崔守娟 ,蔡婷婷 ,欒榮華

(1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

基于PLC和PPU的船舶電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔守娟1,蔡婷婷1,欒榮華2

(1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

基于船舶向大型化和多功能化發(fā)展，設(shè)計(jì)1個(gè)可靠性高、功能齊全的電站自動化控制系統(tǒng)。以拖帶供應(yīng)船的電力系統(tǒng)為平臺，詳細(xì)闡述了船舶電站的設(shè)計(jì)過程和實(shí)現(xiàn)方法,采用西門子公司S7-200型可編控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和丹麥DEIF公司多功能控制器(Paralleling and Protection Unit，PPU)模塊組成的電站自動化管理單元，設(shè)計(jì)了電站自動化程序控制流程，并具體編寫了電站自動模式的部分功能子程序，對其他船型的設(shè)計(jì)和研究提供了參考意義。

船舶；電站自動化；可編控制器；多功能控制器

0 引言

船舶電站是船舶的一個(gè)重要組成部分，也是船舶技術(shù)的重要標(biāo)志。隨著船舶向大型化和多功能化發(fā)展，對船舶電站提出的要求也越來越高，1個(gè)可靠性高、功能齊全的電站自動化控制系統(tǒng)始終是船舶電站自動化的發(fā)展趨勢，在這個(gè)大前提下，對電站自動化系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要[1-2]。

1 船舶電站自動化主要功能

本系統(tǒng)應(yīng)用于某柴油機(jī)驅(qū)動的起拋錨拖帶供應(yīng)船航行于無限航區(qū)，進(jìn)行海上船、駁的拖運(yùn)工作,滿足中國船級社對遠(yuǎn)洋拖船的要求。另外,可作為近海供應(yīng)拖船，用于為海上工程、海上石油平臺等近海區(qū)域的海上工程設(shè)施進(jìn)行守護(hù)和供應(yīng)多種物資。

本船設(shè)3臺柴油發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組功率約為440 kW；1臺主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)，功率為1 200 kW；1臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)，功率約為99 kW。

(1)3臺柴油發(fā)電機(jī)組可并車運(yùn)行及相互備用。并車采用自動準(zhǔn)同步和手動準(zhǔn)同步方式。當(dāng)滑油進(jìn)機(jī)壓力過低，冷卻水出口溫度過高，柴油機(jī)超速時(shí)其發(fā)電機(jī)組立即自動停車，同時(shí)有聲、光報(bào)警信號。

(2)當(dāng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)超載時(shí)，應(yīng)能自動卸載。3臺柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)調(diào)頻調(diào)載裝置。

(3)當(dāng)電站失電時(shí)，備用發(fā)電機(jī)自動啟動、自動合閘供電。

(4)當(dāng)全船失電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動啟動，為照明及重要設(shè)備供電。

(5)主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)不可與3臺柴油發(fā)電機(jī)組長期并車運(yùn)行；僅可短期并車，實(shí)施負(fù)載轉(zhuǎn)移。

(6)應(yīng)急發(fā)電機(jī)在主電源失電時(shí)自動啟動，應(yīng)急配電板自動合閘，供船上重要設(shè)備、救生、導(dǎo)航、通訊及應(yīng)急照明。應(yīng)急發(fā)電機(jī)處于停泊工況時(shí)，不向主配電板供電等。

2 船舶電站自動化主要硬件配置

該系統(tǒng)采用PLC控制器(西門子S7-200型)結(jié)合丹麥DEIF的PPU多功能控制器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的保護(hù)、并聯(lián)運(yùn)行和功率分配功能等。PPU與S7-200之間采用的是串口連接RS485總線。自動電站硬件模塊組成如圖1所示。

圖1 自動電站硬件模塊組成

S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7-200選用的是型號CPU 226 CN DC/DC/DC, 24輸入/16輸出，2個(gè)RS485通訊/編程口。軟件選用STEP-Micro/WIN，該軟件中的MODBUS主站指令可以將S7-200組態(tài)作為MODBUS RTU主站設(shè)備工作，并與1個(gè)或多個(gè)MODBUS從站設(shè)備通訊。

PPU是船舶電站的核心部件，該系統(tǒng)選用丹麥的DEIF的多功能控制器PPU控制器H2型，H2型表示為MODBUS RTU通訊協(xié)議。PPU被組態(tài)為MODBUS RTU從站設(shè)備工作，可與MODBUS主站設(shè)備進(jìn)行通訊。該系列產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)柴油/軸帶發(fā)電機(jī)，能組合應(yīng)用于各種不同的系統(tǒng)[3]。具體內(nèi)容如下。

(1)測量和顯示所有三相交流電參數(shù)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)控制功能：同步控制、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、調(diào)速器和AVR控制開關(guān)量輸出、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)保護(hù)功能、逆功率保護(hù)、過電流(2級)、電壓、無功、功率因數(shù)控制，根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)自動啟/停發(fā)電機(jī)、電子調(diào)速器控制模擬量輸出。

(3)可選保護(hù)功能：過壓、欠壓、過頻、欠頻(2級)、過載、電流不平衡、電壓不平衡和勵磁故障、主網(wǎng)保護(hù)(相位漂移和頻率變化率)。

(4)可選其他功能：2個(gè)可編程模擬量變送器輸出、遙控顯示、串行接口。

3 船舶電站自動化程序設(shè)計(jì)

3.1 電站手動模式

主柴油發(fā)電機(jī)之間手動并車：當(dāng)任意主柴油發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)供電，要并另1臺主柴油發(fā)電機(jī)，先將模式開關(guān)打到“手動”位置，再將同步選擇開關(guān)打到待并機(jī)組。手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使待并機(jī)組稍快。觀看同步表及同步指示燈，滿足同步條件時(shí)，手動合上待并機(jī)組，將同步選擇開關(guān)打到“關(guān)”，主柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行、手動負(fù)載分配[4]。

主柴油發(fā)電機(jī)之間手動負(fù)載轉(zhuǎn)移、分閘：當(dāng)主柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)對電網(wǎng)供電后，觀察功率表、滿足解列條件。要解列另1臺主柴油發(fā)電機(jī)，先將模式開關(guān)打到“手動”位置，手動降低解列機(jī)組轉(zhuǎn)速，觀看解列機(jī)組功率表，指針到5%額定值左右，手動分?jǐn)嘟饬袡C(jī)組主開關(guān)，剩余主柴油發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)供電。

3.2 電站半自動模式

主柴油發(fā)電機(jī)之間半自動并車：當(dāng)任意柴油發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)供電，要并另1臺柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，先將模式開關(guān)打到“半自動”位置，按下“自動同步”帶燈按鈕，燈亮，自動電站自動調(diào)節(jié)待并機(jī)組轉(zhuǎn)速(如有需要，可按下“同步/負(fù)載轉(zhuǎn)移取消”按鈕，取消半自動并車)，滿足同步條件時(shí)，自動合上待并機(jī)組，主柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行、自動負(fù)載分配[5-6]。

主柴油發(fā)電機(jī)之間半自動負(fù)載轉(zhuǎn)移、分閘：當(dāng)主柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)對電網(wǎng)供電，觀看功率表、滿足解列條件，要解列另1臺主柴油發(fā)電機(jī)，先將模式開關(guān)打到“半自動”位置，按下解列機(jī)組“自動負(fù)載轉(zhuǎn)移”帶燈按鈕，燈亮，自動電站自動降低解列機(jī)組轉(zhuǎn)速(可按下“同步/負(fù)載轉(zhuǎn)移取消”按鈕，取消半自動負(fù)載轉(zhuǎn)移)，當(dāng)解列機(jī)組功率低于5%額定值時(shí)，自動分?jǐn)嘟饬袡C(jī)組主開關(guān)，剩余主柴油發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)供電。

3.3 電站自動模式

根據(jù)功能要求，I/O地址表分配見表1，表中，CB為斷路器，DG1、DG2、DG3為發(fā)電機(jī)，備車順序1、2、3分別為DG1、DG2、DG3。

表1 I/O地址分配表

3.3.1 匯流排失電或超載啟動備機(jī)

當(dāng)主電網(wǎng)失電時(shí)，電站管理模式設(shè)為自動模式，第1備用發(fā)電機(jī)自動啟動，如果啟動失敗則發(fā)出啟動失敗報(bào)警。當(dāng)備用發(fā)電機(jī)啟動成功，電壓建立后發(fā)出合閘指令，備用發(fā)電機(jī)開關(guān)自動合閘，合閘失敗發(fā)出開關(guān)合閘失敗報(bào)警，合閘成功電網(wǎng)恢復(fù)供電。第1備用投入失敗，轉(zhuǎn)到第2備用發(fā)電機(jī)[7-8]。

當(dāng)在網(wǎng)柴油發(fā)電機(jī)功率不小于85%，電站管理模式設(shè)為自動模式，延時(shí)后電機(jī)自動啟動，如果啟動失敗則發(fā)出啟動失敗報(bào)警。當(dāng)備用發(fā)電機(jī)啟動成功，電壓建立后發(fā)出發(fā)電機(jī)運(yùn)行信號以及投入發(fā)電機(jī)同步命令，同步后投入發(fā)電機(jī)開關(guān)自動合閘。合閘失敗發(fā)出開關(guān)合閘失敗報(bào)警，合閘成功發(fā)電機(jī)并網(wǎng)供電。第1備用投入失敗，轉(zhuǎn)到第2備用發(fā)電機(jī)。

3.3.2 輕載解列

輕載解列流程如圖2所示。

(1)當(dāng)DG1與DG2在網(wǎng)，備車順序?yàn)镈G2、DG3、DG1。發(fā)電機(jī)電網(wǎng)總功率不大于330 kW延時(shí)5 min，電站發(fā)出DG1負(fù)載轉(zhuǎn)移命令；當(dāng)解列機(jī)組功率低于5%額定值時(shí)，自動分?jǐn)嘟饬袡C(jī)組DG1主開關(guān)，剩余主柴油發(fā)電機(jī)DG2對電網(wǎng)供電。

(2)當(dāng)DG1與DG3在網(wǎng)，備車順序?yàn)镈G2、DG3、DG1或DG3、DG1、DG2。發(fā)電機(jī)電網(wǎng)總功率不大于330 kW、延時(shí)5min時(shí)，電站發(fā)出DG1負(fù)載轉(zhuǎn)移命令；當(dāng)解列機(jī)組功率低于5%額定值時(shí)，自動分?jǐn)嘟饬袡C(jī)組DG1主開關(guān)，剩余主柴油發(fā)電機(jī)DG3對電網(wǎng)供電。

(3)當(dāng)DG1、DG2、DG3在網(wǎng)，備車順序?yàn)镈G2、DG3、DG1。發(fā)電機(jī)電網(wǎng)總功率不大于660 kW、延時(shí)5 min時(shí)，電站發(fā)出DG1負(fù)載轉(zhuǎn)移命令；當(dāng)解列機(jī)組功率低于5%額定值時(shí)，自動分?jǐn)嘟饬袡C(jī)組DG1主開關(guān)，剩余主柴油發(fā)電機(jī)DG2、DG3并聯(lián)對電網(wǎng)供電[9-13]。具體輕載解列控制程序舉例見表2。

圖2 DG1輕載解列流程圖

表2 DG1輕載解列控制程序舉例

3.3.3 重載問詢

電站重載問詢流程圖如圖3所示。

電站自動收到問訊信號，若在網(wǎng)發(fā)電機(jī)功率不小于1.3～1.5的重載功率，系統(tǒng)給出允許啟動信號；小于1.3～1.5的重載功率，啟動備用發(fā)電機(jī)，全部并網(wǎng)后，功率滿足則允許啟動。若無備用發(fā)電機(jī)或者投入失敗，則發(fā)出問訊失敗報(bào)警。具體電站重載問詢控制程序舉例見表3。

表3 電站重載問詢控制程序舉例

4 結(jié)語

經(jīng)實(shí)船證明，本電站管理系統(tǒng)功能完善、工作可靠、控制準(zhǔn)確，取得了很好的控制效果，較好地完成了預(yù)訂的設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)的參數(shù)整定均符合船級社規(guī)范的規(guī)定。本文研究不僅是為了進(jìn)行開發(fā)實(shí)用的拖帶供應(yīng)船的電站設(shè)計(jì)工作，更重要的是提出和實(shí)踐了一種船舶配電系統(tǒng)中最為重要的一個(gè)部分—船舶電站的設(shè)計(jì)流程，可為后續(xù)的其他船型的設(shè)計(jì)和研究提供硬件和理論的支持及方法論的指導(dǎo)。

圖3 電站重載問詢流程圖 參考文獻(xiàn)：

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2016-09-27

崔守娟(1980—)，女，博士研究生，主要從事測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制理論研究。

U665.12

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