陳兵劉家劼

(1.舟山永航船舶設(shè)計(jì)有限公司,浙江舟山 316100;2.浙江欣海船舶設(shè)計(jì)研究院,浙江舟山 316100)

船舶電站管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

陳兵1劉家劼2

(1.舟山永航船舶設(shè)計(jì)有限公司,浙江舟山 316100;2.浙江欣海船舶設(shè)計(jì)研究院,浙江舟山 316100)

隨著造船技術(shù)的進(jìn)步,船舶對(duì)電站管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求逐漸提高,其運(yùn)行的可靠性對(duì)船舶安全行使有很大意義,所以本文對(duì)船舶電站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究有著非常大的意義。本文首先對(duì)船舶電站管理系統(tǒng)進(jìn)行了概述,然后分析了該系統(tǒng)的主要功能,最后從硬件和軟件的角度提出設(shè)計(jì)思路,以供廣大讀者參考。

船舶電站管理系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)

1 船舶電站管理系統(tǒng)概述

船舶電站是整個(gè)船舶系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行的可靠性對(duì)船舶安全行使有很大意義，并且隨著現(xiàn)代船舶信息化技術(shù)的發(fā)展，船舶電站管理也開始向自動(dòng)化和智能化方向靠攏。船舶電站自動(dòng)化管理的優(yōu)點(diǎn)主要包括：提高船舶電站供電能力、減少船員值班強(qiáng)度、維持供電的可靠性和持續(xù)性、提高船舶運(yùn)行的效率等。

我國(guó)船舶自動(dòng)化技術(shù)在發(fā)展過程中從當(dāng)初的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)逐漸向無觸點(diǎn)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，所以電路控制系統(tǒng)也發(fā)展為規(guī)?；?、模塊化和結(jié)構(gòu)化的集成電路。目前我國(guó)很多船舶電站都采用了微機(jī)來控制，從而促使控制體積和重量大大下降，可靠性也得到了很大提高，控制方式逐漸向軟件控制過渡，導(dǎo)致功能使用起來更加容易。

我國(guó)目前在船舶電站自動(dòng)化裝置方面的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有好呢大差距，很多設(shè)備大多是采用外國(guó)生產(chǎn)的自動(dòng)控制裝置和系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)化僅為20%左右，在電站的配套設(shè)備中，國(guó)產(chǎn)化更低。發(fā)到國(guó)家都是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來研制船舶電站管理系統(tǒng)，技術(shù)也比較先進(jìn)，在國(guó)際上處于壟斷地位，所以我國(guó)投入大量人力和物力去研究船舶電站自動(dòng)化管理系統(tǒng)有著非常大的意義。集散控制系統(tǒng)是很多發(fā)達(dá)國(guó)家在船舶電站管理系統(tǒng)方面采用的主要設(shè)置，這種系統(tǒng)具有顯示方式靈活、連接方式容易更改、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大等優(yōu)勢(shì)，并且在管理中還具有控制功能分散、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以會(huì)逐漸取代計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)。

2 船舶電站管理系統(tǒng)的主要功能

船舶電站管理系統(tǒng)主要是為了保證整個(gè)船舶的供電正常、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低電站產(chǎn)生的費(fèi)用等，并且隨著自動(dòng)化程度的提高，電站已經(jīng)開始從以往那種局部的控制轉(zhuǎn)向目前更為集中和綜合的控制，成為整個(gè)船舶自動(dòng)化的重要組成部分。

詳細(xì)來說，船舶電站管理系統(tǒng)的主要功能包括：第一，船舶電站管理系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，可以解決持續(xù)供電問題。當(dāng)備用發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，如果有命令發(fā)電機(jī)啟動(dòng)的信號(hào)想起，那么這臺(tái)備用發(fā)電機(jī)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。第二，船舶電站管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)同步并聯(lián)進(jìn)行，降低成本。當(dāng)備用發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，并且電網(wǎng)上已經(jīng)有了發(fā)電機(jī)供電，這二者之間就可以實(shí)現(xiàn)配合工作，將啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)自動(dòng)并入到電網(wǎng)中并聯(lián)使用。第三，船舶電站管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配有功功率。如果電站中出現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的情況，那么管理系統(tǒng)可以使電網(wǎng)頻率維持在恒定狀態(tài)，將有功功率按照機(jī)組容量比例分給兩臺(tái)機(jī)組。第四，船舶電站管理系統(tǒng)可以將解列的發(fā)電機(jī)組負(fù)載轉(zhuǎn)移到正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，然后還可以自動(dòng)接收跳閘命令實(shí)現(xiàn)解列。第五，船舶電站管理系統(tǒng)可以自動(dòng)卸載單元，如果電網(wǎng)負(fù)載超過了一定限度后，可以將次要的負(fù)載卸載。第六，船舶電站管理系統(tǒng)可以自動(dòng)分配無功功率，管理系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)單元，將電網(wǎng)電壓維持在恒定狀態(tài)，并能夠自動(dòng)調(diào)整并聯(lián)狀態(tài)下的無功功率。

3 船舶電站管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 船舶電站管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

首先從信號(hào)的采集和處理方面來分析，信號(hào)主要在發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)和S7—300PLC測(cè)控單元之間傳遞，發(fā)電機(jī)的信號(hào)由電影、與電網(wǎng)的相位差產(chǎn)生；柴油機(jī)的信號(hào)包括各缸排煙溫度、冷卻水溫度、冷卻水壓力、滑油壓力等部分組成；S7—300PLC測(cè)控單元的控制信號(hào)主要包括柴油機(jī)啟動(dòng)、聲速脈沖、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)合閘等內(nèi)容。測(cè)量控制單元選擇了集散式船舶電站管理系統(tǒng)，可以直接與柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)相連，從而完成對(duì)整個(gè)電站的控制，電站機(jī)組的測(cè)量控制單元主要有開關(guān)量輸出入、鍵盤輸入、模擬量輸出入等。檢測(cè)單元是電站管理系統(tǒng)中非常重要的部分，主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，如實(shí)反映測(cè)控對(duì)象的狀態(tài)，滿足可靠性的要求。

其次從準(zhǔn)同步并聯(lián)控制單元功能的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)來看，該單元的主要功能包括：第一，對(duì)準(zhǔn)備并發(fā)電機(jī)和運(yùn)行發(fā)電機(jī)的相位差、頻率差等方面進(jìn)行檢測(cè)，如果沒有符合并聯(lián)運(yùn)行的要求，但那么久不能發(fā)出合閘命令。第二，對(duì)準(zhǔn)備并發(fā)電機(jī)電壓和正在運(yùn)行發(fā)電機(jī)電壓的頻率差進(jìn)行檢測(cè)，并發(fā)出調(diào)頻信號(hào)，將二者的頻差減小到滿足合閘的要求。第三，如果頻率差和電壓差都滿足了要求，那么該單元就要提前發(fā)出合閘命令，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同步并聯(lián)。電壓信號(hào)、頻率信號(hào)和信號(hào)的檢測(cè)是這一設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，從電壓信號(hào)的檢測(cè)來看，電壓條件應(yīng)該滿足PLC模擬量模塊的要求，并采用電壓比較器來檢測(cè)，如果檢測(cè)到電壓沒有滿足要求那么就要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。從頻率信號(hào)的檢測(cè)來看，這一檢測(cè)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻功能，可以采用光電編碼器來材質(zhì)，控制對(duì)象頻率為50Hz。從相位信號(hào)的檢測(cè)方面來看，這是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行，也是其中的難點(diǎn)，在檢測(cè)過程中要考慮到各種環(huán)境下的合閘動(dòng)作時(shí)間，并根據(jù)檢測(cè)的相位差等要素來計(jì)算合閘提前量。

最后從自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載單元的功能設(shè)計(jì)方面來分析，這一單元的主要功能包括：第一，維持電力系統(tǒng)頻率在恒定位置；第二，在接受解列命令后能夠自動(dòng)控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移，并且在一定情況下還可以自動(dòng)分閘，從而與電網(wǎng)脫離；第三，根據(jù)發(fā)電機(jī)組容量的比例進(jìn)行負(fù)荷分配。這一單元的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括頻率調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)和有功功率的分配。頻率調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)需要安裝超頻閉鎖限值，這樣在頻率達(dá)到某種高限后，就可以禁止加速條件，從而閉鎖加速調(diào)節(jié)信號(hào)，另外還會(huì)發(fā)出警報(bào)。有功功率轉(zhuǎn)移和分配功能的實(shí)現(xiàn)是在控制器發(fā)出控制信號(hào)后，可以適當(dāng)?shù)丶哟笥烷T，從而減少網(wǎng)機(jī)的油門，這樣既實(shí)現(xiàn)了有功功率的轉(zhuǎn)移；而有功功率的分配則是在發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)總負(fù)荷會(huì)按照有差調(diào)節(jié)特性來平均分配給并聯(lián)的多臺(tái)機(jī)組，還可以進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。

3.2 船舶電站管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

首先從自動(dòng)啟動(dòng)模塊的子程序設(shè)計(jì)方面來看，這一程序是在電網(wǎng)功率不夠的情況下發(fā)出增機(jī)信號(hào)，同時(shí)還可以檢測(cè)到備用發(fā)電機(jī)的條件。如果出現(xiàn)了以上情況，那么該程序就會(huì)發(fā)出信號(hào)，子程序會(huì)檢測(cè)是否存在機(jī)械故障，如果有故障就要轉(zhuǎn)向下一臺(tái)備用機(jī)組。目

············前在這一程序中還利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以發(fā)出自動(dòng)啟動(dòng)的決策，主要呈現(xiàn)檢測(cè)就可以聽到信號(hào)后啟動(dòng)。

其次從自動(dòng)準(zhǔn)同步并聯(lián)子程序設(shè)計(jì)方面來分析，該程序可以自動(dòng)判斷目前電站所處的狀態(tài)，所以需要在該項(xiàng)程序中加入狀態(tài)變量，那么在并聯(lián)運(yùn)行中，就可以對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行循環(huán)讀取和分析，并根據(jù)判斷的結(jié)果來決定各個(gè)子程序模塊的使用。頻率檢測(cè)程序設(shè)計(jì)也是其中非常重要的內(nèi)容，這一程序設(shè)計(jì)中的脈沖寬度要根據(jù)頻差來決定，從而將調(diào)節(jié)次數(shù)控制在最小的范圍內(nèi)，這樣既避免了振蕩，有能夠快速解決問題。

最后從自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載程序設(shè)計(jì)方面來分析，這一程序主要是對(duì)電站的工作情況進(jìn)行監(jiān)控，編制這一系統(tǒng)的程序需要對(duì)船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載功能進(jìn)行分析。根據(jù)檢測(cè)的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載功能來編寫控制程序，同時(shí)還有利用模塊化設(shè)計(jì)思路，這樣就可以完成穩(wěn)頻和均功的作用，所以其中的子程序主要包括均功模塊和穩(wěn)頻模塊，在發(fā)送報(bào)警時(shí)可以使用相應(yīng)的子程序模塊。在對(duì)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載的控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要模塊包括解列控制模塊、功率檢測(cè)模塊頻率檢測(cè)模塊等方面，而主模塊程序在設(shè)定時(shí)注意過程應(yīng)該包括：第一，如果是單機(jī)沂南縣，那么就應(yīng)該執(zhí)行單機(jī)穩(wěn)頻調(diào)節(jié)；第二，如果是并聯(lián)運(yùn)行，并且負(fù)載也沒有達(dá)到一定限值，那么就應(yīng)該使用調(diào)頻調(diào)載程序模塊；第三，如果在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷達(dá)到了一定限值，那么就應(yīng)該使用解列模塊，然后再進(jìn)行網(wǎng)機(jī)的穩(wěn)頻操作。

[1]張孟秋.船舶電站管理顯示單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué), 2010.

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

[3]王麗娟.基于PLC實(shí)訓(xùn)船舶應(yīng)急電站設(shè)計(jì)研究[D].大連海事大學(xué), 2010.

[4]王加雷.船舶高壓電站功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理[D].大連海事大學(xué),2011.

[5]方杰.船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué), 2011.

陳兵(1982—),男,廣西玉林人,本科,研究方向:船舶電氣。