覃登羅 樊斌 閆鶴翔

摘 ? ?要：本文分析了某船舶電站監(jiān)控程序存在的數(shù)據(jù)采集不同步、不可控以及過(guò)載保護(hù)不可靠等設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)采集順序，采用時(shí)鐘事件觸發(fā)方式代替時(shí)鐘上升沿觸發(fā)方式對(duì)程序進(jìn)行改進(jìn)，消除了這些缺陷。

關(guān)鍵詞：船舶電站; 監(jiān)控程序; 缺陷; 改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TM769 ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper analyses the principle and damage of the design defects of a ship power station monitoring program， such as unsynchronized data acquisition， uncontrollable data acquisition and unreliable overload protection， improves the program by adjusting the sequence of data acquisition and using clock event trigger mode instead of clock rising edge trigger mode， to eliminate these defects and explain the abnormal phenomenon and the reason of a generator fault.

Key words： Ship Power Station; Monitoring program; Defects; Improvement

1 ? ? 前言

某船舶電站由兩臺(tái)額定功率為PN的發(fā)電機(jī)組成，通過(guò)電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖1所示。在正常情況下兩機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，電力監(jiān)控系統(tǒng)顯示的兩機(jī)功率值會(huì)有所波動(dòng)，但由于波動(dòng)不大未引起注意。某次由兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電電網(wǎng)負(fù)載總功率約0.8 PN ，當(dāng)接入本船最大負(fù)載（功率為0.6 PN）時(shí)，2號(hào)、1號(hào)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)先后自動(dòng)斷開(kāi)，且1號(hào)發(fā)電機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障保護(hù)停機(jī)（原動(dòng)機(jī)與減速器之間的彈性軸斷裂），電力監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏上短時(shí)間同時(shí)顯示兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率大于1.25，超出了發(fā)電機(jī)的過(guò)載能力[1]。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查與分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制程序存在比較嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷，并提出了改進(jìn)措施，排除了未知負(fù)載接入、短路、逆功以及電路故障的可能性[2]。

2 ? ? 電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控原理

電力監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)PLC對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控程序偽代碼如下：

（1）讀取時(shí)基為10 ms的時(shí)鐘狀態(tài);

（2）如果時(shí)鐘狀態(tài)從0變?yōu)?，則捕捉到時(shí)鐘上升沿，計(jì)數(shù)tik增加1;

（3）如果tik>15，則tik=0;

（4）如果tik=5，則采集2號(hào)發(fā)電機(jī)功率P2;

（5）如果tik=10，則采集1號(hào)發(fā)電機(jī)功率P1;

（6）如果tik=15，則采集岸電功率PB;

（7）如果P1>1、10持續(xù)8 s，則卸掉1號(hào)發(fā)電機(jī)次要負(fù)載，并發(fā)出1號(hào)發(fā)電機(jī)次要負(fù)載斷開(kāi)報(bào)警;

（8）如果P1>1、25持續(xù)1 s，則斷開(kāi)1號(hào)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)，并發(fā)出1號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率>125%報(bào)警;

（9）如果P1>1、29，則斷開(kāi)1號(hào)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)，并發(fā)出1號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率>125%報(bào)警;

（10）如果P2>1、10持續(xù)8 s，則卸掉2號(hào)發(fā)電機(jī)次要負(fù)載，并發(fā)出2號(hào)發(fā)電機(jī)次要負(fù)載斷開(kāi)報(bào)警;

（11）如果P2>1、25持續(xù)1 s，則斷開(kāi)2號(hào)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)，并發(fā)出2號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率>125%報(bào)警;

（12）如果P2>1、29，則斷開(kāi)2號(hào)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)，并發(fā)出2號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率>125%報(bào)警。

該監(jiān)控程序的功能是對(duì)發(fā)電機(jī)功率采集和功率過(guò)載保護(hù)，其原理是：

語(yǔ)句1～3，通過(guò)判斷相鄰兩個(gè)掃描周期的時(shí)鐘狀態(tài)從0變?yōu)?來(lái)捕捉時(shí)鐘上升沿，對(duì)上升沿計(jì)數(shù)，每16個(gè)上升沿為一個(gè)周期;

語(yǔ)句4～6，當(dāng)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)等于5、10、15時(shí)，分別采集2號(hào)發(fā)電機(jī)、1號(hào)發(fā)電機(jī)和岸電的功率;

語(yǔ)句7～12，根據(jù)預(yù)定規(guī)則對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行超負(fù)荷保護(hù)并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。

3 ? ?監(jiān)控程序設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析

電站監(jiān)控系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)采集不同步、不可控及過(guò)載保護(hù)不可靠的缺陷，這些缺陷在正常情況下不易發(fā)現(xiàn);但當(dāng)并聯(lián)發(fā)電機(jī)功率分配波動(dòng)時(shí)，這些缺陷便顯露出來(lái)，而且波動(dòng)越大越明顯，可能會(huì)造成誤動(dòng)作或失控而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

3.1 ? 數(shù)據(jù)采集不同步

由于監(jiān)控程序?qū)?、2號(hào)發(fā)電機(jī)功率的采集不同時(shí)進(jìn)行，在雙機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法正確測(cè)量電網(wǎng)負(fù)載的功率值：設(shè)電網(wǎng)負(fù)載總功率為P，1、2號(hào)發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率值為P10、P20，則P10+P20 =P;監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量到的兩機(jī)功率為P11、P21，由于P11和P21不是同一時(shí)刻的值，其值范圍分別是0≤P11≤P、0≤P21≤P，兩值之和的范圍是0≤P11+P21≤2P，即從監(jiān)控系統(tǒng)中兩發(fā)電機(jī)功率之和為0～2P之間的任意值;當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載總功率不變而兩發(fā)電機(jī)有功功率分配波動(dòng)時(shí)，P10、P20、P11、P21可能的變化曲線如圖2 a ）所示，P10+P20和P11+P21變化曲線如圖2 b ）所示。

在兩機(jī)功率分配有波動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集不同步導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法得到電網(wǎng)負(fù)載功率的實(shí)際值，其控制將變得混亂。

3.2 ? 數(shù)據(jù)采集不可控

監(jiān)控程序通過(guò)捕捉時(shí)鐘上升沿來(lái)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集動(dòng)作，實(shí)際運(yùn)行時(shí)程序并不能捕捉到所有的時(shí)鐘上升沿，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集時(shí)機(jī)存在不確定性，因而是不可控的。

以時(shí)鐘周期=10 ms及PLC掃描周期=12 ms為例：在PLC掃描周期R1～R12內(nèi)捕捉到時(shí)鐘T1、T7兩個(gè)周期的上升沿，而其它10個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿丟失，其規(guī)律為每10個(gè)掃描周期重復(fù)出現(xiàn)，因此上升沿捕捉率為2/12=17%;當(dāng)掃描周期為10 ms時(shí)（時(shí)鐘半周期的偶數(shù)倍），捕捉不到上升沿，此時(shí)上升沿捕捉率為0;當(dāng)掃描周期為15 ms時(shí)（時(shí)鐘半周期的奇數(shù)倍），上升沿捕捉率為50%;當(dāng)掃描周期在時(shí)鐘半周期以內(nèi)時(shí)，上升沿捕捉率達(dá)到100%。

實(shí)際上，PLC的掃描周期是不固定的。如果設(shè)定了掃描周期，當(dāng)PLC實(shí)際掃描周期小于設(shè)定掃描周期時(shí)，PLC會(huì)等待到設(shè)定時(shí)間后再進(jìn)行下一個(gè)掃描周期;而當(dāng)PLC實(shí)際掃描周期大于設(shè)定掃描周期時(shí)，則以實(shí)際掃描周期為準(zhǔn);而且在一個(gè)掃描周期內(nèi)，時(shí)鐘狀態(tài)也可能發(fā)生變化，在不同時(shí)刻讀取到的時(shí)鐘狀態(tài)也可能不同，當(dāng)掃描周期為半時(shí)鐘周期的偶數(shù)倍時(shí)，上升沿捕捉率可能會(huì)很低，但為0的情況幾乎不會(huì)發(fā)生。

根據(jù)對(duì)PLC進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)：在5分鐘內(nèi)，按循環(huán)方式和設(shè)定不同的掃描周期，記錄捕捉到的時(shí)基10 ms時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)量，得到表2的數(shù)據(jù)。從表2可以看出，掃描周期為12 ms時(shí)，時(shí)鐘上升沿捕捉率為17%。

測(cè)試說(shuō)明：①每種方式檢測(cè)時(shí)間為5分鐘，實(shí)際產(chǎn)生時(shí)鐘上升沿為30 000個(gè);②當(dāng)設(shè)置的掃描周期小于實(shí)際掃描周期時(shí)，按實(shí)際的掃描周期執(zhí)行;當(dāng)設(shè)置的掃描周期大于實(shí)際掃描周期時(shí)，掃描完成后延時(shí)到設(shè)定時(shí)間再繼續(xù)下一個(gè)掃描周期;③ 實(shí)際掃描周期不固定，一般在8～12 ms之間，最小為6 ms，最大為17 ms;④ PLC實(shí)際完成一個(gè)周期比設(shè)定掃描周期多1 ms，即如果設(shè)定掃描周期為T(mén)，實(shí)際執(zhí)行需T+1 ms。

根據(jù)采樣定理，要想捕捉到所有的時(shí)鐘上升沿，PLC掃描周期不能大于時(shí)鐘周期的一半。本程序中時(shí)鐘周期為10 ms，要求PLC掃描周期不大于5 ms，但本電力監(jiān)控系統(tǒng)中PLC的掃描周期為8～12 ms，因此必然存在上升沿丟失的情況，而且掃描周期越接近時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，上升沿捕捉率越低。

3.3 ? 過(guò)載保護(hù)不可靠

由于監(jiān)控系統(tǒng)采集到的發(fā)電機(jī)功率之和不等于電網(wǎng)負(fù)載功率實(shí)際值，其數(shù)據(jù)是不可靠的，而使用不可靠的數(shù)據(jù)作為依據(jù)進(jìn)行控制是不可靠的。

電力監(jiān)控系統(tǒng)為離散系統(tǒng)，每次采集的數(shù)據(jù)將保持一個(gè)采集周期。程序中設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期為捕捉到16個(gè)周期為10 ms的時(shí)鐘上升沿的時(shí)間，理論上應(yīng)為16*10=160 ms，由于存在上升沿丟失現(xiàn)象且丟失率不確定，因而數(shù)據(jù)采集周期也不確定，可能遠(yuǎn)大于160 ms。因此過(guò)載保護(hù)中的過(guò)載持續(xù)時(shí)間是無(wú)法確定的，理論上過(guò)載持續(xù)1 s斷開(kāi)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)，實(shí)際上過(guò)載只持續(xù)0.1 s就有可能斷開(kāi)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)[3]。

4 ? ?監(jiān)控程序設(shè)計(jì)改進(jìn)

將原監(jiān)控程序的語(yǔ)句1～6修改為以下4句，并由10 ms時(shí)鐘事件觸發(fā)：

（1）tik增加1;

（2）如果tik大于10，則tik=1;

（3）如果tik=5，則采集2號(hào)發(fā)電機(jī)功率P2 和1號(hào)發(fā)電機(jī)功率P1;

（4）如果tik=10，則采集岸電功率PB。

語(yǔ)句3同時(shí)采集兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集同步;每次采集到的兩發(fā)電機(jī)的功率之和均等于電網(wǎng)實(shí)際負(fù)載功率，并且由于是時(shí)鐘事件觸發(fā)，不會(huì)錯(cuò)失執(zhí)行的機(jī)會(huì)，數(shù)據(jù)采集周期嚴(yán)格保持在10 ms*10=100 ms，因此是可控的，數(shù)據(jù)和過(guò)載保護(hù)也是可靠的[4]。

5 ? ? 發(fā)電機(jī)故障現(xiàn)象原因分析

根據(jù)上述分析，推斷發(fā)電機(jī)故障發(fā)生的原因如下（見(jiàn)圖3）。

兩發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作時(shí)電網(wǎng)負(fù)載總功率約為0.80，功率平均分配，當(dāng)接入0.6 的負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)負(fù)載總功率為1.4 。若由于某種原因，如突加負(fù)載導(dǎo)致調(diào)頻調(diào)載出現(xiàn)錯(cuò)亂，使有功功率分配大幅度波動(dòng)，監(jiān)控系統(tǒng)在t0檢測(cè)到2號(hào)發(fā)電機(jī)功率大于1.25 ，該值保持到t4;在t1檢測(cè)到1號(hào)發(fā)電機(jī)功率大于1.25 ，該值保持到t5;在t1到t4之間，兩機(jī)顯示功率均大于1.25 。

在t2時(shí)由于2號(hào)發(fā)電機(jī)功率大于1.25 持續(xù)1 s而斷開(kāi)其主開(kāi)關(guān)，此時(shí)全部負(fù)載加到1號(hào)發(fā)電機(jī)上，導(dǎo)致1號(hào)機(jī)嚴(yán)重超載而斷軸，輸出功率迅速下降;在t3時(shí)斷開(kāi)其主開(kāi)關(guān)，由于從t1到t5的時(shí)間小于1 s，沒(méi)有觸發(fā)1號(hào)發(fā)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)動(dòng)作。由于機(jī)帶滑油泵失去動(dòng)力，導(dǎo)致滑油壓力下降，經(jīng)過(guò)5 s因滑油壓力過(guò)低，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)觸發(fā)滑油壓力低保護(hù)動(dòng)作而緊急停機(jī)，并發(fā)出嚴(yán)重故障報(bào)警，電力監(jiān)控系統(tǒng)收到報(bào)警后作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作（如斷開(kāi)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)），并顯示和記錄此報(bào)警信息。

6 ? ? 結(jié)論

（1）監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)缺陷可能會(huì)造成誤判、誤動(dòng)作或失控而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。本文對(duì)本船電力監(jiān)控程序進(jìn)行改進(jìn)后，消除了缺陷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）PLC作為控制器，應(yīng)用十分廣泛，在對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的監(jiān)控應(yīng)保持同步，監(jiān)控時(shí)間應(yīng)具有確定性，避免使用有缺陷的數(shù)據(jù)作為控制的依據(jù)[5]。

參考文獻(xiàn)

[1]林華峰.船舶電站[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社， 1998.

[2]國(guó)家技術(shù)監(jiān)局.船舶電站通用技術(shù)要求和試驗(yàn)方法[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)? ? ?準(zhǔn)出版社， 1992.

[3]康波，李云霞.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2015.

[4]趙燕，徐漢斌.PLC從原理到應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，?? ? ?2013.

[5]曹立強(qiáng)，船舶電站綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 大連海事大學(xué)，?? ? ? ?2017.