李 欣，李衛(wèi)東

靠港船舶智能陸基供電系統(tǒng)

李 欣1，李衛(wèi)東2

（1. 錦州航星艦船研究所有限公司，遼寧錦州 121000；2. 錦州航星集團(tuán)有限公司，遼寧錦州 121000）

為了實(shí)現(xiàn)綠色港口，保護(hù)環(huán)境，減少港口CO2等污染物排放，降低大氣和噪聲污染，基于可編程控制器和工控機(jī)，運(yùn)用profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智能陸基供電系統(tǒng)。系統(tǒng)中在PLC中實(shí)現(xiàn)邏輯控制，在工控機(jī)中完成監(jiān)控和管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶靠港后使用陸基供電系統(tǒng)供電及日常供電管理。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了靠港船舶日常供電的新方向，其全自動(dòng)智能監(jiān)控和管理功能省時(shí)、省力、安全可靠，特別適合未來(lái)港口船舶?？康陌l(fā)展需求。

陸基供電系統(tǒng) PLC profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線

0 引言

中國(guó)是世界上較大的航運(yùn)國(guó)家，隨著我國(guó)水運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，綠色港口發(fā)展的需求日益增強(qiáng)，建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的綠色生態(tài)港口得到國(guó)家和港口企業(yè)高度重視，船舶?？扛酆笸Ｓ么习l(fā)電機(jī)，改用陸基岸電供電這一節(jié)能減排的重大舉措目前正在我國(guó)港口碼頭行業(yè)逐步展開(kāi)，因此陸基供電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其簡(jiǎn)約的控制邏輯及友好的可視化界面，使陸基供電系統(tǒng)的控制和管理更加便捷，高效。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能陸基供電系統(tǒng)是基于控制主站與控制子站分層管控的DCS控制模式，子站負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與控制，而主站采用IPC與PLC[1]相結(jié)合的工作方式，負(fù)責(zé)管理并歸檔全部現(xiàn)場(chǎng)子站的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。在主站IPC的監(jiān)控界面既可以查看現(xiàn)場(chǎng)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)還可以查看歷史記錄，同時(shí)還可以查看系統(tǒng)報(bào)警跳閘的實(shí)時(shí)和歷史記錄，并實(shí)現(xiàn)配電斷路器和風(fēng)機(jī)等集中有效控制。

其次，智能陸基供電系統(tǒng)在供電方式上也與眾不同，設(shè)計(jì)中采用UPS電源集中供電方式，由UPS不間斷電源經(jīng)過(guò)電源模塊變換后向整套系統(tǒng)提供控制電源，包括DC24 V、DC110 V、DC220 V、AC220 V，主要用于控制主站、控制子站、變送器、電路保護(hù)監(jiān)測(cè)單元，變壓器風(fēng)機(jī)控制單元，變壓器溫度采集單元、主開(kāi)關(guān)、應(yīng)急照明電路等，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中所有控制電源的集中管理、統(tǒng)一分配，確?？刂齐娐贩€(wěn)定可靠工作。特別是當(dāng)電源突然斷電時(shí)，UPS不間斷電源仍然能正常供電一段時(shí)間，使系統(tǒng)中監(jiān)控管理設(shè)備做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的完整性。同時(shí)也使電路中關(guān)鍵部件恢復(fù)到安全狀態(tài)，保證了可靠操作及人身安全。系統(tǒng)中控制電路的直流控制電源都取自UPS不間斷電源，未在電路中設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的直流控制供電電源，從而使電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，更節(jié)省很多空間和成本。從集中監(jiān)控管理的角度來(lái)講，這種設(shè)計(jì)也確保了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效和統(tǒng)一完整。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能陸基供電系統(tǒng)采用了集散式控制系統(tǒng)的管理模式。其控制電路原理框圖如圖1所示，主要由以下幾部分構(gòu)成：IPC智能監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理控制主站[2]，電源逆變子站[2]、配電子站[2]、變壓器子站[2]以及打印機(jī)、光纖接口模塊等。IPC和控制主站是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線[2]在IPC上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理與操控，這是智能陸基供電系統(tǒng)[3]設(shè)計(jì)上一大亮點(diǎn)。由于港口陸基供電系統(tǒng)[3]的設(shè)計(jì)和研制開(kāi)發(fā)工作尚處于初期階段，對(duì)其要滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)的功能都在不斷完善過(guò)程中，目前港口已經(jīng)安裝的陸基供電系統(tǒng)都側(cè)重于本地監(jiān)測(cè)和操控功能，注重人工板前供電及安全可靠連船。對(duì)于大屏幕的遠(yuǎn)程集中管理與監(jiān)控未做過(guò)多的研發(fā)，特別是與變電站的配電中心及船側(cè)的PMS管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控功能都不夠完善，仍需在這方面進(jìn)行深入研究和探索，因此設(shè)計(jì)中智能陸基供電系統(tǒng)使用光纖接口模塊，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與變電站配電中心，與船側(cè)的PMS管理系統(tǒng)的信息交換，采用profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線[2]技術(shù)完成主站與各個(gè)子站的數(shù)據(jù)交換。在IPC上通過(guò)大屏幕的監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)供電過(guò)程中各個(gè)配電部門(mén)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安全可靠地對(duì)輸入輸出配電進(jìn)行集中分配和統(tǒng)一管理。實(shí)現(xiàn)港口供電[3]的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表、歸檔、供電費(fèi)率的統(tǒng)計(jì)、結(jié)算等等。

圖1 智能陸基供電系統(tǒng)控制電路原理框圖

2.1 控制主站

由于在智能監(jiān)控系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析工作，因此相對(duì)于控制主站的運(yùn)算速度和處理能力要求較高，設(shè)計(jì)中采用西門(mén)子公司的S7-300[1]系列PLC模塊實(shí)現(xiàn)，該系列模塊的CPU處理能力較強(qiáng)[1]，通過(guò)對(duì)其軟件編程實(shí)現(xiàn)陸基供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、綜合故障報(bào)警等功能。且CPU模塊本身具有以太網(wǎng)及profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線[1]通訊功能，能夠可靠的實(shí)現(xiàn)與IPC及智能子站的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控工作，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中工廠級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)處理提供有利的保證。

2.2 智能子站

從模塊化角度來(lái)劃分，其智能子站包括電源逆變子站、配電子站和變壓器子站。

電源逆變子站：該子站由整流單元和逆變單元組成，并通過(guò)整流和逆變單元中智能模塊HCU實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)單元中整流和逆變功率器件的控制，完成不同頻率和電壓的輸出功能。對(duì)于整流和逆變單元的參數(shù)設(shè)置及信息采集由控制主站通過(guò)profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線[2]與整流和逆變單元中智能模塊HCU通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。其硬件框圖如圖2所示，配電子站：配電子站主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)線電源和逆變輸出電源的控制，由進(jìn)線單元、預(yù)充單元、輸出配電單元組成。該子站通過(guò)profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線[2]與控制主站進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)線、預(yù)充及輸出配電單元的控制，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)進(jìn)出單元的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)做出報(bào)警和跳閘處理。

變壓器子站：該子站主要完成進(jìn)線變壓器和出線變壓器的溫度監(jiān)測(cè)及保護(hù)，與控制主站之間的通訊由profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線[2]總線實(shí)現(xiàn)。

圖2 電源逆變子站硬件原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能陸基供電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和控制主站S7-300[1]中的程序設(shè)計(jì)兩部分。智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)部分主要是在IPC上完成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的各種畫(huà)面設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)歸檔處理、報(bào)表打印等功能?？刂浦髡維7-300[1]中的程序設(shè)計(jì)主要是在西門(mén)子S7-300[1]的硬件配置環(huán)境中實(shí)現(xiàn)逆變子站、配電子站、變壓器子站的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)完成控制系統(tǒng)的報(bào)警、保護(hù)跳閘等功能。

3.1 智能監(jiān)控軟件（IPC軟件監(jiān)控界面）

IPC上軟件監(jiān)控界面是基于力控ForceControl編寫(xiě)的監(jiān)控軟件，其交互界面友好，操作簡(jiǎn)單方便。主界面詳盡的顯示了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)及其相關(guān)電量參數(shù)，通過(guò)觸摸界面操作人員可直接進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)大屏幕的遠(yuǎn)程集中管理與監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)階段大多數(shù)的陸基供電系統(tǒng)的報(bào)表功能不完善，統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)不全面，對(duì)數(shù)據(jù)歸檔也未做詳細(xì)處理。目前，在智能監(jiān)控軟件界面中對(duì)其上述功能進(jìn)行了完善，并得到了完美體現(xiàn)。尤其是數(shù)據(jù)報(bào)表和統(tǒng)計(jì)功能在智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)中做了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。進(jìn)入數(shù)據(jù)報(bào)表界面后，通過(guò)點(diǎn)選上方的操作按鈕，可以對(duì)10 kV的進(jìn)線電路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)等電量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)輸入查詢(xún)?nèi)掌诓樵?xún)歷史記錄，如果需要提交進(jìn)線電路電量參數(shù)的報(bào)表文件，可以通過(guò)導(dǎo)出報(bào)表功能，導(dǎo)出EXCEL表格形式的文件。除了對(duì)進(jìn)線電路電量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史記錄查詢(xún)及報(bào)表導(dǎo)出外，在數(shù)據(jù)報(bào)表界面，還可以點(diǎn)選上方其他的操作按鈕，分別對(duì)變頻電源、輸出計(jì)量單元、饋線輸出單元的電量參數(shù)，對(duì)移向變壓器、隔離變壓器的溫度參數(shù)進(jìn)行與10 kV的進(jìn)線電路相同的操作。另外，每次充電完成后，用戶(hù)能夠直接在報(bào)表界面統(tǒng)計(jì)本次陸基供電數(shù)據(jù)，查看供電量和供電費(fèi)用，并及時(shí)填寫(xiě)數(shù)據(jù)小票，打印計(jì)費(fèi)憑證等，這些實(shí)用的報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能使智能陸基供電系統(tǒng)的應(yīng)用和操作更加方便實(shí)用。

其次，在主監(jiān)控界面中，可以直接控制配電屏中各個(gè)主開(kāi)關(guān)的合分閘，變壓器和濾波器風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)停止，特別是在界面的右下角，設(shè)計(jì)了變頻電源的操控功能，可以對(duì)變頻電源的輸出進(jìn)行配置，操控電源的啟動(dòng)停止等等。在監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面，對(duì)于配電子站中主開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)的狀態(tài)也做了動(dòng)畫(huà)顯示，其效果形象直觀，一目了然。各母線段的電壓、電流也進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示，方便操作人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)工況。報(bào)警界面可以詳細(xì)地查看陸基供電系統(tǒng)發(fā)生的報(bào)警情況，并及時(shí)排除故障，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行。進(jìn)入配電屏界面可以更詳盡的查看其中的電量參數(shù)，包括各種功率參數(shù)，主開(kāi)關(guān)的狀態(tài)及手車(chē)的位置等等。同樣在逆變電源界面可以更詳盡的查看逆變電源的電量參數(shù)，包括兩種輸出電制的設(shè)置和進(jìn)線電源相序等。

因此，從港口對(duì)智能陸基供電系統(tǒng)的管理[3]來(lái)講，在智能監(jiān)控軟件側(cè)完全可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能監(jiān)控和管理，省時(shí)、省力、安全可靠，特別適合未來(lái)港口的智能化及自動(dòng)化的發(fā)展需求。

圖3 陸基供電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝使用照片

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)粗略計(jì)算，船舶靠岸后如果采用陸基供電系統(tǒng)供電，每用一度電可比燃燒柴油節(jié)省成本1元多，對(duì)于港口而言，目前我們的系統(tǒng)是2000 KVA陸基供電系統(tǒng)，即使考慮到設(shè)備損耗及負(fù)載功率因數(shù)等因素，保守計(jì)算，陸基供電系統(tǒng)每開(kāi)機(jī)一小時(shí)，可為船東節(jié)省成本1500元。港方可以與船東協(xié)商分配收益，特別是后期陸基供電設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行將為港方帶來(lái)源源不斷的利益,目前在北方，國(guó)家電網(wǎng)針對(duì)陸基供電系統(tǒng)的補(bǔ)貼政策出臺(tái)后,利益將更加可觀。

另外，從港口整體減少污染物排放的折算經(jīng)濟(jì)效益看，將大量減少CO2排放，同時(shí)約含99%的CO和超過(guò)50%的N2O的排放。也將減少船舶發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)和噪音，改善輪機(jī)員維修保養(yǎng)機(jī)艙設(shè)備的工作環(huán)境。對(duì)于使用陸基供電技術(shù)，大氣和噪聲污染可大幅度降低，燃油消耗也將降低，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)顯著提高，因此具有高可行性和高可操作性，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 廖常初. S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 第4版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.

[2] 廖常初. 西門(mén)工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[3] 劉興宇. 港口船舶岸電技術(shù)與實(shí)踐[M]. 北京:中國(guó)電力出版社, 2018.

An Intelligent Onshore Power Supply System For Ships Berthing in a Harbor

Li Xin, Li Weidong

(1. Institute of Ship Research Jinzhou Hangxing, Jinzhou 121000, Liaoning, China; 2. Jinzhou Hangxin Group Co., Ltd, Jinzhou 121000, Liaoning, China)

In order to realize green port, protect environment, reduce pollutant emissions such as CO, reduce atmospheric and noise pollution, based on programmable controller and industrial computer, an intelligent land-based power supply system is designed and developed by using profibus-dp general technology on site. In the system, the logic control, and the monitoring and management are completed in PLC and the industrial computer so that the power supply and daily power supply management of the land-based power supply system are realized. The application results show that the system realizes the new direction of the daily power supply of the ship by port, with the automatic intelligent monitoring and management function characterising time &effort-saving and high reliability, especially suitable for ship docking at port in the future.

U653.95

A

1003-4862（2019）09-0036-04

2018-02-15

李欣（1975-），女，工程師。研究方向：船舶設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: xblixin@163.com