王 瑞 王宗濤 韓廷選 胡亞輝

（天津理工大學(xué)海運學(xué)院，天津 300384）

0 引言

船舶電站是安裝在船舶上用于為船舶提供電力的系統(tǒng)，船舶電站對發(fā)電機發(fā)出來的電能進行管理分配，使其更好地供應(yīng)到設(shè)備上。由于船舶電力系統(tǒng)獨立于岸上的電力系統(tǒng)，船舶電站單獨為船舶電力設(shè)備供電，因此，其功能的重要性顯得尤為突出[1]。

我國每年都有大量的航海類院校畢業(yè)生選擇從事航海事業(yè)，船員培訓(xùn)市場的前景非常可觀。船舶電站的相關(guān)知識在電子電氣員適任考試中所占比例較大，包括對理論和實操2個部分的內(nèi)容進行考核，系統(tǒng)性較強，學(xué)習(xí)難度較大[2]。

針對上述問題，該文設(shè)計了一種基于PLC與組態(tài)王Kingview的微型船舶電站仿真操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)配有硬件操作按鈕、油門調(diào)速開關(guān)、同步表選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)以及指示燈等，并集成在船舶電站仿真操縱面板上；還配有由組態(tài)軟件開發(fā)的船舶電站仿真儀表顯示界面。當操作者在操縱面板上進行操縱時，上位機的模擬仿真顯示儀表會動態(tài)顯示相關(guān)參數(shù)的變化。利用PLC進行控制，并通過RS-232接口與上位機進行通信，能夠?qū)崿F(xiàn)3臺發(fā)電機的并車、均衡負載和解列等功能，并且可以在“手動、半自動和自動”3種控制模式下穩(wěn)定運行。

1 船舶電站仿真操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1.1 組態(tài)界面的建模與仿真

選用組態(tài)王Kingview對該系統(tǒng)的組態(tài)界面進行設(shè)計，使系統(tǒng)的人機界面更加友好，增加操作的真實感，滿足操作者的視覺習(xí)慣。

船舶電站的建模主要包括控制屏、負載屏、并車屏、儀表（電壓表、功率表、頻率表、電流表和同步表等）以及指示燈、合閘和分閘按鈕等狀態(tài)量的構(gòu)建。

主操作界面如圖1所示。在該界面內(nèi)，操作者可以進行“手動、半自動和自動”3種控制模式下的并車、均衡負載以及解列等仿真操作。

圖1 主操作界面的人機顯示屏

該仿真操作系統(tǒng)對3臺發(fā)電機進行仿真。操作界面包括1號發(fā)電機控制屏、2號發(fā)電機控制屏、3號發(fā)電機控制屏以及并車屏。發(fā)電機控制屏有4塊儀表：電流表、功率表、頻率表和電壓表。在并車屏上也有4塊儀表，分別是電壓表、待并發(fā)電機頻率表、在網(wǎng)發(fā)電機頻率表和同步表。在并車屏下方均勻分布有用于并車、解列操作的相關(guān)按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)。頁腳中獨特地設(shè)計了7個功能按鈕：前三個按鈕可以實現(xiàn)3臺發(fā)電機之間在操作時切換界面的功能；“負載屏”按鈕用于彈出負載屏界面，監(jiān)控負載工作狀態(tài)；按下“變量監(jiān)控”按鈕后會彈出含有所有變量的監(jiān)控界面，便于在開發(fā)和維護系統(tǒng)時了解變量狀態(tài)；“開始／復(fù)位”按鈕的功能是在初始進入組態(tài)軟件的主界面時，通過按動該按鈕進入儀表仿真界面，并初始化所有變量，還可以在系統(tǒng)任意運行過程中按動該按鈕實現(xiàn)對軟件和硬件中所有變量的復(fù)位；在系統(tǒng)任意運行狀態(tài)下按動“退出”按鈕都將使組態(tài)軟件退出運行狀態(tài)，變?yōu)榫庉嫚顟B(tài)。

另外，在仿真裝置的操縱面板上設(shè)計了“NO.1儀表、NO.2儀表和NO.3儀表”3個按鈕，用于對發(fā)電機的儀表進行放大顯示。

1.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計

1.2.1 并車程序設(shè)計

該系統(tǒng)可以對船舶電站同步表法并車操作進行仿真設(shè)計。手動與半自動控制模式下的并車操作都是根據(jù)在網(wǎng)發(fā)電機的運行狀態(tài)及負載情況人為地判斷是否需要并車。手動并車操作流程如圖2所示，該過程中油門調(diào)速開關(guān)的調(diào)節(jié)和合閘時刻的選取均由操作者來完成；而半自動并車操作則是由系統(tǒng)自動完成的。在全自動控制模式中，由系統(tǒng)自動判斷是否需要并車；當需要并車時，系統(tǒng)自動判斷合閘條件并做出相應(yīng)調(diào)整。并車過程最重要的是對合閘時刻的把握，如果合閘失敗，就會導(dǎo)致原本在網(wǎng)運行的發(fā)電機組跳電，從而造成全船失電。在開發(fā)該系統(tǒng)時專門為合閘失敗設(shè)計了報警窗口，如果操作者合閘時機把握不當就會彈出報警窗口；此時，按下“開始/復(fù)位”按鈕即可進行復(fù)位。

圖2 手動并車操作流程圖

1號發(fā)電機和2號發(fā)電機完成并車后的儀表狀態(tài)如圖3、圖4所示。

圖3 1號發(fā)電機并車后儀表運行狀態(tài)圖

圖4 2號發(fā)電機并車后儀表運行狀態(tài)圖

1.2.2 解列程序設(shè)計

與并車過程相似，手動和半自動控制模式下是否需要解列也是由人工來決定的，而全自動模式則是由系統(tǒng)自動判斷的。在進行手動解列操作時，操作者同時向相反方向調(diào)節(jié)2臺發(fā)電機對應(yīng)原動機的油門調(diào)速開關(guān)；為了防止逆功率，要注意觀察被解列發(fā)電機的功率表，當功率表指針低于額定功率的5% 時，按下并車屏上面的分閘按鈕，該發(fā)電機解列完成，功率降為0 kW。半自動和全自動控制模式下的解列操作均由系統(tǒng)自動完成，當被解列發(fā)電機的功率低于額定功率的5% 時，自動分閘。

在解列過程中，如果出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象，就會彈出報警窗口，按下“開始/復(fù)位”按鈕即可復(fù)位。

2 船舶 電站仿真操作系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PLC的I/O點數(shù)分配

在該系統(tǒng)中，PLC與組態(tài)軟件之間傳遞的參數(shù)均為開關(guān)量，而儀表顯示的模擬量則在組態(tài)軟件中進行定義及運算，不在PLC中進行運算，PLC只采集仿真裝置操縱面板上的開關(guān)狀態(tài)，并通過傳輸線纜將其傳送給組態(tài)軟件，進而控制組態(tài)軟件操作界面中的儀表動作。

在設(shè)計該系統(tǒng)時，需要給操縱面板上的每個帶燈按鈕分配1個輸入點和1個輸出點；給每個不帶燈的負載開關(guān)均分配1個輸入點；選擇同步表開關(guān)時，因為該系統(tǒng)模擬3臺發(fā)電機的仿真操作，所以要滿足選擇3臺發(fā)電機的功能，就需要給其分配3個輸入點；每個調(diào)速開關(guān)均有2個功能：加速和減速，因此每個調(diào)速開關(guān)分配2個輸入點；手/自動選擇開關(guān)在編程設(shè)計時用MANU=1表示進行手動操作，用MANU=0表示進行自動操作，顯然只需要給每個手/自動選擇開關(guān)分配1個變量即可。

綜上所述，系統(tǒng)操作面板總共需要45個開關(guān)量輸入點和29個開關(guān)量輸出點，具體I/O點數(shù)分配情況見表1。

表1 PLC I/O點數(shù)分配表

2.2 PLC程序設(shè)計

在該系統(tǒng)中，PLC程序的主要功能是將仿真裝置操縱面板上的按鈕等開關(guān)量與組態(tài)王中相應(yīng)的變量一一對應(yīng)起來。由于在不同操作界面下每個按鈕所實現(xiàn)的功能會發(fā)生變化，因此共設(shè)計了10個子程序來實現(xiàn)全部功能。

另外，在組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典中，需要定義PLC和組態(tài)王之間進行參數(shù)傳遞的變量，從而將PLC中I/O端口的狀態(tài)實時地傳送到組態(tài)界面，進而控制相關(guān)儀表的動作。

3 船舶電站仿真操作系統(tǒng)的功能

基于組態(tài)王開發(fā)的船舶電站仿真操作系統(tǒng)儀表顯示界面幾乎可以模擬船舶電站所具備的所有功能；但是由于硬件資源及成本限制，因此，設(shè)計該系統(tǒng)時，只對船舶電站常用功能以及海事部門對船舶電站實操評估考試中要求的重點、難點操作進行了仿真。具體可實現(xiàn)的功能如下：1）發(fā)電機及其原動機的啟停。2）手動、半自動和自動3種控制模式下3臺發(fā)電機組之間并車、解列以及均衡負載等功能。3）并車、解列失敗報警功能。4）系統(tǒng)一鍵復(fù)位功能。

4 結(jié)語

船舶電站是船舶的重要設(shè)備，它單獨為船舶電力設(shè)備供電。該文基于PLC和組態(tài)王Kingview開發(fā)的微型船舶電站仿真操作系統(tǒng)能夠模擬3臺發(fā)電機在“手動、半自動和自動”3種控制模式下的并車、均衡負載以及解列等功能，符合船舶電站的相關(guān)操作要求；可以用于航海類院校、船員培訓(xùn)機構(gòu)教學(xué)以及電子電氣員適任實操評估模擬考試等場合。系統(tǒng)具有微型化、可視化等優(yōu)點，有利于學(xué)員更好地理解和掌握船舶電站的操作過程，可以提高課堂教學(xué)效率，達到良好的訓(xùn)練效果，同時降低訓(xùn)練風(fēng)險，節(jié)約訓(xùn)練成本。