張吉山

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

1 概述

船舶就像一座流動(dòng)的海上城市。幾乎所有設(shè)備都必須提供電能。因此，該船配備了獨(dú)立的發(fā)電廠，該發(fā)電廠由發(fā)電，配電和功耗組成- 船上發(fā)電廠。自1960 年代以來，就對(duì)船舶電廠的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提出了要求。船用電廠自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)包括：能夠保持電力供應(yīng)的連續(xù)性和電廠的更高可靠性，提高船舶的生命力并提高電力供應(yīng)的質(zhì)量；改善船員的工作條件，減輕作業(yè)強(qiáng)度，改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和船舶作業(yè)的靈活性[1]。

現(xiàn)代船舶電廠自動(dòng)化不僅可以實(shí)現(xiàn)普通船舶電廠監(jiān)控系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的各種監(jiān)視和控制功能，而且可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的能源管理，以確保船舶電廠在不同的工作條件下能夠有效，經(jīng)濟(jì)地工作。因此，對(duì)電廠自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)以及穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品為中國(guó)現(xiàn)代艦艇提供裝備，具有十分重要的技術(shù)意義。

2 船舶電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 自動(dòng)化電站控制系統(tǒng)的組成

圖1 電站系統(tǒng)組成

船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)采用由德國(guó)西門子公司的PLC（一臺(tái)S7-300PLC、四臺(tái)S7-200PLC）與兩臺(tái)DEIF 公司的PPU（Protection and Paralleling Unit）及少量繼電器組成，其數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

從圖中可以得出結(jié)果，該系統(tǒng)是分布式管理結(jié)構(gòu)，主要環(huán)節(jié)是電廠監(jiān)控系統(tǒng)。在控制過程中，PLC 和控制面板從所有其他輸入線讀取必要的信號(hào)，以便執(zhí)行信號(hào)管理以執(zhí)行兩個(gè)發(fā)電機(jī)組的控制和監(jiān)視任務(wù)。

1 號(hào)與2 號(hào)PLC 主要負(fù)責(zé)檢測(cè)轉(zhuǎn)速，盤車桿位置，燃油溫度、壓力，滑油溫度、壓力，冷卻水溫度，超速信號(hào)，空氣壓力，停止閥，主開關(guān)等開關(guān)量信號(hào)；

3 號(hào)PLC 主要負(fù)責(zé)檢測(cè)負(fù)載屏上開關(guān)量信號(hào)；

4 號(hào)PLC 負(fù)責(zé)檢測(cè)組合起動(dòng)屏的負(fù)載狀態(tài)信號(hào)；

1 號(hào)和2 號(hào)PPU 檢測(cè)電網(wǎng)電壓，發(fā)電機(jī)電壓和電流，有功和無功功率，功率因數(shù)等。

監(jiān)控站PLC300 通過PROFIBUS 通信協(xié)議，檢測(cè)這些信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)匯總、分類，發(fā)出指令等。

2.2 船舶電站的基本功能

船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)從總體意義來說，所應(yīng)具有的功能如下：

（1）對(duì)電網(wǎng)電壓、電流、頻率等電氣參數(shù)和動(dòng)作信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警、記錄。

（2）幾臺(tái)發(fā)電機(jī)組應(yīng)配備啟動(dòng)控制程序。如果設(shè)備的一部分出現(xiàn)故障且無法啟動(dòng)，則設(shè)備的下一部分應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)并自動(dòng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。（如果兩個(gè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)連接，它們應(yīng)該能夠自動(dòng)完成同步輸入）。

（3 發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)分配恒定電壓和無功功率：勵(lì)磁設(shè)備會(huì)自動(dòng)調(diào)整以在單次或并聯(lián)運(yùn)行期間保持恒定的電源電壓。同時(shí)，可以調(diào)節(jié)帶有并聯(lián)控制的發(fā)電機(jī)組的無功功率分配，以確保有效分配。

（4）自動(dòng)分配自動(dòng)恒定頻率和有功功率。當(dāng)兩個(gè)單元并行操作時(shí)，自動(dòng)頻率調(diào)制和分配裝置與速度控制器一起操作，以將網(wǎng)絡(luò)維持在不超過恒定頻率的穩(wěn)定狀態(tài)。每個(gè)單元假定的有功功率按單元容量的比例分配。

（5）重載請(qǐng)求?，F(xiàn)代大型船舶通常具有容量為100 kW 的獨(dú)特機(jī)器。例如電動(dòng)船首推進(jìn)器，大型電纜絞車，以及工程船上的其他功率負(fù)載，通常具有與發(fā)電機(jī)的獨(dú)立功率等效的功率，并且在使用時(shí)應(yīng)啟動(dòng)這種大功率負(fù)載前應(yīng)該詢問一下電站中供電的發(fā)電機(jī)組，判斷電站的功率儲(chǔ)備能否滿足他們的用電和啟動(dòng)要求。

（6）發(fā)電機(jī)組是自動(dòng)運(yùn)行的并且在錯(cuò)誤狀態(tài)下啟用關(guān)閉控制功能。船舶發(fā)電廠委托的發(fā)電機(jī)數(shù)量取決于負(fù)荷的功率。如果負(fù)荷很大，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電廠的備用單元，以增加發(fā)電廠的總功率。

（7）重要的負(fù)載分階段開始。例如當(dāng)電力系統(tǒng)處于某種故障狀態(tài)時(shí)，突然斷路可能會(huì)使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開。在自動(dòng)電站恢復(fù)電力系統(tǒng)以快速恢復(fù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行之后，可以安裝一組重要的控制器來啟動(dòng)自動(dòng)分類。

（8）發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)故障的自動(dòng)報(bào)警和處理。

（9）應(yīng)急電站供電與主配電板的自動(dòng)切換。

（10）自動(dòng)無功補(bǔ)償。它意味著通過控制開關(guān)/斷開電容器的電池來維持負(fù)載的功率因數(shù)。

（11）發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視。

3 船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 的選型和通訊模塊的選型

3.1.1 PLC 的選型

在執(zhí)行此工作之前，需要對(duì)控制對(duì)象和控制任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。然后確定選擇的大小，型號(hào)和配置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，分站各PLC的輸入輸出I/O 點(diǎn)數(shù)如下：1#PLC、2#PLC：開關(guān)量輸入37 個(gè)、開關(guān)量輸出28 個(gè)、模擬量輸入4 個(gè)、模擬量輸出2 個(gè)；3#PLC：開關(guān)量輸入29 個(gè)、開關(guān)量輸出26 個(gè)；4#PLC：開關(guān)量輸入37 個(gè)、開關(guān)量輸出29 個(gè)。

根據(jù)上述任務(wù)分析，考慮到電廠控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行方式和可靠性，選取西門子PLC S7-200PLC 系列作為變電站控制單元，型號(hào)為CPU226 。模塊化結(jié)構(gòu)，使用方便，易構(gòu)建系統(tǒng)完整的功能模塊；豐富的指令，方便系統(tǒng)的構(gòu)建和擴(kuò)展，具有高性價(jià)比。

3.1.2 通訊模塊的選型

西門子S7-200 PLC 通信模塊主要包括溫度測(cè)量模塊（EM231）和PROFIBUD-DP 模塊（EM277）。由于S7-200 系列PLC 自身不帶有PRIFIBUS-DP 通訊接口，所以本船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)選用EM277 模塊。

使用EM 277 PROFIBUS-DP 從站擴(kuò)展模塊，可以將S7-200 CPU 連接到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。EM 277 通過通信總線連接到S7-200 CPU。PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)通過DP 通信端口連接到EM 277 PROFIBUS-DP 模塊。該端口可以使用從9600 波特到12 Mbaud 的任何PROFIBUS 數(shù)據(jù)速率。作為DP 從站，EM 277 模塊從主站接收許多不同的I/O 配置，并向主站發(fā)送和接收各種數(shù)據(jù)量。

其他S7-200 模塊包括開關(guān)量輸入輸出模塊EM223、模擬輸入模塊EM231、模擬輸出模塊EM232。本電站使用測(cè)溫模塊EM231 來檢測(cè)各點(diǎn)溫度，利用輸出模塊EM232 輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)給外圍設(shè)備。

3.2 I/O 測(cè)點(diǎn)及模塊分配

3.2.1 I/O 分配

I0.0 -I0.7 分配輸入測(cè)點(diǎn)：DG1 備車、DG1_GB 狀態(tài)、DG1 運(yùn)行、DG2 備車、DG2_GB 狀態(tài)、DG2 運(yùn)行、DG3 備車、DG3_GB 狀態(tài)、DG3 運(yùn)行I1. 0 -I1.6 分配輸入測(cè)點(diǎn)：自動(dòng)模式、備用順序123、備用順序231、備用順序312、重載問詢、重載運(yùn)行。

Q0.1-Q0.7 分配輸出測(cè)點(diǎn)：DG1 啟動(dòng)、DG1 停止、DG1PPU 運(yùn)行、DG1 負(fù)載轉(zhuǎn)移、DG1 分閘、DG2 啟動(dòng)、DG2 停止、DG2PPU 運(yùn)行、DG2 負(fù)載轉(zhuǎn)移Q1.0-Q1.7 分配輸出測(cè)點(diǎn)：DG2 負(fù)載轉(zhuǎn)移、DG2 分閘、DG3 啟動(dòng)、DG3 停止、DG3PPU 運(yùn)行、DG3 負(fù)載轉(zhuǎn)移、DG3 分閘、重載問訊允許。

對(duì)于變換中的對(duì)稱，古希臘人特別關(guān)注，他們十分留意對(duì)稱現(xiàn)象，他們創(chuàng)立了一種學(xué)說，認(rèn)為世界的一切規(guī)律都源于對(duì)稱，他們認(rèn)為最對(duì)稱的物體就是圓，所以他們把天文學(xué)中的天體運(yùn)行軌道畫成圓的，之后又圓上加圓。這樣就發(fā)展成為希臘后來的天文學(xué)。

根據(jù)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的定義，應(yīng)根據(jù)實(shí)際點(diǎn)數(shù)增加儲(chǔ)備量的20%?30%作為備用。

3.2.2 具體模塊的配置

根據(jù)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的定義，應(yīng)根據(jù)實(shí)際點(diǎn)數(shù)增加儲(chǔ)備量的20%～30%。

分站模塊的配置如下：

1#PLC、2#PLC：CPU226 模 塊2 個(gè)、數(shù) 字 量 輸 入/ 輸 出EM223 模塊2 個(gè)、模擬量輸入EM231 模塊2 個(gè)、模擬量輸出EM232 模塊2 個(gè)、通信模塊EM277 模塊2 個(gè)；3#PLC：CPU226模塊1 個(gè)、數(shù)字量輸入/ 輸出EM223 模塊1 個(gè)、通信模塊EM277 模塊1 個(gè)；4#PLC：CPU226 模塊1 個(gè)、數(shù)字量輸入/輸出EM223 模塊1 個(gè)、通信模塊EM277 模塊1 個(gè)。

4 船舶電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)的軟件項(xiàng)目主要開發(fā)變電站PLC 控制程序，監(jiān)視站與變電站之間的通訊程序，監(jiān)視PLC 將三部分發(fā)送到觸摸屏，接受功能子程序的結(jié)構(gòu)，設(shè)置每個(gè)程序的輸出和輸入，使用調(diào)用CPU314-2DP 子程序的功能使整個(gè)程序易于理解和結(jié)構(gòu)化。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能程序流程圖

4.2 系統(tǒng)流程分析

4.3 梯形圖

圖3

4.4 船舶電站自動(dòng)準(zhǔn)確同步并車裝置

4.4.1 自動(dòng)準(zhǔn)確同步并車裝置原理

自動(dòng)準(zhǔn)確同步并車裝置是指可以自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)與待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電壓差、頻率差、相位差，當(dāng)并車條件滿足后便可以自動(dòng)發(fā)出合閘信號(hào)的并車裝置。

當(dāng)差頻三角波與移相差頻三角波經(jīng)過差頻符號(hào)鑒別環(huán)節(jié)，差頻符號(hào)鑒別環(huán)節(jié)得出的調(diào)速尖脈沖需要經(jīng)過一個(gè)脈沖展寬電路，將其轉(zhuǎn)變成為寬度適當(dāng)?shù)木匦尾?，這樣才能有效地控制發(fā)電機(jī)的加速和減速。為了提高并車裝置的執(zhí)行速度，較快地完成系統(tǒng)并車，在這個(gè)裝置中加入了“呆滯擾動(dòng)”環(huán)節(jié)?！按魷_動(dòng)”環(huán)節(jié)可以在差頻特別小的時(shí)候做出反方向調(diào)速動(dòng)作，適當(dāng)?shù)膶⒉铑l增大。當(dāng)差頻由正值趨向于零時(shí)，經(jīng)過“呆滯擾動(dòng)”環(huán)節(jié)后將會(huì)輸出差頻加速信號(hào)。合閘信號(hào)一是由分別來自頻率差檢驗(yàn)環(huán)節(jié)、頻率差限制環(huán)節(jié)和電壓差檢測(cè)環(huán)節(jié)的三個(gè)信號(hào)相與以后得到。根據(jù)邏輯“與”的定義，只有當(dāng)每個(gè)環(huán)節(jié)都檢測(cè)出并車條件滿足時(shí)刁- 能輸出合閘信號(hào)。此時(shí)由提前時(shí)間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的合閘尖脈沖經(jīng)過輸出脈沖寬度形成電路后上加到合閘繼電器，實(shí)現(xiàn)合閘的動(dòng)作。

在船舶電站系統(tǒng)開始工作時(shí)，此時(shí)船舶電網(wǎng)是無電狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)將一臺(tái)發(fā)電機(jī)組立即投入運(yùn)行，而后并入電網(wǎng)。因此在上述流程中的系統(tǒng)合閘后還應(yīng)該添加“單機(jī)投入”操作，以保證船舶中網(wǎng)的第一次啟動(dòng)供電。

4.4.2 自動(dòng)準(zhǔn)確同步并車裝置的工作流程

實(shí)際上，用于并行自動(dòng)準(zhǔn)確同步的設(shè)備的工作流程大大簡(jiǎn)化了：它通過確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電壓和并行設(shè)備的電壓來確定頻率差的方向，電壓差的條件和頻率差的條件。根據(jù)確定頻率差的方向的結(jié)果，連接到網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速或減速，根據(jù)檢測(cè)到電壓差的條件的結(jié)果，并聯(lián)電壓增加或減少，將頻率差的條件與電壓差和引線的條件進(jìn)行比較。確定邏輯元素AND 之后，發(fā)出閉合命令如果滿足條件。

在實(shí)際的發(fā)電機(jī)組并車裝置中，差頻信號(hào)與移相差頻信號(hào)的檢測(cè)都集成于同一電路中，電路中一并增加提前量與合閘指令等信號(hào)，較為全面的實(shí)現(xiàn)了并車過程的所有操作。

5 結(jié)論

關(guān)于此問題的研究已成功地將SPS 和PPU 應(yīng)用于海上電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并實(shí)施了具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)的智能海上電廠的管理：

5.1 控制系統(tǒng)和自動(dòng)電廠控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)高度適應(yīng)環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高且易于維護(hù)。

5.2 該變電站由兩個(gè)PPU 模塊和四個(gè)PLC 模塊組成，具有很高的成本效益，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船廠自動(dòng)化系統(tǒng)邏輯連接的全面控制，并且顯示生成器是通過PPU 模塊的FROFIBUS DP 通信接口實(shí)現(xiàn)的。用于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的電廠管理和控制系統(tǒng)有助于實(shí)施集成的船舶網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)。

5.3 得益于靈活的編程，簡(jiǎn)單的程序修改以及更改PLC 程序和控制面板界面的系統(tǒng)設(shè)置，可以根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)各種控制功能，非常方便，靈活。

5.4 監(jiān)控站S7-200 的成功應(yīng)用

在監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控站控制發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能，可以通過觸摸屏方便地顯示所需信息，人機(jī)界面功能在一定程度上良好。