候云飛，施偉鋒

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基于PLC和工控機(jī)的船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置設(shè)計(jì)

候云飛，施偉鋒

（上海海事大學(xué)電氣自動(dòng)化系，上海 201306）

為保證船舶的安全航行，故提高船舶電力系統(tǒng)的安全性和可靠性十分重要。文中設(shè)計(jì)了一套基于施耐德M340 PLC、XBTG7340觸摸屏和工控機(jī)的電力系統(tǒng)故障診斷裝置。該套故障診斷裝置主要由施耐德M340 PLC、電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量裝置、XBTG7340觸摸屏、工控機(jī)、NI數(shù)據(jù)采集儀、以太網(wǎng)等器件所組成，本診斷裝置通過(guò)施耐德M340PLC、電力參數(shù)測(cè)量?jī)xPM800、7個(gè)與互感器相連的模擬儀表和NI數(shù)據(jù)采集儀對(duì)船舶電力系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電力系統(tǒng)裝置的監(jiān)視與檢測(cè)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入工控機(jī)matlab中進(jìn)行故障程度與故障類別的判斷。

PLC 觸摸屏 船舶電力系統(tǒng) 故障診斷

0 引言

船舶電力系統(tǒng)主要由電源裝置、配電裝置、電力網(wǎng)和負(fù)載四個(gè)部分組成，是船舶上電能產(chǎn)生、輸送、分配和使用等網(wǎng)絡(luò)和裝置的總稱。因此，船舶電力系統(tǒng)是船舶的一個(gè)重要組成部分。隨著船舶向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)容量不斷增大，其在船舶中的重要性越來(lái)越高。

船舶電力系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)視裝置并掌握其運(yùn)行情況，在故障發(fā)生前可根據(jù)故障癥狀大致判斷出故障類型，在故障發(fā)生時(shí)可通過(guò)蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警提示，有助于操作人員排除電力系統(tǒng)故障，盡最大可能地減少電力系統(tǒng)因故障所帶來(lái)的影響和損失，并且能為船舶工作與管理人員提供故障所在及其原因，為今后從事船舶工作的人員提供合理的建議。本文設(shè)計(jì)了一套基于施耐德M340 PLC、XBTGT7340觸摸屏和工控機(jī)的船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置。

1 船舶電力系統(tǒng)診斷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)是指在多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行情況下所組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：數(shù)臺(tái)船用發(fā)電機(jī)組、供配電裝置與電網(wǎng)、負(fù)載電機(jī)等；為了增加電力系統(tǒng)故障診斷裝置診斷的準(zhǔn)確性，將裝置設(shè)計(jì)成為自動(dòng)化電站相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，并且利用單元組合式儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視功能，實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，提高系統(tǒng)安全性與診斷的準(zhǔn)確性。其故障診斷裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)了船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置采用施耐德M340 PLC、工控機(jī)和XBTGT7650觸摸屏作為核心控制器和上位監(jiān)控設(shè)備，搭配EGX300網(wǎng)關(guān)、電力參數(shù)測(cè)量?jī)xPM800及帶燈按鈕、旋鈕、鑰匙開(kāi)關(guān)等執(zhí)行器，搭建船舶電力系統(tǒng)故障診斷的硬件系統(tǒng)，其故障診斷裝置設(shè)計(jì)如圖2所示。

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控層兩層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)之間有通訊接口連接。

1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層：監(jiān)控部位將實(shí)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(guò)電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表PM800和NI數(shù)據(jù)采集儀采集電力系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)。

2）遠(yuǎn)程監(jiān)控層：遠(yuǎn)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(jì)上位人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，提高信息集成度和自動(dòng)化水平。主要功能包括電力系統(tǒng)參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)視、故障的監(jiān)測(cè)報(bào)警與處理及其他安全功能。

3）通信接口層：裝置通信接口層采用兩層通信結(jié)構(gòu)，分別是Modbus現(xiàn)場(chǎng)層和工業(yè)以太網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備采用RS485串行通信，遠(yuǎn)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?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。裝置采用分布式現(xiàn)場(chǎng)總線，將電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控功能下放到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PM800，充分利用現(xiàn)場(chǎng)信息，增加系統(tǒng)可靠性，降低成本。通信接口通過(guò)EGX300以太網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備之間的通信協(xié)議，并利用交換機(jī)建立以太局域網(wǎng)。

2 船舶電力系統(tǒng)故障診斷

船舶電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，診斷系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)υ诰€運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，如果發(fā)電機(jī)組發(fā)生了故障，例如三相不平衡、短時(shí)過(guò)電流等，應(yīng)該能夠及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，來(lái)提醒操作人員及時(shí)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)、檢修、維護(hù)，盡快恢復(fù)電力系統(tǒng)，達(dá)到安全航行的目的。

本文通過(guò)施耐德PLC等相關(guān)軟件進(jìn)行了故障診斷程序的編寫，故障診斷系統(tǒng)可以對(duì)電力系統(tǒng)電壓、電流、頻率、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)三相不平衡、短時(shí)過(guò)電流等故障時(shí)，PLC應(yīng)能夠輸出與報(bào)警相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，使得蜂鳴報(bào)警器發(fā)出聲響，報(bào)警指示燈亮。隨后，系統(tǒng)會(huì)利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障類型的判別。其中，故障類型分為：三相不平衡故障報(bào)警與短時(shí)過(guò)電流故障報(bào)警。故障診斷流程圖，如圖3所示。

圖3 故障診斷流程圖

1)三相不平衡故障

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三線電壓（或電流）幅值不一致，而且幅值差超過(guò)了規(guī)定的范圍，造成三相不平衡的原因主要是三相電源負(fù)載分配不平衡，三相負(fù)荷分配不平衡，會(huì)引起線路壓降和功率損失增加，三相電壓不平衡，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)逆扭矩增加，從而使電動(dòng)機(jī)溫度上升，影響設(shè)備的正常使用壽命。

2)短時(shí)過(guò)電流故障

短時(shí)過(guò)電流是指電力供電設(shè)備短時(shí)間超過(guò)了額定電流數(shù)倍或者數(shù)十倍，引起短時(shí)過(guò)電流的原因有很多，例如電網(wǎng)過(guò)載、發(fā)電機(jī)短路等。

電網(wǎng)過(guò)載所引起的短時(shí)過(guò)電流，一般指大功率的用電設(shè)備從電網(wǎng)上卸載時(shí)所產(chǎn)生的短時(shí)過(guò)電流現(xiàn)象。

發(fā)電機(jī)短路所引起的短時(shí)過(guò)電流情況比較復(fù)雜，但是一般出現(xiàn)發(fā)電機(jī)電流增加、電壓下降、機(jī)體發(fā)熱、短路保護(hù)動(dòng)作等現(xiàn)象。

在確定完故障診斷PLC報(bào)警流程圖后，使用UnityPro軟件對(duì)上述流程圖進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的編寫，故障診斷PLC控制程序。

在確定完故障診斷PLC控制程序后，要將整個(gè)故障診斷報(bào)警系統(tǒng)整合到一塊面板中，在設(shè)計(jì)布局時(shí)，既要使硬件位置與實(shí)際船舶電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相符合，又要考慮到實(shí)際操作和數(shù)據(jù)讀取的簡(jiǎn)便，最終設(shè)計(jì)了故障診斷指示燈控制面板，如圖4所示。

圖 4 故障診斷指示燈控制面板

3 故障診斷實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)故障診斷導(dǎo)航界面是遠(yuǎn)程監(jiān)控最重要的界面，可以顯示電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息，點(diǎn)擊參數(shù)后，相關(guān)的圖形儀表、文字信息等會(huì)顯示出來(lái)，同時(shí)在不同界面之間能夠通過(guò)軟件進(jìn)行切換與導(dǎo)航。

本觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用Vijeo-Designer軟件設(shè)計(jì)。它是一款功能齊全的觸摸屏人機(jī)界面交互的設(shè)計(jì)軟件，使用該軟件可以為人機(jī)界面設(shè)備創(chuàng)建操作面板并配置相關(guān)的操作參數(shù)。Vijeo-Designer提供了設(shè)計(jì)人機(jī)界面項(xiàng)目所需的基本設(shè)計(jì)工具。根據(jù)故障診斷裝置需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等具體功能，本軟件設(shè)計(jì)了船舶電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)視界面，如圖5所示。

圖 5 船舶電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)視界面

導(dǎo)航界面可以根據(jù)不同用戶的需求引導(dǎo)用戶進(jìn)入不同的監(jiān)視界面，主要包括：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，供用戶了解船舶電網(wǎng)監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；電網(wǎng)參數(shù)顯示，向用戶提供電網(wǎng)運(yùn)行工況；報(bào)警顯示，用于非正常運(yùn)行情況報(bào)警及事件記錄；歷史數(shù)據(jù)，以趨勢(shì)圖的方式記錄船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況和歷史數(shù)據(jù)。

在確定完整個(gè)船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置后，將整個(gè)系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)至一個(gè)機(jī)柜當(dāng)中。診斷裝置如圖6所示。

船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)能夠在觸摸屏、工控機(jī)中進(jìn)行發(fā)電機(jī)側(cè)和負(fù)載側(cè)參數(shù)的顯示，使用戶及時(shí)并有效地了解系統(tǒng)的當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置作為電力系統(tǒng)控制的關(guān)鍵設(shè)備之一，其研究與應(yīng)用主要涉及電力參數(shù)檢測(cè)儀表的應(yīng)用、故障診斷PLC控制、診斷控制面板實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和診斷裝置的實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。在監(jiān)視方面，裝置實(shí)現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障報(bào)警功能和故障診斷功能。實(shí)驗(yàn)表明，船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置能夠?qū)Υ俺Ｒ?jiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警與診斷功能，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ155)，上海海事大學(xué)博士點(diǎn)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015ycx037)

候云飛（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)故障診斷。