龔成林

應用研究

PLC技術在船舶電站仿真系統(tǒng)中的教學應用

龔成林

（武漢交通職業(yè)學院，武漢 430000）

職教數字化轉型背景下，將PLC編程技術應用于船舶電站仿真系統(tǒng)中，仿照實船電站，結合船舶電站項目式教學，設計多個任務，通過自主軟件編程實現(xiàn)，經過仿真與調試，實現(xiàn)船舶電站的功能需求，改善學生船舶電站課程實訓環(huán)境的同時，該項目也可以作為學生PLC課程的實訓案例，全面達成學生的知識、技能與素養(yǎng)目標，改善教學效果。

職教 數字化轉型 PLC 船舶電站 仿真

0 引言

習近平總書記在黨的二十大報告中指出，要推進教育數字化。教育部部長懷進鵬在世界數字教育大會上指出，以數字化轉型推動職業(yè)教育的創(chuàng)新發(fā)展是新時代賦予職業(yè)院校的歷史使命，也是職業(yè)教育主動貫徹國家戰(zhàn)略，服務經濟社會數字化轉型的必然選擇。[1]PLC編程技術、船舶電站兩門課程均是船舶電氣專業(yè)的核心專業(yè)課，將PLC編程技術應用于船舶電站仿真系統(tǒng)中，仿照實船電站，結合船舶電站項目式教學，設計多個任務，通過自主軟件編程實現(xiàn)，經過仿真與調試，實現(xiàn)船舶電站的功能需求，改善學生船舶電站課程實訓環(huán)境的同時，該項目也可以作為學生PLC課程的實訓案例，全面達成學生的知識、技能與素養(yǎng)目標，改善教學效果。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

船舶電站仿真系統(tǒng)是以傳統(tǒng)散貨船作為母型船，仿照船舶實際功能進行仿真設計，船舶電站仿真系統(tǒng)電源部分包括3臺主發(fā)電機組和1臺應急發(fā)電機組；配電裝置包括3個發(fā)電機控制屏、應急發(fā)電機控制屏、負載屏、并車屏和岸電控制箱。

控制系統(tǒng)構架圖如圖1所示，控制系統(tǒng)包括PLC、MCGS觸摸屏、變頻器、PPU等，由西門子S7-300 PLC作為主站，實現(xiàn)系統(tǒng)總體邏輯控制，3個并車專用模塊PPU作為從站，分別實現(xiàn)對每臺發(fā)電機的并網及保護功能，主、從站之間采用串口RS485總線通信。PPU采集發(fā)電機電壓、頻率、電流、功率因數等數據，將計算結果輸出至PLC，PLC完成發(fā)電機的控制。同時還搭載PC上位機和MCGS觸摸屏，在上位機上安裝MCGS觸摸屏軟件，繪制船舶電站模型界面，與PLC之間采用以太網通信，完成對船舶電站的操作、參數顯示及報警輸出等功能[2]。

圖1 控制系統(tǒng)架構圖

2 仿真系統(tǒng)功能與教學點

船舶電站仿真系統(tǒng)仿照實際遠洋船舶功能要求，并覆蓋教學和電子電氣員實操考試技能點，完成模擬船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電、配電的操作、控制、保護、測量、監(jiān)視等功能，滿足學生對船舶電站的學習需要，具體功能如下。

2.1 主發(fā)電機組的自動起動

1)當主配電板失電時，備用機組應自動啟動、合閘，向電網供電。當運行機組發(fā)生缸套水高溫、滑油低壓、超速等嚴重故障即將安保停車時，備用機組將自動起動、自動并車、自動轉移負荷，解列故障機組。

2)當電網負荷較大，在網機組負荷超過額定負荷的80%時，備用機組應自動啟動，自動并車，分擔電網負荷。

2.2 機組投入和并聯(lián)運行

1)電網失電時，備用機組啟動成功后應直接合閘，向電網供電。

2)電網有電時，備用機組啟動成功后應自動檢測電壓、頻率、相位，并調節(jié)至兩機組同步時自動合閘。

3)自動并車后，應在保持電網頻率不變情況下，進行有功功率自動分配和轉移。

2.3 機組的解列和停機

兩機組并聯(lián)運行時，若出現(xiàn)電網負荷較低，單機組足以承擔電網負荷時，此時將自動解列指定機組。解列時先轉移負荷，將待解列機組負荷轉移至在網運行機組，待解列機組負荷低至10%的額定負荷時，即可分閘停機。

2.4 備用發(fā)電機組起、停順序設定功能

在MCGS觸摸屏人機界面上可設定備用機組啟停順序。

2.5 重載詢問功能

當有側推裝置、壓載水泵等大功率負載的起動時，需進行重載詢問，判斷當前電網剩余功率是否能夠承擔相應負載啟動，能夠承擔則發(fā)出信號至相應負載啟動電路。若不能承擔，則可以考慮增機投入電網后再行啟動。

2.6 應急發(fā)電機自動啟動功能。

當主配電板失電時，應急發(fā)電機要能在45 s內自動啟動，自動合閘，向應急配電板供電，同時切斷聯(lián)絡開關，以防應急發(fā)電機向主配電板供電[2]。

2.7 保護功能。

能實現(xiàn)對發(fā)電機組的過載、短路、失壓、逆功率保護以及主發(fā)電機、應急發(fā)電機和岸電聯(lián)鎖等?？刂葡到y(tǒng)船舶電站仿真由PLC進行總體邏輯控制，每臺發(fā)電機配備PPU專用單片機模塊，以實現(xiàn)對發(fā)電機數據采集，發(fā)電機并車和保護功能。PPU和PLC二者通過串口、數字量I/O口進行通信。PLC選用西門子S7-300，在SIMATIC Manager STEP7軟件上進行硬件組態(tài)和程序編寫[3]。

根據仿真系統(tǒng)需求，對PLC進行I/O分配，如表1所示。

程序采用模塊化編程，在OB1中調用其他所有子程序模塊。子程序FC2模塊實現(xiàn)對三臺發(fā)電機主開關狀態(tài)和當前負荷采集與處理，實現(xiàn)重載詢問功能。子程序FC3模塊實現(xiàn)主配電板指示燈測試功能。子程序FC4模塊實現(xiàn)應急配電板指示燈測試功能。子程序FC5模塊實現(xiàn)主配電板并車屏蜂鳴器報警與并車失敗、匯流排頻率異常故障報警指示燈的控制等。子程序FC6模塊實現(xiàn)應急發(fā)電機自動啟停、主開關合閘分閘以及相應指示燈控制。子程序FC7模塊實現(xiàn)船舶電站自動模式控制，包括備用機組選擇，自動啟動備用機組邏輯判別、自動停止發(fā)電機信號判別。子程序FC8模塊實現(xiàn)主發(fā)電機啟?？刂啤C9、FC10、FC11模塊分別實現(xiàn)三臺發(fā)電機主開關合閘、分閘控制。FC12模塊實現(xiàn)通訊協(xié)議轉換。其中部分關鍵PLC梯形圖程序如圖2所示[4]。

表1 部分PLC I/O分配表

圖2 PLC部分梯形圖程序

PPU是基于單片機的專用控制模塊，用于實現(xiàn)發(fā)電機并車和保護功能。PPU接線圖如圖3所示，通過采集各發(fā)電機電壓、電流、頻率等運行參數并進行運算，輸出控制信號至PLC。

發(fā)電機自動并車時，當PLC的FC7模塊檢測到自動模式下，且有增機請求時，通過FC8模塊對第一備用發(fā)電機輸出啟動信號，啟動完成后，由PPU采集待并機電壓、頻率，并檢測并車條件，同時發(fā)出信號到變頻器GOV進行調頻，當待并機與電網電壓、頻率、相位一致時，由PPU的17--19端子發(fā)出合閘指令至PLC的FC9、FC10、FC11模塊，控制發(fā)電機主開關合閘。并車成功以后，由PPU37--39端子閉合，兩機組進行有功功率和無功功率自動平均分配。[5]

發(fā)電機自動解列時，解列操作需將待解列的機組負荷轉移至在網運行機組后，發(fā)電機主開關分閘。PLC的FC7模塊會發(fā)出信號到PPU的43號端子，使PPU控制負荷轉移，待轉移完畢，由PPU的14、15、16號端子發(fā)出指令，控制發(fā)電機主開關分閘。

圖3 PPU模塊外部接線圖

2 MCGS人機界面

為了更好的實現(xiàn)人機交互，仿真系統(tǒng)還設置了MCGS人機界面，通過觸摸屏豐富的人機界面功能，完全模擬實船上的船舶電站進行界面設計，系統(tǒng)界面如圖4所示，包括三臺發(fā)電機、主電網、參數顯示、按鈕設置等。其中參數顯示通過PPU模塊采集發(fā)電機和電網信息，通過串口通信至觸摸屏，觸摸屏上按鈕與PLC通信。在人機界面，可以看到各發(fā)電機的狀態(tài)、參數，也可以對各發(fā)電機進行啟停、合閘分閘控制。

圖4 觸摸屏人機界面

3 總結

上述基于船舶電站仿真系統(tǒng)，是通過PLC技術、觸摸屏技術和船舶電站融合，通過觸摸屏人機界面設計和PLC自主編程，對船舶電站的功能和邏輯控制進行分析，設計出基于PLC編程技術的船舶電站仿真系統(tǒng)。經過調試，仿真系統(tǒng)完全實現(xiàn)了預期功能需求，也覆蓋了電子電氣員考試相關考點，改善了學生的實訓環(huán)境，提升了教學效果。同時，船舶電站和PLC均是船電專業(yè)的核心課程，船舶上基于PLC的自動化電站的管理對船舶電子電氣員崗位提出了挑戰(zhàn)，若能將兩門課的課程設計融合，將該仿真系統(tǒng)設計思路與程序實現(xiàn)，作為兩門課綜合課程設計，有利于學生的職業(yè)崗位知識、技能與素養(yǎng)目標全面達成。

[1] 楊欣斌. 職業(yè)教育數字化轉型八大路徑. 中國青年網. 2023. 02. 27.

[2] 操定友. 基于PLC MCGS PPU的船舶電站的設計[J].電腦知識與技術, 2019, 15(35): 240-242. DOI: 10.14004/j.cnki.ckt.2019.4240.

[3] 周長江，孫裕林, 趙福財. 基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)分析[J].機電設備, 2022, 39(06): 113-116.

[4] 張瀟, 滕憲斌, 朱發(fā)新等. 基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)的設計與研究[J]. 廣州航海學院學報, 2021, 29(03): 1-4.

[5] 張吉山. 基于PLC的船舶電站自動化控制[J]. 科學技術創(chuàng)新，2020(30): 79-81.

The Teaching Application of PLC Technology in Ship Power Station Simulation System

Gong Chenglin

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430070, China)

TM612

A

1003-4862（2023）12-0062-05

2023-04-13

Y2019008新工科+航運強國背景下船舶電站仿真系統(tǒng)設計

龔成林(1990-)，男，講師。研究方向：船舶電氣、電氣工程與自動化。E-mail: 245084326@ qq.com