夏海洵

(1. 南京航天航空大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 江蘇省揚州技師學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

船舶電站是實現(xiàn)船舶電網(wǎng)、用電設(shè)備功率統(tǒng)籌控制系統(tǒng)，隨著船載用電設(shè)備種類和功率的增加，電站管理系統(tǒng)的控制能力有了更高的要求。電站管理系統(tǒng)一方面要保障船載用電設(shè)備的電能供應(yīng)，防止出現(xiàn)欠功率運行的情況，影響船載設(shè)備的使用功能；另一方面，電站管理系統(tǒng)需要保障船舶電網(wǎng)的安全性和可靠性，實現(xiàn)船舶電網(wǎng)故障的在線監(jiān)測，及時處理船舶電網(wǎng)發(fā)生的故障，防止引發(fā)較大的安全事故[1]。

針對船舶電站的復(fù)雜運行工況，本文在現(xiàn)有船舶電站控制設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于S7-200PLC 控制器開發(fā)了一種新型的船舶電站管理系統(tǒng)，從電站管理系統(tǒng)的整體設(shè)計、功率管理模塊建模、硬件和軟件程序等方面進行詳細闡述。

1 船舶電站管理系統(tǒng)的整體設(shè)計

隨著船舶自動化的發(fā)展，電站管理系統(tǒng)自動化程度不斷提高，電站管理也從小范圍、小容量的自動管理，逐漸向大范圍、集成式的自動化管理系統(tǒng)發(fā)展。在電站的自動化發(fā)展中，控制器發(fā)揮著不可或缺的作用，S7-200PLC 控制器是一種PLC 核心控制器，具有運算速度快、集成度高等優(yōu)點，本文基于S7-200PLC控制器進行船舶電站管理系統(tǒng)的整體設(shè)計。

基于PLC 的船舶電站管理系統(tǒng)的整體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 基于PLC 的船舶電站管理系統(tǒng)的整體設(shè)計圖Fig. 1 Overall design diagram of ship power station management system based on PLC

本文設(shè)計的船舶電站管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1）供電管理

電站管理系統(tǒng)通過監(jiān)測電網(wǎng)和用電設(shè)備的使用情況，控制供電網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)通斷，使船舶電網(wǎng)的負載所需電量與電站供給的電量能夠相匹配，防止電能的浪費。

2）負載管理

由于船舶電力網(wǎng)絡(luò)中的負載設(shè)備功率越來越大，為了提高對這些大功率負載設(shè)備的監(jiān)管能力，一旦大功率負載設(shè)備出現(xiàn)短路和短路故障，可以第一時間切斷電源防止災(zāi)害的進一步發(fā)生[2]，電站管理系統(tǒng)實現(xiàn)負載設(shè)備的直接控制，有助于提升船舶電網(wǎng)的運行安全性。

3）功率調(diào)節(jié)功能

電站管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多發(fā)電機的綜合控制，利用同步單元與自動調(diào)載單元，使電網(wǎng)的整體運行頻率維持恒定，并通過協(xié)調(diào)發(fā)電機組的工作狀態(tài)，使發(fā)電機組承擔的有功功率具有合適的比例關(guān)系。

2 基于S7-200PLC 控制器的電站管理系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 電站管理系統(tǒng)的功率管理建模

在設(shè)計船舶電站管理系統(tǒng)的過程中，電網(wǎng)的功率控制模塊設(shè)計是其中的核心，功率管理是根據(jù)船舶負載的工作狀態(tài)，確定發(fā)電機組的并網(wǎng)狀態(tài)，本節(jié)首先對船舶電網(wǎng)的幾個核心部件進行功率建模。

1）發(fā)電機組

船舶發(fā)電機組以高壓發(fā)電機為主，發(fā)電機組包括永磁機、繞組、定子、轉(zhuǎn)子、支撐結(jié)構(gòu)等，建立船舶電網(wǎng)發(fā)電機組的功率模型為：

式中：Pi為船舶發(fā)電機組的功率，pi每個發(fā)電機工作壓力，Vi為發(fā)電機的體積，n為發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速，τ為沖程系數(shù)， τ =0.39，N0為發(fā)電機的平均轉(zhuǎn)速，Mi為輸出轉(zhuǎn)矩。

船舶發(fā)電機組的輸出功率曲線如圖2 所示。

圖2 船舶發(fā)電機組的輸出功率曲線Fig. 2 Output power curve of marine generator set

2）變電站功率

變電站將發(fā)電機組產(chǎn)生的高壓轉(zhuǎn)化為用電設(shè)備需要的額定電壓，變電站功率模型為：

式中：V0為變電站的額定電壓；C0為變電站的電容，為電阻值。

3）多機組并網(wǎng)功率模型

船舶多個發(fā)電機組的容量不一定相同，在進行功率分配時，需建立不同容量n臺機組的負載功率余量Pk模型為：

式中：PN為單臺發(fā)電機組的額定功率；Pn為單臺發(fā)電機組的實際負載功率。

不同容量n臺機組的電流余量可表示為：

式中：IN為單臺發(fā)電機組的額定電流；In為單臺發(fā)電機組的實際負載電流[3]。

多臺機組并聯(lián)功率模型為：

圖3 為多臺機組并聯(lián)調(diào)頻與功率調(diào)節(jié)的示意圖。

圖3 多臺機組并聯(lián)調(diào)頻與功率調(diào)節(jié)的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of parallel frequency modulation and power regulation of multiple units

2.2 船舶電站管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

船舶電站管理系統(tǒng)包括1 臺上位機和2 臺下位機，上位機是基于WinCC 軟件的PC 機，下位機基于S7-200PLC 控制器，下位機實現(xiàn)船舶電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)采集及控制，上位機負責(zé)系統(tǒng)顯示和報警，關(guān)鍵硬件構(gòu)成包括：

1）S7-200PLC 的CPU 模塊

S7-200 系列PLC 優(yōu)勢領(lǐng)域是局域系統(tǒng)的控制場景，為了保障控制系統(tǒng)的需求，S7-200 系列PLC 提供了不同型號的CPU 模塊，本文選擇CPU226 CN AC/DC/Relay 模塊，集成了24 路數(shù)字量輸入和16 路數(shù)字量輸出，電源采用230 V 交流供電。CPU226 CN AC/DC/Relay 模塊具有良好的擴展性，其功能原理圖如圖4 所示。

圖4 CPU226 CN AC/DC/Relay 模塊原理圖Fig. 4 CPU226 CN AC/DC Module schematic diagram

2）信號檢測模塊

電站管理系統(tǒng)中，信號檢測模塊采用船舶電網(wǎng)、負載處的電壓、電流信號，電壓信號通過電壓變送器[4]進行檢測，檢測過程包括電壓信號的同相運放、線性檢波、有源濾波、反向放大等，電壓信號檢測原理圖如圖5 所示。

圖5 船舶電站電壓信號檢測原理圖Fig. 5 Schematic diagram of voltage signal detection in ship power station

系統(tǒng)采用的電壓變送器工作參數(shù)如表1 所示。

表1 電壓變送器工作參數(shù)表Tab. 1 Working parameter table of pressure transmitter

3）功率信號檢測模塊

在電站的功率采集中，系統(tǒng)使用功率變送器實現(xiàn)功率檢測，有功功率信號的采集過程包括電壓、電流采樣、濾波、放大等，最終將電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的功率標準信號輸出。本文系統(tǒng)采用的功率變送器為TAIK-S3 系列。

2.3 軟件程序設(shè)計

電站管理系統(tǒng)采用的軟件程序為組態(tài)軟件WinCC系統(tǒng)，基于組態(tài)軟件WinCC 的電站管理系統(tǒng)工作流程圖如圖6 所示。

圖6 基于組態(tài)軟件WinCC 的電站管理系統(tǒng)流程圖Fig. 6 Flow chart of power station management system based on WinCC configuration software

3 結(jié) 語

船舶電站管理系統(tǒng)承擔著船舶電力網(wǎng)絡(luò)的功率控制、故障檢測等重要作用，是船舶電網(wǎng)正常運行的關(guān)鍵。本文基于S7-200PLC 控制器，通過建立船舶電網(wǎng)的功率模型，開發(fā)了船舶電站管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件如CPU、信號檢測模塊等進行了詳細設(shè)計。