李偉翔，施偉鋒，張威，徐培杰

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基于PLC和觸摸屏的船舶電力推進監(jiān)控裝置設(shè)計

李偉翔，施偉鋒，張威，徐培杰

（上海海事大學(xué) 電氣自動化系，上海 201306）

為提高船舶電力推進的控制質(zhì)量與安全可靠性，設(shè)計了基于施耐德M340 PLC和XBTGT7340觸摸屏的電力推進系統(tǒng)監(jiān)控裝置。裝置的硬件方面，以Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)，運用ATV61變頻器實施推進電機控制，運用PM850和ION7650兩種電力參數(shù)檢測儀表實施推進系統(tǒng)監(jiān)視。裝置的軟件方面，在完成現(xiàn)場總線通訊、推進系統(tǒng)故障報警編程的基礎(chǔ)上，鑒于船舶航行海況等因素對于推進系統(tǒng)安全運行的巨大影響，設(shè)計了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合的控制方式和兩種控制方式進行無擾動切換的邏輯功能。裝置制作完成后進行的推進電機控制實驗表明，其功能可以滿足船舶電力推進監(jiān)控的主要要求。

船舶電力推進 監(jiān)控裝置 PLC 觸摸屏 人機界面

0 引言

船舶電力推進系統(tǒng)具有操縱靈活、低速性能好、經(jīng)濟性高等優(yōu)點，因而得到越來越多的應(yīng)用。電力推進系統(tǒng)的控制對象包括發(fā)電機、變壓器、變頻器、電機等設(shè)備[1]，非線性元件多，電能質(zhì)量復(fù)雜，不僅要考慮推進電機的起動、調(diào)速等控制對電網(wǎng)的影響，而且要根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)及時調(diào)整推進電機的控制。此外，隨著船舶全網(wǎng)一體化的進程不斷發(fā)展，各系統(tǒng)之間相互作用，系統(tǒng)功率密度越來越高，要求船舶電力推進監(jiān)控平臺具備功能更強的監(jiān)控作用，并同時具備電能質(zhì)量管理、監(jiān)測報警等功能以提高電力推進穩(wěn)定性和安全性的要求。本文設(shè)計了基于施耐德M340 PLC和XBTGT7340觸摸屏的船舶電力推進監(jiān)控裝置。

1 船舶電力推進監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于現(xiàn)場監(jiān)控層，結(jié)合遠程監(jiān)控層兩層網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計[2]，網(wǎng)絡(luò)之間有通訊接口連接，如圖1所示。

現(xiàn)場監(jiān)控層：監(jiān)控部位將實體按鈕、旋鈕和狀態(tài)指示燈作為監(jiān)控指令發(fā)送和狀態(tài)顯示元件。通過電力參數(shù)測量儀表PM850和ION7650采集推進系統(tǒng)電力數(shù)據(jù)。通過I/O模塊掃描監(jiān)控指令和推進電機的實時狀態(tài)，以邏輯量形式顯示在現(xiàn)場監(jiān)控部位，并向變頻器發(fā)出頻率給定信號。

遠程監(jiān)控層：遠程監(jiān)控部位以XBTGT7340觸摸屏為主要設(shè)備。在觸摸屏中設(shè)計上位人機界面，實現(xiàn)電力推進的遠程監(jiān)控功能，提高信息集成度和自動化水平。主要功能包括推進電機的遠程調(diào)速、監(jiān)控部位的切換、電力推進參數(shù)與電機運行狀態(tài)的集中監(jiān)視、故障的監(jiān)測報警與處理及其他安全功能。

通信接口：裝置采用分布式現(xiàn)場總線，將電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控功能下放到現(xiàn)場級設(shè)備PM850和ION7650，最大限度利用現(xiàn)場信息，增加系統(tǒng)可靠性，降低成本。現(xiàn)場級設(shè)備采用RS485串行通信。遠程監(jiān)控設(shè)備采用基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)通信，以確保高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和實時性。通信接口通過以太網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換現(xiàn)場級設(shè)備的通信協(xié)議，并利用交換機建立以太局域網(wǎng)。

2 船舶電力推進監(jiān)控裝置軟件設(shè)計與編程

2.1 PLC監(jiān)控程序設(shè)計

一般推進系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速控制為主，而將轉(zhuǎn)矩控制僅用于對電機的保護。但在船舶起動階段、吃水較深或遭遇惡劣海況時，需要對轉(zhuǎn)矩進行控制，以獲取最大推力或應(yīng)對頻繁并且巨大的負載變化。裝置提升了轉(zhuǎn)矩控制的地位，設(shè)計了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合閉環(huán)控制策略，控制流程如圖2所示。輪機長在集控室收到駕駛室的船速傳令后，可根據(jù)情況選擇將船速指令轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速信號或轉(zhuǎn)矩信號，通過“轉(zhuǎn)矩分級限制”或“臨界轉(zhuǎn)速回避”環(huán)節(jié)的預(yù)處理后，再與各限幅環(huán)節(jié)進行選小，最后經(jīng)過PID控制器生成頻率信號傳給變頻器。轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合閉環(huán)控制策略不僅提高了船舶調(diào)速控制的靈活性，也能一定程度上減少強烈負載變化對船舶推進設(shè)備的損害，提高電機運行的穩(wěn)定性與安全性。

圖1 船舶電力推進監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC程序設(shè)計以轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PID調(diào)速程序為核心，設(shè)計了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制無擾動切換程序、基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制程序、推進電機起動程序、監(jiān)控部位切換程序、故障報警與處理程序等。

圖2 轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)聯(lián)合控制流程圖

2.1.1轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合控制程序設(shè)計

在電機處于高負荷運行的情況下對轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制進行直接切換，會導(dǎo)致電流突增，對電網(wǎng)產(chǎn)生擾動并損壞電機。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制的無擾動切換，裝置設(shè)計了切換條件以及請求和應(yīng)答操作流程，如圖3所示。駕駛臺沒有權(quán)限對推進電機進行轉(zhuǎn)矩控制，因此轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制的切換前提是當前操作權(quán)限在本地監(jiān)控部位。切換操作由輪機長進行，切換時要求調(diào)節(jié)相應(yīng)的車鐘以免在切換時產(chǎn)生擾動。

2.1.2基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制程序設(shè)計

在惡劣海況下，一般采用負荷控制方法。常用方法是“惡劣海況轉(zhuǎn)速控制”和“定油量模式控制”。文獻[3]對兩種控制策略進行了詳細的介紹。其不足在于，控制程序動作之后無法回歸到原來的控制方式或車鐘指令，自動化程度不夠高。

圖3 監(jiān)控部位切換程序流程

圖4 基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制過程

裝置采用了基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制方法。在轉(zhuǎn)矩控制模式下，當電機跟蹤到車令轉(zhuǎn)矩后，系統(tǒng)自動將穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速保存為參考轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速超限時，自動切斷轉(zhuǎn)矩輸出，待轉(zhuǎn)速回落至參考轉(zhuǎn)速后將轉(zhuǎn)矩輸出恢復(fù)至車令轉(zhuǎn)矩?；谵D(zhuǎn)矩控制的負荷控制過程示意圖和程序流程圖分別如圖4和圖5所示。該控制策略的優(yōu)點在于，在每次動作之后電機運行狀態(tài)都能恢復(fù)到之前的操作模式和車鐘指令，避免了重復(fù)操作，提升了自動化水平，并且轉(zhuǎn)速上限的設(shè)定更加靈活，進一步提升了轉(zhuǎn)矩控制的適用性。

2.2 駕駛室監(jiān)控人機界面軟件設(shè)計

根據(jù)電力推進遠程監(jiān)控的功能要求，在XBTGT7340觸摸屏中設(shè)計了遠程監(jiān)控人機界面。

圖5 基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制程序流程

2.2.1駕駛室監(jiān)控主界面設(shè)計

船舶電力推進監(jiān)控主界面是遠程監(jiān)控最重要的界面，應(yīng)可以顯示推進電機的基本運行參數(shù)和報警信息，點擊參數(shù)后，相關(guān)的文字信息、圖形儀表等會立刻顯現(xiàn)，同時還應(yīng)該可以通過軟鍵在不同界面之間進行切換和導(dǎo)航[4]，并具有車令發(fā)訊功能。裝置所設(shè)計的監(jiān)控主界面配備遙控模擬車鐘來對推進電機進行遠程調(diào)速，并顯示推進電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、頻率和功率等重要運行參數(shù)。界面上方的狀態(tài)欄中可獲悉系統(tǒng)當前狀態(tài)。點擊界面下方的軟鍵可進入切換監(jiān)控部位、限制功能、電能質(zhì)量和報警等子界面。

2.2.2監(jiān)控部位切換界面設(shè)計

裝置的監(jiān)控部位分為本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控，分別置于集控室和駕駛室中。當監(jiān)控部位進行切換時，需要在兩地進行請求-應(yīng)答操作，目的是對兩地車令和推進電機實際運行狀態(tài)進行同步性檢查，避免切換時產(chǎn)生擾動。裝置在觸摸屏中設(shè)計了位于遠程監(jiān)控部位的監(jiān)控部位切換界面。在該界面中可獲悉當前所處的監(jiān)控部位，在進行監(jiān)控部位切換操作時根據(jù)切換程序流程顯示未滿足的切換條件并發(fā)出聲光信息。該界面還實時顯示兩地車鐘情況，使切換過程更透明，降低錯誤率。

2.2.3限制功能界面設(shè)計

在非緊急情況下，一般要求推進監(jiān)控系統(tǒng)對推進電機的加減速率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行限制，限制值設(shè)為最大值的80%~90%，作用是減小電機在短時間內(nèi)的大功率輸出對電網(wǎng)的擾動以及長時間的高負荷運行對設(shè)備的損耗。限制功能在緊急情況下將自動失效，以發(fā)揮出推進電機的最大能力進行避險。裝置將該功能放在限制功能界面中。該界面顯示了所有限制功能，包括加減速率限制、臨界轉(zhuǎn)速回避、轉(zhuǎn)矩分級限制、最大/最小轉(zhuǎn)速限制以及最大/最小轉(zhuǎn)矩限制等。當車鐘指令超出限定值時，系統(tǒng)將以限定值運行，并且相關(guān)的限制功能顯示高亮，點擊可顯示詳細信息，并可選擇取消該限制功能。在限制功能界面還可以對限制值進行調(diào)節(jié)并預(yù)覽限制過程曲線。

2.2.4電力推進電能質(zhì)量監(jiān)視界面設(shè)計

船舶電力系統(tǒng)作為小容量的獨立電網(wǎng)，對電能質(zhì)量具有較高的要求。電力推進系統(tǒng)的電功率占電網(wǎng)總功率的50%以上[5]，且包含變頻器等眾多大容量的電力電子器件，運行過程中的諧波干擾會產(chǎn)生有功功率和無功功率損耗，導(dǎo)致電壓諧振，對船舶電網(wǎng)和主要負載及通信設(shè)備造成嚴重影響和損害[6]。因此，對電力推進系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)視至關(guān)重要。裝置在遠程監(jiān)控部位設(shè)計了電能質(zhì)量監(jiān)視界面，不僅能顯示電壓、功率、頻率等電力推進系統(tǒng)的常規(guī)電力參數(shù)，而且能對電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波、電壓閃變和波動進行實時監(jiān)測和計算，并在電能質(zhì)量低下時，為調(diào)整電網(wǎng)配電和電機運行方式、隔離對電壓擾動及諧波敏感的用電設(shè)備或投入諧波抑制設(shè)備等操作提供依據(jù)。

2.2.5監(jiān)控延伸報警界面設(shè)計

先進完善的延伸報警是實現(xiàn)無人機艙和船舶自動化的關(guān)鍵之一。在無人值班時，必須要將電力推進系統(tǒng)的故障報警信息傳送到駕駛室的延伸報警界面中[7]。本裝置設(shè)計的延伸報警界面，按故障嚴重程度將報警分為兩種：重要報警和次要報警。重要警報是指故障會直接導(dǎo)致電力推進系統(tǒng)無法運行或造成設(shè)備損壞，甚至威脅全船安全，包括：推進電機故障自動停車或降速、推進電機起動失敗、控制或切換邏輯錯誤、三相短路和斷路等。次要警報是指故障會影響電力推進系統(tǒng)運行效能或?qū)е略O(shè)備磨損，包括：轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩超限、電壓或頻率超幅、電能質(zhì)量異常等。故障發(fā)生時，界面將顯示故障文本信息和確認操作按鈕，并發(fā)出聲光信號。聲光信號將根據(jù)故障種類和持續(xù)時間進行不同形式的區(qū)分。延伸報警界面還具備故障記錄功能，顯示歷史故障的類型、發(fā)生的時刻、持續(xù)的時間等，便于進行故障分析[8]。

3 監(jiān)控裝置兩層網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

裝置是基于施耐德Modbus總線協(xié)議的分布式現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)。裝置通信采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體需求將任務(wù)合理分配給客戶端和服務(wù)器，發(fā)揮了客戶端的處理能力，降低了系統(tǒng)的通訊開銷，減輕了服務(wù)器的工作量[9]，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Modbus TCP/IP 通信結(jié)構(gòu)

Modbus是一種請求-應(yīng)答協(xié)議[10]。主站通過單播模式對從站進行讀寫操作。PM850和ION7650作為從站設(shè)備，采用基于RS-485串行鏈路的Modbus通信，通信過程中采用RTU傳輸方式，差錯校驗采用循環(huán)冗余校驗方式（CRC）。M340 PLC通過讀從站寄存器的方式獲取推進系統(tǒng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)。圖7所示的M340 PLC功能塊語言（FBD）“READ_VAR”將PM850采集并保存在寄存器內(nèi)的電力參數(shù)依次讀到PLC的內(nèi)存中。

圖7 PLC讀寄存器

4 結(jié)論

船舶電力推進監(jiān)控裝置作為推進控制的關(guān)鍵設(shè)備，其研究與應(yīng)用涉及PLC控制、人機界面設(shè)計、現(xiàn)場總線技術(shù)和電力參數(shù)檢測儀表應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，裝置設(shè)計在監(jiān)視方面實現(xiàn)了船舶電力推進的本地和遠程監(jiān)控、電能質(zhì)量監(jiān)視以及故障報警功能，在控制方面實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)聯(lián)合控制方式，提高了電力推進控制對于不同海況的適應(yīng)性。實驗表明，設(shè)計的船舶電力推進監(jiān)控裝置可以滿足船舶電力推進變頻調(diào)速監(jiān)控的要求，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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Design of Shipboard Electrical Propulsion Monitoring Control Device Based on PLC and Touch Screen

Li Weixiang, Shi Weifeng, Zhang Wei, Xu Peijie

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TP29

A

1003-4862（2014）12-0023-04

2014-05-21

上海市教委科研創(chuàng)新重點項目(12ZZ155)，高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20123121110003)

李偉翔（1990-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進系統(tǒng)監(jiān)控。