鄭偉勝

(江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,江西 南昌 330095)

基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)研究

鄭偉勝

(江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,江西 南昌 330095)

摘要：隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的需求越來(lái)越大。船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)船舶上的電力設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視，是船舶中十分關(guān)鍵的設(shè)備。為提高船舶電站運(yùn)行的可靠性及整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度，本文對(duì)基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；船舶電站

0引言

目前，船舶電站朝著網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控的方向發(fā)展，通過(guò)把駕駛、導(dǎo)航、輔機(jī)和機(jī)艙等利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)形成一體化智能化的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，便于信息的高度整合和分享。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)一種基于PLC獨(dú)特控制系統(tǒng)的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為滿足船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)采用3層監(jiān)控系統(tǒng)，即設(shè)備層、監(jiān)控層和網(wǎng)絡(luò)層。圖1幾乎包含了船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)有的所有功能，各項(xiàng)功能通過(guò)PLC的控制相互配合，一起保證船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的正確運(yùn)行。

可編程邏輯控制器PLC的主要工作是對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)控，其主要負(fù)責(zé)完成發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、停止、調(diào)速、并聯(lián)運(yùn)行及機(jī)組的故障分析和故障排除等工作。計(jì)算機(jī)與PLC之間的通信方式選擇串口RS-485方式。船舶主站與船舶各監(jiān)控室之間的通信由工業(yè)控制組態(tài)軟件MCGS來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。

系統(tǒng)中總共使用3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，其中每臺(tái)發(fā)電機(jī)組均由三菱公司生產(chǎn)的FX2N型號(hào)的PLC來(lái)監(jiān)控。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)一般僅需要起動(dòng)1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，但根據(jù)具體情況的不同需要啟動(dòng)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)也會(huì)變化。當(dāng)負(fù)載過(guò)重時(shí)，并上1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組；某1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，需要發(fā)電機(jī)組解除故障機(jī)，并且并上1臺(tái)新的柴油發(fā)電機(jī)組；如果2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組都不能起動(dòng)時(shí)，需要運(yùn)行備用柴油發(fā)電。3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組分別由各自獨(dú)立的PLC進(jìn)行監(jiān)控。三者各自獨(dú)立工作，之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，如果其中1臺(tái)PLC出現(xiàn)故障，也不會(huì)對(duì)另外2臺(tái)PLC產(chǎn)生任何影響，完全實(shí)現(xiàn)了分散控制。

圖1　船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.1　The block diagram of ship power station monitoring system

上位機(jī)扮演著領(lǐng)導(dǎo)的角色，協(xié)調(diào)并分配每臺(tái)PLC的工作。上位機(jī)的監(jiān)控界面中可以顯示柴油發(fā)電機(jī)組的各類運(yùn)行參數(shù)。此外，上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)鼠標(biāo)直接控制各種設(shè)備的起動(dòng)與停止，最終使船舶電站集中管理非常方便。

2測(cè)量和控制模塊

1)測(cè)量和控制的方法

測(cè)控部分的主要功能是完成對(duì)主要數(shù)據(jù)的采集和接收，使系統(tǒng)按計(jì)劃運(yùn)行，并把處理結(jié)果傳遞給執(zhí)行結(jié)構(gòu)，原理如圖2所示。

圖2　測(cè)量和監(jiān)控原理示意圖Fig.2　Schematic principle of measuring and monitoring

測(cè)控模塊包括輸入模塊、輸出模塊和報(bào)警模塊等。如果船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)跟PLC之間的傳輸介質(zhì)是“1”和“0”的數(shù)字量，可以直接傳送至可編程邏輯控制器進(jìn)行處理；如果傳輸介質(zhì)是模擬量，則應(yīng)先通過(guò)FX0N模塊把模擬量處理成數(shù)字量方可繼續(xù)傳送[8]。

圖3　檢測(cè)的整體框架圖Fig.3　The overall block diagram of the detection syetem

2)FX2N 控制信號(hào)

PLC是系統(tǒng)的主控制器，接收來(lái)自柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，然后把處理后的數(shù)據(jù)再發(fā)送出去。這些步驟要按規(guī)定的程序執(zhí)行，之前要對(duì)一些條件進(jìn)行判斷，依據(jù)測(cè)得到的電壓、電流、溫度、壓力等物理量進(jìn)行判斷并控制系統(tǒng)運(yùn)行。

3上位機(jī)的定制

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，PLC具有通用性高的優(yōu)點(diǎn)而被用作中心的控制器，但其也有不足，比如存儲(chǔ)器的容量比較小、數(shù)據(jù)處理的速度不夠快、不能打印報(bào)表，但這些缺點(diǎn)在Computer Link(例如工業(yè)控制組態(tài)軟件MCGS)的利用下可以完美消除。

選用通用監(jiān)控系統(tǒng)MCGS軟件來(lái)定制上位機(jī)界面(亦稱作人機(jī)交互界面)，使FX系列的PLC與PC機(jī)相連接的可視化界面進(jìn)行集中控制。MCGS能夠在微軟公司開發(fā)的所有32位的Windows操作平臺(tái)上運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理后，顯示在上位機(jī)界面上，以揚(yáng)聲器的形式發(fā)出報(bào)警，以順序選擇循環(huán)的流程圖方式進(jìn)行控制以及以報(bào)表的形式輸出等向用戶在實(shí)際工程項(xiàng)目中提供實(shí)際問(wèn)題的解決方案。

通過(guò)上位機(jī)上顯示的信息，操縱者可以掌控和了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)的可觀性和可操作性非常強(qiáng)。船舶上常見到如船舶的發(fā)電機(jī)、報(bào)警器等的一些控制開關(guān)及儀器儀表將可以形象地顯示在上位機(jī)界面上，非常方便操作使用，因此上位機(jī)界面具有相當(dāng)?shù)娜诵曰?，使工作人員能一目了然地監(jiān)控整個(gè)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)選用1臺(tái)總控PC和3臺(tái)PLC來(lái)構(gòu)成一個(gè)集中監(jiān)控系統(tǒng)。PC機(jī)中的程序軟件必須能夠進(jìn)行串口通信和控制，能在軟件開發(fā)平臺(tái)上編寫程序和調(diào)試程序，能夠布局可視化的圖形界面，能夠使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理等[2]。

4船舶自動(dòng)化電站實(shí)現(xiàn)條件

1)發(fā)電機(jī)組可以自行運(yùn)行。在系統(tǒng)控制下，在主發(fā)電站發(fā)生故障時(shí)，可以自行啟動(dòng)另外1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。在大約44 s內(nèi)，輔助發(fā)電機(jī)組也能在任何時(shí)候自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)船舶電網(wǎng)提供電能。

2)在匯流排處于失電的情況下，發(fā)電機(jī)組會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)并入船舶電網(wǎng)中。不允許2臺(tái)或2臺(tái)以上的發(fā)電機(jī)組同時(shí)并入，不允許短路后仍然進(jìn)行多次并入電網(wǎng)的嘗試。

3)所有電氣參數(shù)在PLC的控制下各個(gè)儀器儀表能夠被自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)電壓電流頻率等物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)顯示和報(bào)警。

4)發(fā)電機(jī)組能夠自動(dòng)校準(zhǔn)并網(wǎng)頻率，進(jìn)行并網(wǎng)。在已有1臺(tái)發(fā)電機(jī)組在對(duì)船舶電網(wǎng)進(jìn)行供電的情況下，如果負(fù)載太大，需要立即并上1臺(tái)或多臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組。系統(tǒng)需要檢測(cè)電網(wǎng)與柴油發(fā)電機(jī)組之間的頻率差，直到頻率差小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)系統(tǒng)方會(huì)自動(dòng)并入船舶電網(wǎng)提供電能。

5)能夠自動(dòng)進(jìn)行分配有功功率和自動(dòng)保持頻率不變。如果僅是1只發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，那么就不用考慮功率分配，僅需要對(duì)發(fā)電的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，頻率的誤差精度在±0.1 Hz內(nèi)。多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)還需要進(jìn)行有效的有功功率分配，柴油機(jī)調(diào)速模塊和頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和負(fù)載的自動(dòng)調(diào)整裝置一起作用，使頻率差值在±0.2 Hz的范圍內(nèi)。

6)負(fù)載能夠自行按固定的順序進(jìn)行啟動(dòng)。主要包括以下2種情況：① 當(dāng)發(fā)生自動(dòng)的卸載情況時(shí)，備用柴油發(fā)電機(jī)組會(huì)隨即并入電網(wǎng)并向電網(wǎng)提供電能，已經(jīng)被卸載掉的非主要負(fù)荷不允許在同一時(shí)間內(nèi)投入；② 船舶電網(wǎng)從斷電狀態(tài)進(jìn)入正常供電狀態(tài)時(shí)，負(fù)載不允許一次性全部并入，應(yīng)按照等級(jí)順序分別投入，值得注意的是尤其關(guān)鍵的負(fù)載需首先起動(dòng)。

7)自動(dòng)按等級(jí)卸掉負(fù)載。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障并停止運(yùn)行后，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)控制進(jìn)行分級(jí)卸載，把非主要的負(fù)荷全部卸去，以確保船上的主要設(shè)備能夠進(jìn)行連續(xù)的正常供電。

8)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功功率的自我調(diào)節(jié)與自我補(bǔ)償。其主要的實(shí)現(xiàn)方法包括均壓線法以及安裝環(huán)流補(bǔ)償設(shè)備。

9)具備自我保護(hù)功能。當(dāng)船舶自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)進(jìn)行保護(hù)，避免造成設(shè)備的進(jìn)一步甚至永久性的損壞。

10)主供電站與應(yīng)急發(fā)電電站之間可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

11)大負(fù)載運(yùn)行時(shí)需提前申請(qǐng)。大的負(fù)載接入前，需要自動(dòng)判斷目前的柴油發(fā)電機(jī)組是有足夠的功率，滿足負(fù)載接入的條件。如果能夠承載此大負(fù)載則可以直接接入，否則就要增大機(jī)組功率，再并入1臺(tái)柴油機(jī)組，不能發(fā)生重載或超載情況。

12)機(jī)組需要具有自動(dòng)解列的功能。當(dāng)一個(gè)不必要的負(fù)荷設(shè)備停止工作后，就需要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行解列，確保留下來(lái)的機(jī)組擺脫輕載的形勢(shì)。

13)機(jī)組能夠自動(dòng)停止運(yùn)行。當(dāng)接收到停機(jī)的命令時(shí)，即使發(fā)生故障時(shí)也要能夠及時(shí)的自動(dòng)停機(jī)[3]。

5監(jiān)控系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計(jì)方案

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作流程包括：采集各種物理量，分析和處理數(shù)據(jù)，把物理量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)讓PLC能夠接收。在特殊情況下，自動(dòng)判斷異常情況并處理執(zhí)行。監(jiān)控系統(tǒng)的主要子程序模塊包括：發(fā)電機(jī)組的自行啟動(dòng)模塊、自行并車子模塊、重載咨詢子模塊和自動(dòng)解列模塊等。

如圖4所示，PLC電站監(jiān)控程序主要有以下7個(gè)部分：

圖4　PLC電站監(jiān)控程序流程圖Fig.4　Flow chart of PLC power monitor program

1)首先進(jìn)行初始化工作。給所有的起動(dòng)參數(shù)設(shè)置初值并啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序。

2)第1次起動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，可以忽略并車的條件判斷。首先進(jìn)入第1臺(tái)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)子程序，如果不能啟動(dòng)則轉(zhuǎn)入第2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)子程序，如果第2臺(tái)也無(wú)法啟動(dòng)時(shí)則轉(zhuǎn)入啟動(dòng)第3臺(tái)發(fā)電機(jī)組的子程序，如果3臺(tái)發(fā)電機(jī)組都為能成功啟動(dòng)則進(jìn)入系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的報(bào)警子程序功能模塊[9]。每臺(tái)發(fā)電機(jī)預(yù)設(shè)為進(jìn)行3次起動(dòng)。

3)當(dāng)其中1臺(tái)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)成功后，通知主程序，并進(jìn)入監(jiān)測(cè)是否重載的子程序模塊，判斷是否發(fā)生重載，如發(fā)生重載主程序再調(diào)用并車子程序模塊。

4)檢測(cè)完待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓差、頻率差、相位差等參數(shù)后立即調(diào)用頻率調(diào)節(jié)的子程序模塊。只有以上3個(gè)參數(shù)都滿足后方可并入船舶電網(wǎng)，否則需要啟用另1臺(tái)發(fā)電機(jī)。

5)滿足并車的條件后,調(diào)用并車子程序，并車子程序中再調(diào)用調(diào)頻調(diào)載子程序，保證船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

6)主程序中循環(huán)掃描運(yùn)行狀態(tài)，不能有負(fù)荷不當(dāng)或者故障等情況的發(fā)生。當(dāng)輕載時(shí)，則需要調(diào)用解列子程序，停止發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行；當(dāng)重載時(shí)，需調(diào)用自動(dòng)并車子程序。

7)當(dāng)發(fā)生故障需要停車或者是啟動(dòng)失敗時(shí)則調(diào)用聲光指示子程序模塊[5]。

6監(jiān)控管理系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

PC機(jī)是船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的中心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶電站中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，并在特殊情況下可報(bào)警警示工作人員進(jìn)行干預(yù)。

1)監(jiān)控系統(tǒng)的配置框架。船舶上的用電設(shè)備所處的環(huán)境比較惡劣，這與內(nèi)陸的用電設(shè)備大不相同，因而對(duì)船用電氣設(shè)備提出更加苛刻的硬性要求。船舶電站與PLC控制器之間連接框圖如圖5所示。

圖5　船舶電站與PLC控制器之間連接框圖Fig.5　The connection block diagram between the ship power　station and the PLC controller

2)監(jiān)控子程序。包括對(duì)各個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)置并控制、對(duì)所采集的物理量進(jìn)行組態(tài)和對(duì)船舶電站進(jìn)行監(jiān)控。船舶電站與PLC控制器之間連接框圖如圖5所示，其中所要采集的物理量主要包括：電網(wǎng)的電壓、電流、頻率和功率等參數(shù)，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的電壓和頻率等參數(shù)，柴油機(jī)各種壓力參數(shù)以及柴油機(jī)的介質(zhì)溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

3)監(jiān)控管理系統(tǒng)最重要的功能是把關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)的走勢(shì)實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)界面繪制并顯示，另外把以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，并把結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，生成各種報(bào)表并把數(shù)據(jù)保持在數(shù)據(jù)庫(kù)中，需要使用時(shí)可以由Excel等工具軟件進(jìn)行展示，便于以后的統(tǒng)計(jì)分析[4，7]。

圖6　船舶電站監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure diagram of ship power monitoring and　management system

7結(jié)語(yǔ)

可編程邏輯控制器PLC具有可靠性強(qiáng)、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，系統(tǒng)基本能夠滿足船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控性能要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電站工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。如果監(jiān)控系統(tǒng)提高更好的性能要求，則需采用智能控制的策略使其具備故障自動(dòng)預(yù)測(cè)、自我診斷等的功能。

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Research of ship power station monitoring system based on PLC

ZHENG Wei-sheng

(Jiangxi Manufacturing Polytechnic College Department of Information Engineering,Nanchang 330095,China)

Abstract：With the rapid development of electronic technology and computer technology and the need of ship power station monitoring system is growing. The ship power station monitoring system is responsible for controlling and monitoring electrical equipment on ships, which is crucial part of the ship. In order to improve the reliability and automation of the entire system of ship power station, so the paper does research on ship power station monitoring system based on PLC.

Key words：monitoring system;PLC;ship power station

作者簡(jiǎn)介：鄭偉勝(1969-)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用及教學(xué)。

基金項(xiàng)目：江西省教育廳教改課題資助項(xiàng)目(JXJG-14-70-4)

收稿日期：2014-05-18； 修回日期： 2014-09-03

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0148-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.032

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A