高闊，吳志良

（大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026）

0 引言

隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的發(fā)展，船舶制造中采用高壓電站已成趨勢。高壓電站與低壓電站相比，對于絕緣，綜合保護和功率管理提出了新的要求[1,2]。另外，船舶上智能儀表的大量應(yīng)用也產(chǎn)生兩個問題：其一,船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)的信息量大幅增加；其二,系統(tǒng)對于信息傳遞的實時性提出更高的要求。因此目前基于現(xiàn)場總線式的監(jiān)控系統(tǒng),若想完美解決上述問題存在不小困難，而快速發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，無論通訊速度還是實時性，均優(yōu)于現(xiàn)場總線，所以選取通訊效率更高的以太網(wǎng)系統(tǒng)成為一種更優(yōu)的選擇[3,4]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案

1.1 現(xiàn)場總線式

現(xiàn)場總線式監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境，構(gòu)建集成化自動監(jiān)控系統(tǒng)的核心，也是將現(xiàn)場數(shù)字化設(shè)備作為節(jié)點接入這個開放式系統(tǒng)平臺的橋梁。其突出特點是將傳統(tǒng)的4～20 mA的模擬信號數(shù)字化，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備遠程控制與故障診斷一體化[5]。

盡管現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)對于工控行業(yè)是一次具有深遠影響的革命性變革，但對當(dāng)下及未來的船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)而言，由于其自身缺陷，比如多種不同現(xiàn)場總線協(xié)議不兼容，會導(dǎo)致“自動化孤島”，不同廠家的處理器間不能高速實時通信等，已無法滿足要求。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)式

以太網(wǎng)能夠在互聯(lián)設(shè)備間高速（10～100 Mbps）傳送信息包。其構(gòu)建成本低、可靠性高、實時性好，且許多廠商的產(chǎn)品都能以通用的協(xié)議進行通信，開放度高，故此以太網(wǎng)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范是由羅克韋爾公司于 2000年發(fā)布的EtherNet規(guī)范和西門子公司于 2001年發(fā)布的ProfiNet規(guī)范[3,6]。

ProfiNet實時以太網(wǎng)最大的特點是，對于實時性要求不同的信息采用不同的通道。ProfiNet劃分為三個通道：標(biāo)準(zhǔn)通訊通道（NRT）、實時（RT）通信通道（典型響應(yīng)時間5～10 ms）和等時同步實時（IRT）通信通道（典型響應(yīng)時間＜1 ms，且抖動不足 1μs）。ProfiNet在通訊實時性方面滿足工控領(lǐng)域要求的全部范圍。

本設(shè)計中，選用集成ProfiNet接口的西門子s7-1200可編程控制器PLC作為船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，通過工業(yè)交換機，將船舶電站的運行參數(shù)，故障和報警等信息實時傳遞給人機界面HMI顯示，PLC接收HMI反饋的指令，再經(jīng)運算做出正確的反應(yīng)，保證系統(tǒng)安全運行。狀態(tài)，由HMI設(shè)備顯示。特別是主斷路器、接地刀閘、備機完成等的狀態(tài)以及綜合保護裝置、PMS的監(jiān)控均由PLC按照程序運算完成[7]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)由三層構(gòu)成：現(xiàn)場層，監(jiān)控層和管理層。監(jiān)控層和管理層采用基于ProfiNet的工業(yè)以太網(wǎng)通訊，現(xiàn)場層以RS-485串行通訊為基礎(chǔ)，遵循 ProfiBus-DP協(xié)議；而現(xiàn)場層向上通訊則通過給 s7-1200增加CM1243-5模塊實現(xiàn) ProfiBus-DP通訊，最終構(gòu)成綜合自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺，因此系統(tǒng)設(shè)計也分成三層，如圖1所示為船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)分層構(gòu)成圖。

2.1 船舶高壓電站概況

實驗室船舶高壓電站，由3臺發(fā)電機組，六屏控制柜及一個集中監(jiān)控平臺組成。其中發(fā)電機組由一臺電動機-發(fā)電機組成，電動機由變頻器調(diào)速，實現(xiàn)發(fā)電機的調(diào)頻調(diào)載。如圖2所示為船舶高壓電站系統(tǒng)組成框圖。

2.2 核心控制器

監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器為西門子 s7-1200 PLC，通過采集外圍電路和智能儀表送出的數(shù)字化電站參數(shù)和開關(guān)量信息，響應(yīng)外界（一般指人）輸入的命令，按照程序運行后，得出電站的運行

2.3 現(xiàn)場設(shè)備

監(jiān)控系統(tǒng)中選用了智能現(xiàn)場設(shè)備，特點是具有程序和參數(shù)存儲功能，能夠自我實現(xiàn)控制。核心控制器監(jiān)測設(shè)備的運行，而將部分控制工作交由現(xiàn)場設(shè)備完成，這樣核心控制器運算負擔(dān)得以減輕。以西門子Siprotec 7um62型綜合保護裝置為例，其主要任務(wù)是保護高壓發(fā)電機，本身自帶CPU，直接完成控制計算，通過ProfiBus端口接入現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)，核心控制器做監(jiān)測即可；同樣，驅(qū)動發(fā)電機組的M440變頻器，只需設(shè)定命令源（P700=6，表示數(shù)據(jù)從CB來），站號（P918=6，表示從站號）和頻率設(shè)定源（P1000=6，數(shù)據(jù)從CB來）等參數(shù)，核心控制器調(diào)用特殊功能寄存器 SFC14和 SFC15（對應(yīng)指令“DPRD_DAT和”DPWR_DAT”）完成對M440通訊數(shù)據(jù)報文(有效數(shù)據(jù)區(qū)PZD和PKW)的讀寫，即可實現(xiàn)對發(fā)電機組的控制；另外還有智能儀表，具有專業(yè)控制邏輯的智能調(diào)壓器等[4,7]。

2.4 工業(yè)以太網(wǎng)交換機

工業(yè)以太網(wǎng)交換機的作用是，進行網(wǎng)絡(luò)分段和工作組連通，實現(xiàn)不同設(shè)備間高可靠性高實時性的互通互聯(lián)。本設(shè)計中選用的是8口10 Mb/100 Mb Moxa Eps-208A型工業(yè)交換機。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 核心控制器PLC程序設(shè)計

S7-1200 PLC使用TIA Protal V10.5軟件，完成硬件組態(tài)與程序編輯。軟件支持圖形組態(tài)和診斷，采用結(jié)構(gòu)化編程，可大幅提高編程效率[6]。PLC程序包括機旁控制PLC程序，電站功能PLC程序，還有將兩者組合統(tǒng)一的機旁--電站鏈接程序。如圖3所示為核心控制器PLC總體程序框圖，其中OB表示組織塊，F(xiàn)B表示功能塊，F(xiàn)C表示功能。

機旁控制PLC的功能主要有：控制三臺發(fā)電機組，包括控制機組的起停和調(diào)頻調(diào)載；控制機組的智能調(diào)壓器，依據(jù)電站運行狀態(tài)和負載的情況，自動調(diào)節(jié)電壓和均分無功功率。由于三臺發(fā)電機組具有相同的結(jié)構(gòu)和容量，對機組編號后，編輯相同的程序模塊，只需辨識外部傳送的命令，即可調(diào)用特定機組的特定功能[4]。電站功能 PLC主要實現(xiàn)兩大功能：其一是對電站運行狀態(tài)的各個信號進行采集，包括電壓，電流，功率以及發(fā)電機組運行狀態(tài)等模擬量信號，斷路器狀態(tài)，接地刀閘通斷以及配電盤上開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)量信號；其二是依據(jù)電站基本信息，實現(xiàn)對船舶高壓電站的準(zhǔn)確控制、保護和管理。

機旁—電站鏈接程序?qū)崿F(xiàn)兩類 PLC之間的數(shù)據(jù)互換。

3.2 HMI設(shè)備觸摸屏組態(tài)

觸摸屏作用是把電站的運行數(shù)據(jù)，參數(shù)和狀態(tài)可視化，直接化和形象化，增強人機交互的友好度，減小對電站的誤操作的可能性，使整個電站運行一體化[2,6]。本電站選用 SoftLink TP300型觸摸屏，共組態(tài)5個畫面，實現(xiàn)要求的全部控制、顯示、報警、參數(shù)設(shè)定及歷史記錄等功能。如圖4所示為觸摸屏電站系統(tǒng)運行畫面。

3.3 系統(tǒng)組態(tài)

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)把觸摸屏與PLC接入ProfiNet中，通過對設(shè)備編輯 TCP/IP協(xié)議，組成網(wǎng)絡(luò)，完成整個系統(tǒng)基于ProfiNet的組態(tài)。無論觸摸屏組態(tài)軟件還是 TIA Protal V10.5軟件都集成TCP/IP通道，故編輯觸摸屏和PLC的IP地址即可。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮了ProfiNet傳遞數(shù)據(jù)流量大，傳輸速率高的優(yōu)勢，滿足了各核心控制器PLC間的高度實時通訊，實現(xiàn)了船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行。同時對今后的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用這一新技術(shù)提供一定的借鑒。

[1]王家雷. 船舶高壓電站功率管理系統(tǒng)的設(shè)計與管理（碩士學(xué)位論文）[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2011.

[2]祝彥兵. 船舶高壓交流電力系統(tǒng)綜合保護研究與設(shè)計（碩士學(xué)位論文）[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2012.

[3]熊育悅, 趙哲身. 工業(yè)以太網(wǎng)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[J]. 上海：自動化儀表，2002.

[4]鄭卓等. Profibus和 Profinet在工業(yè)鍋爐監(jiān)控中的應(yīng)用[J]. 上海：自動化儀表，2010.

[5]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[6]王仁祥，王小曼. S7-1200PLC編程方法與工程應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2011.

[7]吳志良. 船舶電站[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2012.