姜 濤，于春光

●（中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

基于PLC的自升式平臺的自動電站

姜 濤，于春光

●（中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

中交一航局第二工程有限公司新建的自升式平臺采用先進的工業(yè)控制技術(shù)、計算機通訊技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)，建立了船舶自動電站，提高了船舶安全性、可靠性和經(jīng)濟性。本船電站管理系統(tǒng)采用1套西門子S7-200可編程序控制器和3臺丹麥DEIF的PPU，每臺發(fā)電機組由各自的PPU控制，S7-200可編程序控制器和PPU之間通過Modbus-RTU型現(xiàn)場總線通信。

可編程序控制器；PPU；自動電站

0 引言

船舶電站是船舶的核心組成部分。平臺抬升作業(yè)時，電站要保證安全、穩(wěn)定、可靠地供電。而電站的可靠取決于電站的控制系統(tǒng)、發(fā)電機組的控制系統(tǒng)、發(fā)電機組、配電板等。PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上，引入微電子和計算機技術(shù)而形成的一種新型的工業(yè)控制裝置，該裝置采用可編程序的控制器，以執(zhí)行邏輯計算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)計算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入、輸出信號控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程，其體積小、功耗低、速度快、功能強、尤其是抗干擾性強的特點完全適應(yīng)船舶機艙的惡劣環(huán)境有極強的可靠性。PLC應(yīng)用于船舶自動電站，大大地提高了電站供電的連續(xù)性和極高的可靠性，增強了船舶的生命力，改善了船員的工作條件，降低了勞動強度，同時提高了船舶的經(jīng)濟運行指標(biāo)。

中交一航局第二工程有限公司新造的自升式拋石整平船和沉管浮運安裝船的自動電站就是采用了 PLC和PPU結(jié)合的自動電站管理系統(tǒng)，下邊以自升式拋石整平船為例對此系統(tǒng)做簡單介紹。

1 自升式拋石整平船的電力負(fù)荷

本船有 6臺 40t電動變頻錨絞車，每臺絞車電機為110kW變頻電機。本船設(shè)有4根樁腿，每根樁腿設(shè)有8套抬升裝置，每套裝置由一臺22kW變頻電機驅(qū)動，共計32臺22kW變頻電機，此外還有功率160kW的克令吊1臺，以及其他常規(guī)船用設(shè)備。經(jīng)計算，本船設(shè)3臺500kW發(fā)電機組作為主發(fā)電機組，1臺200kW發(fā)電機組作為應(yīng)急和停泊發(fā)電機組。當(dāng)船體抬升或移船定位作業(yè)時，2臺500kW發(fā)電機組并聯(lián)使用，1臺500kW發(fā)電機作為備用，此時電站負(fù)荷率為84%和63%；在拋石整平作業(yè)時，1臺500kW發(fā)電機組單獨使用，另2臺500kW發(fā)電站作備用，此時電站負(fù)荷率為79%；在錨泊和拖航時，1臺200kW發(fā)電機組作為停泊發(fā)電機組使用，此時電站負(fù)荷率為72%。

2 本船自動電站的主要功能

本船自動電站的功能為：自動起、停備用發(fā)電機，自動同步、自動調(diào)頻調(diào)載，自動進行負(fù)載分配，自動卸載等，以保證電網(wǎng)供電的連續(xù)性和經(jīng)濟性。

1）電網(wǎng)失電時，備用電源自動投入電網(wǎng)供電；2）負(fù)載超過整定值作報警并起動備用電源；3）電網(wǎng)自動卸載；4）電網(wǎng)負(fù)荷減少時運行機組自動解列；5）重要負(fù)載順序重新自起動；6）重載詢問功能；7）自動電站自檢功能；8）手動并車；9）報警及故障處理[1]。

3 本船自動電站管理系統(tǒng)的組成與功能實現(xiàn)

3.1 本船自動電站的基本構(gòu)成

本船自動電站采用基于網(wǎng)絡(luò)控制的船舶電站，主站為西門子S7-200型可編程序控制器，主站通過Modbus-RTU網(wǎng)絡(luò)與機艙監(jiān)控臺通信，同時PPU通信。

圖1給出了3臺發(fā)電機組運行時的自動電站系統(tǒng)布置圖。系統(tǒng)由1臺西門子S7-200型可編程序控制器和3臺DEIF公司的PPU組成，其主要作用：1）西門子S7-200型可編程序控制器。由帶有PPI通訊口和Modbus-RTU通訊口的模塊，用于發(fā)電機控制的開關(guān)量輸入/輸出模塊和柴油機的開關(guān)量輸入/輸出模塊組成。2）PLC采集發(fā)電機組的現(xiàn)場信息和發(fā)電機組保護/并車單元傳遞過來的信息，負(fù)責(zé)對3臺發(fā)電機組進行開關(guān)聯(lián)鎖、主電網(wǎng)失電管理、發(fā)電機組超載并網(wǎng)管理、輕載解列等。

根據(jù)本船的主要功能，主配電板有104個開關(guān)量輸入信號，96個開關(guān)量輸出信號，考慮到系統(tǒng)的可靠性和可擴展性，本船自動電站PLC配置如圖2。從圖2可以看出，PLC主CPU模塊型號為CPU226，最大具有16384b的在線程序存儲器，24數(shù)字量輸入，16數(shù)字量輸出，最大允許擴展7個I/O模塊，7個智能模塊。該CPU具有2個RS-485接口，可實現(xiàn)CPU分別與PPU和機艙監(jiān)控臺的通訊。在 PLC程序中調(diào)用 Modbus-RTU通訊功能模塊MBUS-CTRT-P1和MBUS-MSG-P1，實現(xiàn)PLC中的數(shù)據(jù)寫入PPU或者從PPU中讀取數(shù)據(jù)。

圖1 自動電站系統(tǒng)布置圖

圖2 自動電站PLC配置

PLC中還配置了5個EM223 input16/output16模塊，PLC通過CPU226和EM223模塊接收配電板、組合屏及PPU單元信號，經(jīng)過PLC程序的邏輯運算和處理，對發(fā)電機進行控制，并將其狀態(tài)顯示在配電板和機艙監(jiān)控臺。

發(fā)電機保護和控制器（PPU）是一種十分智能的電站管理儀器，能夠根據(jù)電站的實際運行情況自動判斷各種參數(shù)是否滿足實際工況，從而實現(xiàn)自動電站的各種功能。

3.2 自動電站的管理功能的實現(xiàn)

本船的管理功能主要有：主電網(wǎng)失電、發(fā)電機組超載自動并車、一級卸載管理、輕載解列管理等，這里簡單介紹主電網(wǎng)失電管理流程（圖3）。

如圖3所示，在電站自動模式下，當(dāng)主電網(wǎng)失電時，電力系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的備用機組順序首先啟動第一備用機組，在規(guī)定的延時（7s）內(nèi)，若未將第一備用機組啟動，則繼續(xù)進行第二、第三次啟動。如果都不成功，則發(fā)出啟動失敗報警信號，然后啟動其他備用機組。若啟動成功，則先等發(fā)電機建立電壓之后再進行主開關(guān)合閘動作。若合閘失敗，則發(fā)出合閘失敗報警信號，并啟動其他備用機組。若合閘成功則主電網(wǎng)恢復(fù)供電，管理流程結(jié)束。

圖3 主電網(wǎng)失電管理流程

4 程序設(shè)計

本船自動電站軟件采用STEP7-MrcioWIN_V40_SP6進行編制，該軟件有三種形式編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。本船采用梯形圖（LAD）和模塊化設(shè)計方法進行控制程序的編譯，從而提高了程序的可讀性。

梯形圖（LAD）編輯器以圖形方式顯示程序，與電氣接線圖類似。梯形圖程序允許程序仿真來自電源的電流通過一系列的邏輯輸入條件，決定是否啟用邏輯輸出。一個LAD程序包括左側(cè)提供功率流的能量線。閉合的觸點允許能量通過它們流到下一個元素，而打開的觸點阻止能量的流動。它主要由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點代表邏輯“輸入”條件，如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等。線圈通常代表邏輯“輸出”結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器、中間繼電器和內(nèi)部的輸出條件等。功能塊代表附加指令，如定時器、計數(shù)器或者數(shù)字運算指令[2]。本船電站程序包含了1個主程序和18個子程序，如圖4所示。

梯形圖（LAD）編輯器程序形式如圖5所示。

圖4 電站程序

圖5 梯形圖編輯器程序形式

5 結(jié)論

自升式平臺的自動電站經(jīng)安裝調(diào)試后滿足設(shè)計要求，各項指標(biāo)符合船舶使用要求。基于PLC的自動電站可靠性高，耐惡劣環(huán)境，使用方便，功能擴展靈活，在船舶電站的應(yīng)用會越來越廣泛。

[1]張江龍. 船舶電力系統(tǒng)的分析與設(shè)計[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2010.

[2]秦立新, 劉州. 船用電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].艦船電子工程, 2006(2): 102-103.

Automatic Power Station Based on PLC's Jack-up Platform

JIANG Tao, YU Chun-guang
(No.2 Engineering Company Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd., Shandong Qingdao 266071, China)

New jack-up platform from No.2 Engineering Company Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd. adopts state-of-the-art industrial control technology, computer communications technology and the field bus technology. The automatic power plants for the ship are established. The safety, reliability and economy of the ship are greatly improved. The power plant management system uses a set of Siemens S7-200 programmable logic controller and 3 sets of PPU from DEIF of Denmark. Each generator group is controlled by the respective PPU. Between S7-200 programmable controller and PPU communicates via a high-speed and reliable Modbus-RTU field bus.

programmable controller; PPU; automatic power station

U664.14

A

姜濤（1980-），男，工程師。主要從事港口工程施工船舶管理工作。