摘 要：介紹了一種基于PLC+PPU的船舶自動化電站，并闡述了該船舶自動化電站主要組成及功能原理。

關(guān)鍵詞：船舶電站；自動化；可編程序控制器PLC；發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)器PPU

中圖分類號：F49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3198（2013）14-0168-02

1 概述

船舶電站是向全船用電設(shè)備提供電能的發(fā)電和配電的組合裝置，是船舶電力系統(tǒng)的核心組成部分，其運(yùn)行的安全性和可靠性對保證船舶正常安全航行、增強(qiáng)船舶運(yùn)行的生命力有著極其重要的意義?，F(xiàn)代化船舶電氣控制設(shè)備自動化程度隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展日新月異，對船舶電站的工作可靠性、功能全面性要求也越來越嚴(yán)格，不僅要保證在最惡劣的海況下不中斷對船舶重要輔助動力機(jī)械的供電，還要能在工況復(fù)雜多變的情況下，保持較高的供電品質(zhì)，具有全船電力動態(tài)分配、調(diào)頻調(diào)載、能效控制的全自動電站正是此背景情況下應(yīng)運(yùn)而生。

可編程序控制器PLC又稱指令式順序控制器，在工作原理和裝置結(jié)構(gòu)上都與計(jì)算機(jī)類似，但與計(jì)算機(jī)相比，卻具有組合靈活，擴(kuò)展方便，實(shí)用性強(qiáng)、成本低、工作可靠性強(qiáng)悍等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算器、存儲器、控制器等部件都比計(jì)算機(jī)簡單。PLC采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，其系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。日、韓及歐美等造船業(yè)發(fā)達(dá)國家利用PLC配合計(jì)算機(jī)對船舶電站進(jìn)行能效控制，已成功構(gòu)成船舶全自動電站。

基于微處理器技術(shù)的丹佛斯發(fā)電機(jī)專用的保護(hù)和并車控制單元PPU（Protection and Paralleling Unit），主要用于控制船舶電力網(wǎng)絡(luò)的電力分配，并以多種方式監(jiān)視保護(hù)、控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)電能分配，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的逆功率、欠壓保護(hù)和自動整步、自動投入、自動調(diào)頻調(diào)載功能。PPU控制發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行及同步之后所有必要的控制和保護(hù)，可以交付給PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，PLC可根據(jù)負(fù)荷變化自動增加或減少發(fā)電機(jī)數(shù)量，根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況自動完成故障轉(zhuǎn)機(jī)和故障報(bào)警，對船舶非重要輔助機(jī)械供電優(yōu)先卸載，重要動力設(shè)備斷電后采用順序啟動等功能。PPU可以進(jìn)行循環(huán)自檢并將錯(cuò)誤信息通過文字方式顯示出來，也可通過繼電器觸點(diǎn)輸出給綜合報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警顯示。

由于上述優(yōu)點(diǎn)，基于可編程序控制器（PLC）配合發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)器（PPU）的船舶自動化電站的研究在我國得到了迅猛的發(fā)展。我司建造的青島27車/480客位滾裝渡船就成功采用了基于PLC+PPU的船舶自動化電站，現(xiàn)對該電站的主要組成及功能原理作一介紹。

2 船舶電站組成

我司建造的青島27車/480客位滾裝渡船船舶自動化電站由二臺250kW柴油主發(fā)電機(jī)組和主配電板組成。該船為了進(jìn)出港時(shí)增加操縱性能，設(shè)置了一套200kW艏側(cè)推裝置。二臺250kW主發(fā)電機(jī)組在船舶航行狀態(tài)下一用一備，使用艏側(cè)推裝置時(shí)必須并車使用。

主配電板設(shè)有發(fā)電機(jī)屏二面，艏側(cè)推控制及并車屏一面，380V負(fù)載屏及岸電接入屏一面，組合啟動屏二面及220V負(fù)載屏一面。主配電板內(nèi)主匯流排分為獨(dú)立的二段，通過隔離開關(guān)連接，為船舶安全航行所必需的雙套設(shè)備均分接在兩段匯流排上。

配電板分布簡圖如圖1：

3 船舶電站功能

船舶電站的基本功能主要分為控制功能和安全保護(hù)功能兩大部分。

3.1 控制功能

船舶電站的控制有手動、半自動和自動三種方式。

（1）手動控制功能。

在PLC控制器和PPU控制器不能正常使用的條件下，可以通過手動功能使用船舶電站，保證船舶正常航行。其功能主要包括：

啟動柴油發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)同步，連接發(fā)電機(jī)至匯流排，并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)載荷分配，卸載、解列和停車，連接重載。

（2）半自動控制功能。

在PLC控制器不能正常使用的條件下，可以通過半自動功能使用船舶電站，保證船舶航行。采用PPU作為整步和調(diào)頻調(diào)載設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的自動整步，自動投入，自動調(diào)頻調(diào)載。

當(dāng)單臺發(fā)電機(jī)供電時(shí)，PPU處于自動穩(wěn)頻工作方式，能夠自動調(diào)節(jié)調(diào)速器，保證發(fā)電機(jī)輸出電壓頻率穩(wěn)定在50Hz。

當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，PPU處于自動調(diào)頻調(diào)載工作方式，自動均勻分配每臺發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，保持頻率穩(wěn)定，負(fù)載分配均勻。

當(dāng)需要解列發(fā)電機(jī)組時(shí)，能自動減少解列機(jī)組功率，直至負(fù)載接近為零時(shí)切除發(fā)電機(jī)，減少對電網(wǎng)的沖擊。

（3）自動控制功能。

當(dāng)電站處于自動功能時(shí)，全船電站將由PLC、PPU自動控制，主開關(guān)手動分合閘按鈕失效。除具有手動功能的功能特點(diǎn)外，能夠自動啟動柴油機(jī)組，自動根據(jù)負(fù)荷變化增加或減少發(fā)電機(jī)數(shù)量，自動調(diào)頻調(diào)載。

當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，能夠及時(shí)啟動備用發(fā)電機(jī)，待并車成功后能自動停止故障機(jī)組。

當(dāng)全船失電時(shí)，能夠自動啟動備用機(jī)組，并立即投入。

當(dāng)出現(xiàn)艏側(cè)推請求時(shí)能自動啟動并投入備用發(fā)電機(jī)組，并閉合艏側(cè)推空氣斷路器，滿足艏側(cè)推用電要求。

3.2 安全保護(hù)功能

本電站集成了柴油發(fā)電機(jī)組和電站自身的大部分必須的故障報(bào)警，當(dāng)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生二類故障時(shí)（如發(fā)電機(jī)冷卻水高溫、滑油壓力低、滑油溫度高、冷卻水溫度高），能自動降低故障柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)負(fù)荷，發(fā)出報(bào)警、卸載、停機(jī)信號等。當(dāng)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生一類故障時(shí)（如超速、滑油失壓、冷卻水溫過高），故障發(fā)電機(jī)組立即停機(jī)，配電板上發(fā)電機(jī)主開關(guān)脫扣，配電板匯流排失電，自動啟動備用柴油發(fā)電機(jī)組并自動投入電網(wǎng)恢復(fù)供電；發(fā)電機(jī)過載時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警并卸載；發(fā)電機(jī)電流過流時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警并卸載；發(fā)電機(jī)逆功率時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)脫扣。

4 PLC+PPU系統(tǒng)硬件組成及軟件說明

4.1 硬件組成

由于本電站的PLC+PPU系統(tǒng)為全自動作業(yè)方式，對機(jī)組工作的可靠性要求很高，我們選擇西門子S7-200 CPU-224 DC/DC/繼電器型可編程控制器PLC作為控制機(jī)。該可編程控制器功能完善，組合靈活，擴(kuò)展方便，實(shí)用性強(qiáng)，指令豐富，性價(jià)比高，而且信息處理速度快，能滿足本系統(tǒng)控制精度的要求。

本系統(tǒng)中可編程控制器PLC是其核心元器件，綜合考慮控制功能及要求，主要選擇如下設(shè)備：

（1）CPU224 DC/DC/DC 14輸入/lO晶體管輸出 l套。

（2）EM223數(shù)字量輸入輸出模塊，晶體管輸出（6ES7223-IPL20-OXAO）3套。

16點(diǎn)輸入，24VDC，16點(diǎn)輸出，24VDC

本系統(tǒng)中主要檢測部件為電流及電壓互感器、電流及電壓變送器、巡檢設(shè)備以及各類繼電器。輸出設(shè)備則包括各類控制繼電器，顯示設(shè)備及信號指示等。

對發(fā)電機(jī)及匯流排的電壓、電流測量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動調(diào)頻調(diào)載、自動加減機(jī)、主開關(guān)的自動合分閘，我們選擇了二臺丹佛斯發(fā)電機(jī)專用的保護(hù)和并車控制單元PPU配合PLC實(shí)現(xiàn)。

丹佛斯的發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)器PPU集成了所有同步發(fā)電機(jī)必要的控制和保護(hù)功能，其包含了發(fā)電機(jī)三相電路的測量并能顯示參數(shù)和報(bào)警在PPU顯示面板上。用戶可通過PPU顯示面板（受密碼保護(hù)）或通過RS232接口利用基于WINDOWS的服務(wù)軟件進(jìn)行編程。PPU的服務(wù)軟件還提供了在線監(jiān)測所有系統(tǒng)參數(shù)、保存/下載系統(tǒng)設(shè)定和進(jìn)行軟件升級。PPU與PLC配合使用，PLC的接口可通過開關(guān)量和摸似量的輸入輸出或串行接口實(shí)現(xiàn)，而PPU能進(jìn)行循環(huán)自檢并將錯(cuò)誤信息以清楚的文字顯示出來，也可通過繼電器觸點(diǎn)輸出給綜合報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警顯示。

4.2 軟件簡要說明

本自動電站程序采用分層結(jié)構(gòu)，每層劃分若干個(gè)獨(dú)立的功能模塊。每個(gè)模塊對外設(shè)計(jì)為PLC程序標(biāo)準(zhǔn)接口，利用可編程控制器PLC的調(diào)子程序的功能連接在一起，使整個(gè)程序?qū)哟畏置?，模塊獨(dú)立性強(qiáng)、耦合度低。

軟件采用STEP7一Micro/WIN32 V3.2編程軟件，軟件程序包括有：主程序，公共子程序，監(jiān)控子程序，自動子程序，半自動子程序，首機(jī)起動子程序，首動合閘子程序，備用機(jī)起動子程序，備用機(jī)合閘子程序，一號機(jī)起動子程序，一號機(jī)合閘子程序，二號機(jī)起動子程序，二號機(jī)合閘子程序，解列子程序，停機(jī)子程序，備機(jī)減機(jī)子程序，首機(jī)起動失敗處理子程序，首機(jī)合閘失敗處理子程序，首機(jī)單運(yùn)故障處理子程序，雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行故障處理子程序，故障標(biāo)志清除子程序，中斷例行程序等。

軟件具體設(shè)計(jì)由于篇幅限制，在此不作贅述。

5 結(jié)論

本文介紹的基于可編程序控制器（PLC）配合發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)器（PPU）的船舶自動化電站，在我司建造的青島27車/480客位滾裝渡船上應(yīng)用成功，該船海上航行實(shí)驗(yàn)證明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)從硬件、軟件及主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上都是合理和可行的，該船配置的全自動電站提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及快速并網(wǎng)的能力。

參考文獻(xiàn)

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