(tǒng)參基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 6 數(shù)的在線監(jiān)視與在線修改 [1]。在船舶電站自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用 S7200PLC 實現(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)計電站以兩臺發(fā)電機(jī)組為例，下位機(jī) PLC 可通過輸入 輸出接口與發(fā)電機(jī)組和現(xiàn)場儀表相連接，與上位 PC 機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接。 結(jié)構(gòu)的安排： (1)首先充分論述自動化電站的組成、原理、功能、要求，在了解控制器功能和監(jiān)測技術(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)計界面設(shè)計，實現(xiàn)對電站的分散控制和集中 管理功能。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 2 船舶電站自動化管理系統(tǒng) 船舶電站自動化管理系統(tǒng)的總體構(gòu)成 船舶電站的自動化管理系統(tǒng)一般由電站自動控制、監(jiān)測報警和安全系統(tǒng)組成： (1)控制系統(tǒng)：能實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動起動、并車和解列，還可以實現(xiàn)電站功率的自動管理及電壓、頻率的穩(wěn)定，且可處理電站中出現(xiàn)的故障。 (2)自動檢測報警系統(tǒng)：此系統(tǒng)的主要功能是自動地實施監(jiān)測電站各設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)，有原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)和運行狀態(tài)，檢測量包括開關(guān)量和模擬量。最后，系統(tǒng)可以對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行記錄、打印，并對超限參數(shù)進(jìn)行記錄。如果電站控制和監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中發(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，安全系統(tǒng)能自動產(chǎn)生保護(hù)動作，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)潤滑。 (3)發(fā)電機(jī)組的自動并車：通過采集電壓、頻率的基本參數(shù)，經(jīng)過一定的計算發(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)運行。 (5)運行機(jī)組臺數(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)的管理模式運行，充分利用每臺機(jī)組的功率，降低發(fā)電成本。若滿足，則允許其啟動，否則，應(yīng)先起動另一臺備用發(fā)電機(jī)，使之并網(wǎng)，然后允許其起動。自動分級卸載：確保重要設(shè)備連續(xù)供電，在過載的情況時將非重要負(fù)載自動切斷。 (9)機(jī)組的保護(hù)：自動化電站除了設(shè)有和基本電站一樣的過載、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?？傊|摸屏不僅有顯示功能，而且還有操作功能。 自動化系統(tǒng)的方框圖如下： 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 發(fā) 電 機(jī) 組狀 態(tài)電 網(wǎng)自 動巡 回檢 測電站監(jiān)測電 站 自 動 化 系 統(tǒng)負(fù)載管理負(fù) 載 自 動 切 入重 載 詢 問自 動 并 車自 動調(diào) 頻 調(diào) 載發(fā) 電 機(jī) 組自 動 起 動 控 制功 率自 動 分 配自 動 解 列機(jī) 組 控 制 圖 電站自動化系統(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、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，它們共同來完成電站運行的自動控制和自動管理。電站系統(tǒng)各下位機(jī)的監(jiān)測控制和信息管理由工業(yè) PC 控制機(jī)來完成，除此，亦可顯示電站系統(tǒng)任何運行過程的全部信息，并存儲在存儲器中，必要時 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 PLC 的控制作用由工業(yè) PC 機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，來完成整個電站的監(jiān)控任務(wù)。另外，本系統(tǒng)還具有如下優(yōu)點： (1)改善了系統(tǒng)的運行可靠性，單元故障只影響局部，而且具有自診斷、報警功能； (2)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展方便。 信號的采集及處理 PLC 與發(fā)電機(jī)組之間的信號傳輸與電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)之間傳遞的信號如下圖所示： 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 柴 油 機(jī) 發(fā) 電 機(jī) 電 網(wǎng)氣瓶壓力滑油壓力排煙溫度冷卻水溫度電 壓電流有功功率相位差繞組溫度電壓電流頻率有功功率可 編 程 控 制 器調(diào) 速 器 起 、 停 執(zhí) 行 單 元 主 開 關(guān)減速模 擬 轉(zhuǎn) 換 器加速起動停車頻率并網(wǎng)脫網(wǎng) 圖 PLC 與發(fā)電機(jī)組之間的信號傳遞圖 Signal transmission between PLC and generating set figure (1)關(guān)于電網(wǎng)的信號 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關(guān)線圈的開關(guān)狀態(tài)。 (3)關(guān)于柴油機(jī)的信號 起動空氣瓶壓力 、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。 檢測單元的設(shè)計 機(jī)組的測量控制單元包括模擬量輸出／輸入、開關(guān)量輸出／輸入、鍵盤輸入、聲光報警等。上位的工業(yè)控制機(jī)可以實現(xiàn)控制、顯示、記錄和打印的功能。設(shè)計的各主要模塊有：自動起動模塊、并車運行模塊、調(diào)頻調(diào)載模塊、重載詢問模塊、自動解列模塊和自動停機(jī)模塊。 機(jī)組的自動起動模塊及流程圖 要起動發(fā)電機(jī)機(jī)組的情況有：電站儲備功率不足需要增加機(jī)組時、運行機(jī)組故障需要換機(jī)時、或者電網(wǎng)失去電時。 當(dāng)系統(tǒng)檢測到電站儲備功率不夠時，就會產(chǎn)生增機(jī)指令，與此同時需起動機(jī)組起動的邏輯條件也應(yīng)被檢測，只有起動的邏輯條件滿足，才發(fā)出起動指令。在自動起動過程中，還必須對機(jī)組是否成功起動進(jìn)行 檢測，若不是三次起動，在一定時間間隔后，重新起動；若機(jī)組起動三次仍不成功，則向上位機(jī)報告，聯(lián)系另一臺 PLC，起動其相應(yīng)的機(jī)組。 下圖為具有三次起動功能的起動流程 ： 基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn) 14 起 起 起 起起 起 起 起起 起 起起 起 起 起T 起 起 起起 起 起T 起 起 起起 起 起 起起 起 起起 起 起起 起 起 起起 起 起 起 起起起 起 起 起起 起 起 起起起起起起 起起 起 起 起起起起起起起起起起起 圖 發(fā)電機(jī)組起動程序流程圖 Generator set start program flow chart 在起