燕居懷，譚銀朝

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基于S7-300PLC和PPU的遠洋漁船船舶電站控制系統(tǒng)設計

燕居懷，譚銀朝

（威海海洋職業(yè)學院，山東榮成264315）

基于S7-300可編程邏輯控制器（PLC）和船舶電站發(fā)電機并車與保護單元（PPU），設計了遠洋漁船船舶電站智能化控制系統(tǒng)。以PLC為主站、PPU為從站組成的聯(lián)合控制核心，采集發(fā)電柴油機組以及船舶電網(wǎng)的各項參數(shù)，實現(xiàn)輸入、輸出共享，并根據(jù)設置的參數(shù)進行智能化指令執(zhí)行。滿足船舶電站自動控制以及安全保護等功能，適應漁船在航行及作業(yè)過程中工況多變的特點，從而提高船舶電力網(wǎng)的可靠性、便利性與經(jīng)濟性。

S7-300PLC PPU 船舶電站 智能化控制

0 引言

隨著現(xiàn)代科技與經(jīng)濟的發(fā)展，對船舶機艙的智能化要求越來越高，船舶電站的智能化控制更是船舶機艙智能化的核心。為適應遠洋漁船電力系統(tǒng)特點（電站配置、照明系統(tǒng)、助漁設備、無線電定位等），實現(xiàn)過程智能控制及遠程監(jiān)控，通過以西門子S7-300PLC為主站，PPU為從站組成的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶電站在船舶離港、起動、航行、靠岸、拖網(wǎng)捕撈作業(yè)等工況下發(fā)電機的智能起動、智能并車、智能卸載、智能監(jiān)控、故障檢測和解決等智能控制[1]。

西門子S7-300可編程邏輯控制器是中小型PLC，模塊化設計，使它在保持原來PLC共同優(yōu)點的基礎上增加了靈活性，在各行各業(yè)已得到廣泛的應用。在船舶行業(yè)的自動化控制方面應用也比較普遍。

PPU 是船舶電站并車與保護單元，專門用來負責船舶電力網(wǎng)的電力分配。它可以采集多種船舶發(fā)電機組與電力網(wǎng)的模擬參數(shù)，并且及時轉化為數(shù)字量，與其他從站PPU、主站PLC以及機旁控制箱進行通信，可以彌補PLC在繁雜信號采集過程中的不足。

1 船舶電站組成

基于S7-300PLC和PPU的遠洋漁船船舶電站由兩臺250 kW柴油主發(fā)電機組、一臺250 kW應急發(fā)電機組以及配電板組成。在正常航行工況下，只需啟用一臺發(fā)電機組供電，當捕魚作業(yè)、靠離港等工況下兩臺發(fā)電機組并聯(lián)運行。備用發(fā)電機組與主發(fā)電機組實現(xiàn)互鎖，當主發(fā)電機組故障或其他原因導致全船失電，備用發(fā)電機組會在規(guī)定時間自動起動，并且只能給必要負載供電。

主配電板設有二組發(fā)電機控制屏及主開關屏，一組應急發(fā)電機控制及主開關單元，一組380 V負載屏，一組380 V負載及岸電屏，二組組合起動屏，一組并車屏。為了增加船舶的安全性，主匯流排分為獨立的二段，把船舶安全必需的設備別接在不同的段上，并且兩段匯流排用隔離開關連接，就相當于有了雙重保護。

2 船舶電站功能

本漁船設計的船舶電站的功能主要包括自動控制和智能保護功能兩部分[2]。

2.1控制功能

根據(jù)船舶電站的自動化程度把工作方式分為手動控制、半自動控制和自動化控制三種方式。

1）手動控制方式

每臺發(fā)電機組都配有機旁控制箱，在智能控制設備出現(xiàn)故障的情況下，也可以通過手動操作以確保船舶電力系統(tǒng)的正常運行。通過機旁控制箱可對船舶柴油發(fā)電機以及電網(wǎng)的各種參數(shù)進行調整，也可實現(xiàn)船舶電站的同步并車、手動解列、重載詢問、手動停機等功能[3]。

2）半自動控制方式

在此設計中，也可以不經(jīng)過PLC而直接由PPU進行一些簡單的控制功能，這樣在PLC故障條件下仍可以進行一定程度的自動化控制。PPU就暫時成了控制核心，PPU除了具有信號采集與檢測功能外也可以實現(xiàn)部分控制功能。檢測匯流排的電壓、頻率與發(fā)電機組的各項參數(shù)，控制發(fā)電機組的起動、調頻調載、并車、卸載、停機等功能。此時PPU之間的信息傳遞可以不經(jīng)過信息模塊，只用簡單的電氣聯(lián)系。

3）自動控制方式[4]

正常情況下，船舶電站是由PLC與PPU共同作為控制網(wǎng)絡進行工作。此控制網(wǎng)絡由主站西門子S7-300與三臺從站同步保護裝置PPU組成。主站負責整個網(wǎng)絡的過程控制管理，從站負責電網(wǎng)及發(fā)電機組的各項參數(shù)的采集與轉化，主站與從站之間，從站與從站之間通過Profibus進行網(wǎng)絡通信。可以實現(xiàn)船舶電站各種控制與報警處理功能。

2.2安全保護功能

船舶在運行過程中出現(xiàn)故障是難免的，這些故障又可以根據(jù)嚴重程度分為一類和二類故障。二類故障包括柴油發(fā)電機組的冷卻水溫度過高、滑油壓力與溫度異常等。發(fā)生二類故障以后，監(jiān)控系統(tǒng)進行簡單的處理，比如降低故障發(fā)電機負荷等，并立刻發(fā)出報警信號，如有需要需要人工進行處理。[5]一類故障包括超速、冷卻水過高等嚴重異常現(xiàn)象需要立即停機，發(fā)出報警信號，等待值班人員進行處理。

3 PLC+PPU系統(tǒng)硬件組成及軟件說明

3.1硬件組成

由于對此船舶電站的設計標準是全自動監(jiān)控，對硬件的選型也要考慮穩(wěn)定性、可靠性等各方面問題。此處我們選擇西門子S7-300CPU315-2PN/DP(如圖1）作為控制機。該可編程控制器的模塊化形式增加了他的組合靈活性，擴展方便，功能更強，性價比高，而且處理信息的精度和速度都能達到船舶電站自動監(jiān)控的要求。根據(jù)實際要求我們選用的其他模塊及器件分別為電源模塊PS、信號模塊SM、安裝導軌DIN、功能模塊FM、中央處理器CPU。

圖1西門子S7-300PLC

PPU對發(fā)電機組及電網(wǎng)參數(shù)的采集、發(fā)電機組的自起動、自動調頻調載、自動并車等的控制、過流過載、逆功率等保護功能，我們選擇了DEIF公司的MULTI-LINE2 系列PPU(如圖2）配合PLC實現(xiàn)。但是PPU對復雜的邏輯控制不如PLC，但是對信號周期長、實時性較差的信號處理優(yōu)于PLC，如此便和PLC形成優(yōu)勢互補之勢。此外PPU還提供了用戶加密功能、保存數(shù)據(jù)、下載數(shù)據(jù)和進行軟件升級等功能。PPU的鏈接線路圖如圖3所示。

3.2控制系統(tǒng)的軟件設計

本船舶電站的PLC程序由STEP7軟件編寫，系統(tǒng)的硬件組態(tài)圖如圖4所示。程序分為主程序、中斷程序與子程序，按設備層與控制層設計，每層分為若干個模塊。[6]每個模塊對外設計為PLC程序標準接口，使整個程序層次分明。主要流程如下所示：船舶發(fā)電機組自動起動流程圖（如圖5）、主發(fā)電機自動增機流程圖（如圖6）、重載問詢流程圖（如圖7）、自動減機流程圖（如圖8）。

圖4 系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

圖5 船舶發(fā)電機組自動起動流程圖

圖6 主發(fā)電機自動增機流程圖

圖7 重載問詢流程圖

圖8自動減機流程圖

4 結論

針對遠洋漁船的耗電負載特點，應用S7-300系列可編程邏輯控制器和PPU技術實現(xiàn)遠洋漁船船舶電站智能化控制的方法、步驟，實現(xiàn)遠洋漁船電站的智能起動、并聯(lián)運行、智能調頻調載、智能卸載、智能停機、智能監(jiān)控報警等功能。在對該船舶電站進行了調試，基于西門子S7-300和PPU的遠洋漁船船舶電站智能化控制系統(tǒng)的各項技術指標均達到了設計要求。

[1] 李雷, 劉燕, 胡益超. 基于S7-300的船舶電站功率控制系統(tǒng)的設計[J]. 工業(yè)控制計算機, 2013, 25(10): 53-54.

[2] 胡勤耕. 基于PLC的船舶電站控制系統(tǒng)研究[D]. 西南石油大學, 2012.

[3] 陳旺, 林葉春. 基于PLC和PPU船舶電站自動控制系統(tǒng)設計[J]. 中國水運月刊, 2011, 01(1).

[4] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢理工大學, 2009.

[5] 勞山. 船舶電站自動化及發(fā)電機保護的設計與實現(xiàn)[D]. 大連海事大學, 2014.

[6] 呂井勇, 楊濤, 張民. 船舶電站自動控制系統(tǒng)軟硬件設計[J]. 機電設備, 2009, 第5期(5):27-29.

Design of Power Station Control System for Deep Sea Fishing Vessels Based on PLC and PPU

Yan Juhuai, Tan Yinchao

(Weihai Ocean Vocational College, Rongcheng 264315, Shandong, China）

A power station control system for deep sea fishing vessels is designed by using S7-300 programmable logic controller(PLC) and paralleling and protection unit（PPU). With the S7-300 PLC as main station and PPU as the slave station, all the parameters of generator set and ship power system are collected to share input and output parameters, and to execute instruction intelligently. The system can meet the functions of intelligent control and fault alarm of the ship power station. It adapts the fishing vessels in changing working conditions which enhance the ship electric system’s reliability, convenience and economy.

S7-300PLC;PPU; ship power station; intelligent control

TP273

A

1003-4862（2016）04-0037-05

2015-11-25

燕居懷(1974-)，男，副教授。研究方向：電氣自動化技術。