潘 飛

(泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300)

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5 800 DWT油船電站管理系統(tǒng)設(shè)計

潘 飛

(泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300)

基于可編程邏輯控制器(PLC)的船舶電站管理系統(tǒng)，在5 800 DWT油船上采用了分立式模塊組成電站管理系統(tǒng)的設(shè)計思路,由PLC核心管理模塊和負荷分配器、自動同步器、功率變換器等模塊構(gòu)建系統(tǒng)。經(jīng)實船使用，系統(tǒng)功能全面、性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定、操作簡單、維護低廉，滿足圖紙設(shè)計及實際航行要求。

船舶電站管理系統(tǒng)；PLC；分立式；硬件設(shè)計

0 引言

船舶電站是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分。電站供電是全船所有電氣設(shè)備正常運行的必要條件[1]，電站可靠供電取決于發(fā)電機組、發(fā)電機控制屏、連接電纜及電站控制系統(tǒng)等穩(wěn)定工作。船舶電網(wǎng)失電會造成整船癱瘓，導(dǎo)致船舶航行失控，極有可能發(fā)生重大航行事故。油船、化學品船舶還有可能造成重大水域污染，導(dǎo)致不可估量的影響和損失。在設(shè)計5 800 DWT油船電站管理系統(tǒng)時，按照船舶電站自動化的有關(guān)要求，圍繞PLC核心管理模塊選擇相應(yīng)的功能模塊，組成完整的控制網(wǎng)絡(luò)，采集柴油機、發(fā)電機、斷路器等相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)加以判斷和分析，自動處理船舶電站運行中可能出現(xiàn)的各種情況，確保電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行。

1 主要參數(shù)

5 800 DWT油船主要參數(shù)為：總長111.80 m，船長104.55 m，船寬16.20 m，型深7.20 m，滿載吃水5.70 m，空載吃水3.70 m，夏季干舷1.514 m，參考載重噸5 800 t。該船配置情況如下：

①2臺主機,每臺功率為810 kW,轉(zhuǎn)速為750 r/min;

②3臺主發(fā)電機，每臺功率為386 kW，電壓為400 V，頻率為50 Hz，3臺發(fā)電機可根據(jù)負載情況自動并車，同步運行；

③1臺應(yīng)急發(fā)電機，功率為150 kW；

④2臺容量為65 kVA主變壓器，1臺容量為30 kVA應(yīng)急變壓器，電壓為交流400 V/ 220 V,頻率為50 Hz。

本船主要電制為：動力設(shè)備為單相3相交流400 V、50 Hz，正常照明為交流單相220 V、50 Hz，通導(dǎo)設(shè)備和航行設(shè)備為交流單相220 V單相和直流24 V，報警系統(tǒng)為交流單相220 V和直流24 V。

2 5 800 DWT油船電站管理系統(tǒng)的選擇

2.1 部分船舶電站管理系統(tǒng)介紹

近幾年來，市場上常用的船舶電站管理系統(tǒng)[3]有德國SAM公司(型號T1000)、丹麥SELCO公司(型號S6000)、丹麥DEIF(型號PPM)等，這些系統(tǒng)都是整體式模塊船舶電站管理系統(tǒng)(簡稱“整體式模式PMS”)，自帶PLC管理軟件。

2.2 5 800 DWT船舶電站管理系統(tǒng)選擇

5 800 DWT船舶電站管理系統(tǒng)系統(tǒng)屬于分立式模塊船舶電站管理系統(tǒng)(簡稱“分立式模塊PMS”)，該系統(tǒng)由多個獨立的模塊組成。獨立的模塊包括：負荷分配器、自動同步器、發(fā)電機組自動控制模塊、PLC核心管理模塊等。

2.2.1 分立式模塊PMS與整體式模塊PMS性能對比

分立式模塊PMS與整體式模塊PMS性能比較的項目詳見表1。

2.2.2 分立式模塊PMS與整體式模塊PMS價格對比

分立式模塊PMS與整體式模塊PMS的價格比較見表2。

通過表1、表2在性能、價格上的比較發(fā)現(xiàn)，2種模式在性能上都是穩(wěn)定的，整體式模塊PMS在逆功率保護、通訊網(wǎng)絡(luò)、參數(shù)修改、運行速率上有一定的優(yōu)勢。分立式模塊PMS在負載分配、發(fā)電機組自動控制、重載問詢、兼容性等方面有著一定的優(yōu)勢，特別是在兼容性、靈活性方面有著更強的優(yōu)勢。由于分立式模塊PMS是由多個獨立模塊組成的，在后續(xù)維修上，可以直接更換損壞模塊，不需要更換整個模塊，因而，在后續(xù)維修費用上，分立式模塊PMS有著更強的價格優(yōu)勢。

表1 分立式模塊PMS與整體式模塊PMS性能對比

表2 分立式模塊PMS與整體式PMS價格對比

綜上，整體式模塊PMS和分立式模塊PMS在性能上都是穩(wěn)定的，具體性能各有特點，都能滿足客戶和船級社的要求。但分立式模塊PMS價格更便宜，后續(xù)維修更方便，特別是針對目前市場上3萬載重噸以下船舶，有著很強的價格優(yōu)勢，有著更強的市場競爭力。因此，5 800 DWT油船電站管理系統(tǒng)選用分立式模塊船舶電站管理系統(tǒng)。

2.3 船舶電站PLC核心管理模塊選擇

基于PLC控制的船舶電站控制系統(tǒng)與基于微機(單片機)控制的船舶電站管理系統(tǒng)的船舶自動化電站相比，具有可靠性高、用戶所需備件數(shù)量少、系統(tǒng)給定參數(shù)修改簡單、方便等優(yōu)點。

技術(shù)發(fā)展至今，最可靠的控制系統(tǒng)是PLC系統(tǒng)，機艙自動化領(lǐng)域中20世紀80年代的微機控制系統(tǒng)正逐步被PLC控制系統(tǒng)所取代[4]。如今，PLC控制系統(tǒng)的可靠性已為世人所共識，由于產(chǎn)品具有通用性、方便性、簡單性等特點，因而得到技術(shù)人員的青睞。

為了系統(tǒng)的可靠性，更為了產(chǎn)品的技術(shù)指標、經(jīng)濟指標和可靠性指標,本系統(tǒng)的船舶電站自動化核心管理模塊選用PLC核心管理模塊。

3 5 800 DWT船舶電路管理系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 基于PLC的船舶電站管理系統(tǒng)組成

由于該船的電站系統(tǒng)要求全自動控制，實現(xiàn)電站自動化，因而必須將各個自動環(huán)節(jié)有效地聯(lián)接在一起，組成一個完整的控制網(wǎng)絡(luò)，用來采集來自各臺柴油機、發(fā)電機、斷路器、母排網(wǎng)絡(luò)、主要負載的必要的信息、參數(shù)及數(shù)據(jù)，加以判斷和分析，自動處理船舶電站運行中可能出現(xiàn)的各種情況，確保電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟的運行。

PLC核心管理模塊選定之后，需要確定相應(yīng)的功能模塊。該船舶電站管理系統(tǒng)模塊主要有自動同步器、負荷分配器、發(fā)電機組自動控制模塊、電器參數(shù)變換器等。各模塊的組成及功能圖如圖1所示。

下面將按照圖1的電站管理系統(tǒng)模塊組成及功能圖，逐一說明自動同步器、負荷分配器、發(fā)電機組自助控制模塊、PLC核心管理模塊等功能及選擇。

3.2 基于PLC的船舶電站管理系統(tǒng)的模塊介紹

3.2.1 自動同步器模塊

自動同步器主要用于采集來自船舶電網(wǎng)和帶發(fā)電機組的電壓、頻率信號，通過比較，如果不滿足并車條件，則發(fā)出不能合閘信號；如果滿足并車條件，則發(fā)出合閘信號。

本系統(tǒng)選擇丹麥DEIF公司生產(chǎn)的型號為FAS-113DG的自動同步器，設(shè)計為3臺發(fā)電機組共用1件。選用該模塊主要是為了減少PLC核心模塊的計算量，提高PLC核心管理模塊的速率。

3.2.2 負荷分配器模塊

負荷分配器主要用于接收發(fā)電機組主開關(guān)的電壓、電流信號，測算有功功率，通過比較，對發(fā)電機組發(fā)出調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速的指令。該調(diào)節(jié)屬于精度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)電機組間負載轉(zhuǎn)移，直至達到負荷平衡。

本系統(tǒng)選擇丹麥DEIF公司生產(chǎn)的型號為LSU2-113DG的負荷分配器，1臺發(fā)電機組1件。

3.2.3 發(fā)電機組自動控制模塊

機組自動控制模塊主要用于發(fā)電機組自動化及監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電機組的自動開機/停機、多種參數(shù)測量、故障顯示保護等。本系統(tǒng)選擇丹麥DEIF公司生產(chǎn)的型號為GC-1F的機組自動控制模塊，1臺發(fā)電機組1件。

3.2.4 PLC核心管理模塊

PLC核心管理模塊選用三菱公司的FX2N系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)能力強，穩(wěn)定性高，特別能適應(yīng)船舶的環(huán)境溫度較高、相對濕度很大、振動和搖晃、噪聲大等惡劣條件。為達到輸入輸出點數(shù)靈活配置及易于擴展的目的，三菱公司的FX2N系列的產(chǎn)品可由不同點數(shù)的基本單元和擴展單元構(gòu)成。同時，控制器的結(jié)構(gòu)還做成了模塊化，各種不同點數(shù)的可編程序控制器都做成同寬同高不同長度的模塊，這樣，幾個模塊拼裝起來后就成了一個整體的長方體結(jié)構(gòu)。

具體選擇型號為FX2N-80MR可編程序控制器，同時配有2個擴展單元： FX2N-32EK(為擴展口)、FX2N-4AD(模擬量輸入4通道)。FX2N-80MR可編程序控制器采用一體化的箱體式結(jié)構(gòu)，其特點是非常緊湊。它將所有的電路都裝入1個模塊內(nèi)，構(gòu)成一個整體，這樣體積小巧、成本低、安裝方便。

圖1 5 800 DWT船舶電站管理系統(tǒng)框圖

4 結(jié)語

設(shè)計時選擇分立式模塊船舶電站管理系統(tǒng)作為5 800 DWT油船電站管理系統(tǒng)是考慮到整個系統(tǒng)的技術(shù)性能、安全性能、經(jīng)濟性能及后續(xù)維修。確定PLC可編程序控制器為本系統(tǒng)的核心管理模塊，每臺發(fā)電機都具有獨立的PLC控制子系統(tǒng)，實現(xiàn)了分散監(jiān)控、集中管理。選用相應(yīng)功能模塊，利用PLC把各個功能模塊整合到一起，通過PLC各個功能設(shè)計及實現(xiàn)，形成功能強、維修易、價格低的船舶電站管理系統(tǒng)。

基于PLC的分立式模塊船舶電站管理系統(tǒng)[5]，采用PLC梯形圖編程，按照5 800 DWT油船的具體情況設(shè)計，考慮了船東的特殊要求，滿足了國家法規(guī)對船舶電站自動化的具體要求。

實用是工程設(shè)計的基本要求，穩(wěn)定性、可靠性是船舶電站管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)經(jīng)實船運行，只出現(xiàn)過一些參數(shù)的重新設(shè)定等情況，未發(fā)生一起性能不穩(wěn)定或誤操作或重大質(zhì)量事故。運行以來，性能穩(wěn)定、功能強大、維修方便、價格較低，得到了船級社的認可，受到船東的好評。

[1] 鄭華耀.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)[M].大連：大連海事大學,2005.

[2] 鄧志良，劉維亭.電氣控制技術(shù)與PLC[M].南京：東南大學出版社,2002.

[3] 路林吉，王堅，江龍康.可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社,2002.

[4] 杜曉滔.基于PLC和串行通信的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[5] 張璟.PLC和Labview在船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].艦船科學技術(shù)，2016(6):67-69.

2016-11-30

潘飛(1981—)，男，工程師，主要從事船舶檢驗工作。

U665.12

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