基于PLC的船舶电站自动化系统方案设计与实现.docx
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基于PLC的船舶电站自动化系统方案设计与实现
摘要
本文以两台发电机组的船舶电站为例，在论述自动化电站功能和要求的基础上，设计了集散控制式系统。
下位机以PLC作为主要控制装置，上位机用工业PC机作为管理装置。
本文将电站的控制功能模块化，再设计出各模块的流程，然后将各模块有机的结合，以实现电站的综合自动控制。
在这种点对点的控制系统中，下位机可以完成发电机组的起动、停机控制、调频调载以及机、电故障处理等；上位机进行机组的并联运行、解列、重载询问等。
同时，上位机的人机界面可以显示、记录机组的运行状态和主要参数。
这种集散式控制系统充分体现了分散控制和集中管理的优点。
关键词：
船舶电站，自动控制系统，PLC
Abstract
Thisthesistakemarineelectricpowerplantwhichbaseontwogeneratorsforanexampleanddesignedadistributedcontrolsystemafterdiscussedthefunctionandrequirementofautomaticshippowerstation.ThestationusesPLCasmaincontroldeviceandindustrialcomputerasmanagementdevice.Thisthesismakethecontrolfunctionmodularfirstly,andthendesignedeachmodulecontrolprocess,combinedthemodulesorganicfinallyinordertorealizethesyntheticautomaticcontrolfunction.Inthispoint-to-pointcontrolsystem,thePLCcanaccomplishthefunctionwhichincludingautomaticstartandstopthegenerator,thefrequencyandloadregulation,andtreatmentofmachineorelectricfault,etc.
Theuppercomputerrealizedautomaticparalleling,disengaging,andaskingoverload,etc.MeanwhileHuman-MachineInteractioncandisplayandrecordthegeneratorsstateandvariousparameters.Thisdistributioncontrolsystemfullyembodiestheadvantagesofdistributedcontrolandcentralmanagement.
KeyWords:
ShipPowerStation,AutomaticControlSystem,PLC
前言
为实现船舶电站自动化的各种功能，船舶电站自动化技术经历了由继电器、接触器组成的有触点控制系统到有分立元件和集成元件组成的无触点控制系统。
大规模集成电路的结构化、模块化，还可以使微机控制系统的体积、重量大大减少，工作可靠性提高。
控制方式由硬件控制变为软件控制为主，使功能的组合、扩展或修改变得容易：
模块化、通用性好。
计算机控制由大型机集中控制方式发展到多微机分散控制方式，工作可靠性提高；进而出现由多级计算机构成的分布式控制系统，应用光纤通讯和网络技术等。
国外船舶自动化一开始大多是从电气部分着手，从最原始的手动本地操纵进化成手动遥控操纵，再进一步发展成半自动控制，最后发展到目前的最高水平电站全自动控制的无人值班机舱。
早在60年代初期，日本、德国、英国等国就有电站单元自动化装置，如：
英国的MMF自动并车装置，日本的XET自动并车装置和XPT自动负荷分配装置。
到70年代中后期，人们在单元自动化装置的基础上，把它们系统地组合成成套电站自动化设备，系统可在集控室进行集中控制，如“里言斯顿”号船上的SEPA电站自动化控制系统，日本“星光”号船上电站自动化系统。
随着微型计算机的发展和推广应用，在80年代初期国外研制成功了微型计算机单机控制系统，如：
用在我国“德大”轮上的日本大发公司配套的电站自动化控制系统，广州远洋公司15000吨上使用的丹麦SEMCO公司的APM电动自动化系统。
到80年代中后期，随着微机网络技术的日趋成熟，国外众多国家相继开发研制多微机分布式网络型自动化控制系统，如：
西门子、AEG等国际著名的大公司近期的产品，是目前国际上最新技术产品。
目前我国船舶电站自动化装置的研制和生产水平相对较低，船用电站管理系统国产化率很低，大约有90%来自国外，而国外采用PLC控制技术研制的船舶电站自动化系统，功能完善，技术先进，但是技术垄断严重。
随着计算机信息处理技术的发展，船舶电站自动化系统正朝着集散型控制系统（网络式或分布式控制系统）的方向发展。
船舶自动化电站是集自动控制、报警和监测于一体化的监控系统，涉及到现代控制技术、通讯、信息处理、数字化信息技术、计算机网络等多学科和技术。
这就需要研究控制技术、网络通讯技术等，船舶电站正以标准化、模块化、集成化、网络化等方式向船舶电站综合自动化这样高级阶段发展。
随着工业自动化产业的高速发展，自电气自动化控制领域的重要组成部分PLC问世以来，引起了国内外电气行业的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。
现代PLC控制技术因其可靠性高、耐恶劣环境、使用极为灵活方便三大特点，广泛应用在自动化控制系统领域，船舶自动化控制系统更是如此。
众所周知，PLC适用于多种场合中的检测、监控自动化。
S7-200PLC具有丰富的指令集成和内置集成功能，如高速计数器HSC、自整定PID和脉冲输出PTO/PWN等，实时特性和通讯能力强，扩展模块丰富，可靠性高。
基于PLC的船舶电站系统采用模块化设计，结构紧凑，便于在线故障诊断。
基于PLC技术设计的人机界面，组态调试方便，用S7-200PLC开发的船舶电站控制系统，性价比高，在远洋船舶得到了成功应用，表明PLC技术值得在轮机自动化中推广。
目前我国的船舶电站自动化系统还处于研究阶段，只有在局部的环节取得成果，尚不能投入全面使用，所以研究船舶电站自动化，早日实现国产化意义重大。
1课题的组成及背景
1.1船舶电站自动化系统的定义、组成和特点
船舶电力系统是孤立于陆地的独立电网，它是产生、输送、分配、使用电能的装置和用电网络的总称，它由用电设备、装配电装置、发电装置和电缆等组成。
其中船舶电站是船舶所需的全部电能的来源，处于船舶电力系统的核心地位。
船舶电站由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电装置组成。
发电机组是把机械能转化成电能的发电设备；配电装置是接收船舶发电机组所产生的电能，并对所有电力负载进行配电的开关和控制设备的组合装置，也是对电力系统进行测量、监视、保护的控制装置。
船舶电站的主要特点是容量相对较小。
当起动某些大容量负载起动时，发电机转速下降，从而使发电频率和电压大幅波动，同时将冲击电网，使电网电压、频率大幅度下降，因此，要求发电机组要具有较大的承载能力和维持电站稳定运行的能力。
1.2船舶电站自动化的发展与展望
随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化由局部控制发展到了综合控制，由就地的控制发展到集中的控制。
集散式系统就是集计算机、通信、显示和控制技术于一体的系统。
其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，下位机分散到现场进行分布式控制。
所以，这种集散式的管理系统体系结构有很高的可靠性，且易于扩展，上位机根据需要增减下位机台数。
船舶电气自动化系统发展的趋势：
（1）系统监控的综合化
由于电气设备已经日趋通用化、模块化、系列化，组态灵活；上位控制机所有功能可通过屏幕软件按钮来完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。
另外，采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。
（2）系统的网络化
如今，数字化技术和网络技术应用已经相当成熟。
现场控制设备和控制系统之间的双向网络通信靠现场总线来实现。
使用双层网络，第一层网络采集与传送数据，第二层网络是控制网。
从分散危险的原则上，设置独立的控制子网。
各子系统的功能由系统网络结合，把数据采集和控制系统分散功能结合，但每个系统又是一个独立的系统，在某系统局部受损时不影响其他系统独立完成工作，采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，增强系统控制能力。
利用图像控制功能，在人机界面实现良好的对话效果。
这种网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，它有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。
船舶电气自动化领域展望，在计算机、通信、显示和控制技术迅速发展且互相交叉渗透，还有人工智能和模糊技术的应用将会给船舶电站自动化带来重大的变革。
未来船舶电站的自动化系统会向着自动故障预测、自诊断的方向发展，上位机将会实现专家系统等智能连接。
计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控系统→分散型微机监控系统→集散型（分布式）多级、多微机监控系统→网络型（智能式）计算机监控系统。
而这些技术的发展会使船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸得更深。
1.3PLC在船舶电站自动化系统中的应用
1.3.1PLC概述
国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器的标准及其定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计，它采用可编程序的储存器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是一种工业控制器件。
它是微机技术和继电器常规控制结合的产物。
PLC这种专用的工业控制机，它的组成与计算机基本相同，也是由硬件和软件系统两部分组成。
PLC的硬件系统由主机、输入输出扩展设备及外部设备三部分组成。
主机由中央控制单元、存储器、输入输出单元、输入输出扩展总线接口、外部设备接口以及电源等组成，各部件通过由电源总线、控制总线、地址总线和数据总线构成的内部系统总线进行连接；输入输出扩展机是输入输出单元的扩展部件；外部设备主要是编程器、图形显示器等。
PLC软件由系统程序、和用户程序两大部分组成。
系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和系统调用的标准程序模块等。
用户程序包括各类画面的操作显示程序，也有人机界面的有关软件，用户可以根据制造商提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。
1.3.2PLC的工作原理
PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本相似，它通过执行用户程序来实现控制任务。
但是，在时间上PLC执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同，PLC整个工作过程是以循环扫描的方式进行。
循环扫描方式是指在执行程序的过程中，对各个过程输入信号进行收集，对收集信号进行处理和计算，并把计算结果输出到生产过程的执行机构去。
这种循环扫描的方式，不断地对输入和输出变量进行收集、计算和输出，使得变量满足程序条件，并且相应的输出使执行结构动作。
随着PLC技术的发展，其集成度越来越高，网络及通信功能越来越强，可靠性和控制功能越来越好，这些都使PLC更广泛的应用于工业自动化领域当中。
1.3.3PLC在船舶电站自动化系统中应用的优势
船舶电站控制有控制动作复杂、频繁的特点，且有较多的接触器作为执行器。
一般的PLC都有几百个内部辅助继电器，而且还有多种专用的内部继电器，可以满足一般的控制要求，唯一需要做的就是对PLC进行编程。
同时，PLC在船舶电站抗干扰方面也有其极大的优越性。
另外，PLC与继电器控制比较有运行速度快、可靠性和寿命高的优点。
PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：
（1）更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件做改动；
（2）程序可以复制，批量生产容易；
（3）电气硬件设计大大简化；
（4）由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；
（5）可靠性高；
（6）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多的I/O时可以方便的扩展。
1.4本课题背景及选题意义
随着新航运要求的出现，对船舶要求也有所提高。
作为船舶上重要的装备，船舶电站有着极其重要的作用；除了为船舶提供日常用电之外，还关系着船舶日常工作的顺利进行。
为解决船舶电站自动控制系统中的继电器系统和电子电路控制系统的线路复杂、可靠性差、维修工作量大等缺点，甚至在情况严重下，会造成系统处于瘫痪状态，因此开发一套稳定、高效、实时的基于PLC的船舶电站自动化系统，是迫切需要的。
为解决船舶电站自动控制系统中的继电器系统和电子电路控制系统的线路复杂、可靠性差、维修工作量大等缺点，给出了解决方案。
阐述了基于S7-200PLC的船舶电站自动控制系统的设计和实现，自动电力管理系统参数的在线监视与在线修改[1]。
由于PLC可靠性高、耐恶劣环境、使用极为灵活，功能扩展方便。
在船舶电站自动控制系统中应用S7-200PLC实现船舶电站的逻辑控制和总体控制，替代继电器系统和电子电路控制系统，故障率大大减少。
在PLC内部实现自整定PID算法控制转速调节环节，驱动直流伺服电动机执行，负荷分配及时均衡。
PLC船舶电站控制系统便于系统参数的在线监视与在线修改。
1.5本文的主要内容和结构安排
本文主要内容是以两台发电机组的电站为例，采用PLC的工业控制技术和工业PC机，设计了基于PLC控制的船舶电站自动化的集散式管理系统。
设计电站以两台发电机组为例，下位机PLC可通过输入输出接口与发电机组和现场仪表相连接，与上位PC机通过网络连接。
上位机的人机界面设计机各种界面，在设计的界面上可以显示机组的状态和各主要参数，轮机员通过各种界面能观察和操作机组。
结构的安排：
（1）首先充分论述自动化电站的组成、原理、功能、要求，在了解控制器功能和监测技术的基础上，选择了集散式船舶管理系统。
（2）在集散式系统下，设计实现了PLC控制的发电机组的自动起动、自动并车运行、自动频率和负载调节，重载询问、自动解列以及自动停车的流程。
（3）在上位机上提出几种设计界面设计，实现对电站的分散控制和集中管理功能。
（4）通过实际操作，发现设计中的不足之处，对不足之处进行改正。
2船舶电站自动化管理系统
2.1船舶电站自动化管理系统的总体构成
船舶电站的自动化管理系统一般由电站自动控制、监测报警和安全系统组成：
（1）控制系统：
能实现发电机组的自动起动、并车和解列，还可以实现电站功率的自动管理及电压、频率的稳定，且可处理电站中出现的故障。
如果系统出现故障，控制系统可自动地使处于备用状态的机组迅速起动（不超过45s），自动准同步投入电网运行；并网成功后，故障机组将负荷降低至不大于额定功率的10%时，自动脱离电网。
（2）自动检测报警系统：
此系统的主要功能是自动地实施监测电站各设备运行状态和参数，有原动机、发电机、配电系统的电气参数、机械参数和运行状态，检测量包括开关量和模拟量。
其次，系统会将监测量实时与设定的限制值进行比较，若被测量超限，将发出相应的声光报警信号。
最后，系统可以对监测结果进行记录、打印，并对超限参数进行记录。
（3）安全系统：
自动化电站应设安全系统。
如果电站控制和监测系统在运行过程中发生危及电站系统的各主要设备安全的严重故障时，安全系统能自动产生保护动作，避免事故的进一步扩大。
自动化管理系统组成结构如下图：
图2.1自动化系统的组成
Fig.2.1Compositionofautomationsystem
2.2船舶电站自动化管理系统主要功能
自动化电站管理的主要内容包括[2]：
（1）发电机组起动前的准备工作:
中国船级社对自动化船舶的有关规定是船舶电网失电应在45s（国外有些是30s）内恢复供电，所以自动化电站停车状态下的备用机组应事先做好准备工作。
关键的准备工作是发电柴油机的预热和预润滑。
（2）发电机组的自动起动：
当电网负荷增加使运行机组重载时、运行机组发生机电故障和某机组起动失败或不能合闸时，电站管理系统能自动地发出起动指令使备用机组迅速自动起动，在起动成功后建立压力后投入电网供电。
（3）发电机组的自动并车：
通过采集电压、频率的基本参数，经过一定的计算发出调频及合闸指令，使待并机与电网上的机组并联运行。
（4）并联运行中的功率分配与频率调整：
两台机组并联运行供电时，通过原动机调速器和自动调频调载装置配合工作，使电网维持在稳定频率，且使并联运行机组按容量成比例的承担负载。
（5）运行机组台数的管理：
在完全满足船舶电站供电质量的前提下，使机组以经济的管理模式运行，充分利用每台机组的功率，降低发电成本。
（6）重载询问：
大功率负荷起动大，管理系统将判断电网负荷与起动的大功率负荷是否超过运行机组的最大允许负荷率。
若满足，则允许其启动，否则，应先起动另一台备用发电机，使之并网，然后允许其起动。
（7）机组故障的自动处理与报警及负载自动分级：
系统设有故障处理模式与对应的故障相匹配。
自动分级卸载：
确保重要设备连续供电，在过载的情况时将非重要负载自动切断。
（8）机组自动、故障状态下解列、停机控制：
轻载或故障需要停机时，并网运行机组先自动转移负载，再按顺序使运行机组逐台退出电网，然后停车。
（9）机组的保护：
自动化电站除了设有和基本电站一样的过载、短路、欠压和逆功率保护外，还设有欠频保护、高压保护、次要负荷的分级卸载等，进一步的提高了供电质量和电网的连续供电。
（10）运行状态显示及故障监视：
现代电子触摸屏通过编程可以在屏幕上以画出主配电板、发电机组、主开关等电器元件的状况，除此之外也有开关、按钮等指令开关。
总之，触摸屏不仅有显示功能，而且还有操作功能。
（11）运行系统给定参数的监视与修改：
系统支持参数的监视与在线修改，PLC技术可将设计编制的程序及各种参数存放在随机存储器RAM中，方便在线修改。
自动化系统的方框图如下：
图2.2电站自动化系统方框图
Fig.2.2Powerplantautomationsystemblockdiagram
2.3集散式船舶电站管理系统
集散控制形式是每台发电机组配置PLC（或微机）控制装置，主要控制发电机组的起动、停机以及处理机电故障等，上面有一套PLC（或微机）控制装置主要进行并联运行、功率管理及信息通信等管理控制。
此外，系统的通讯接口可以与个人电脑相连，在电脑显示屏用文字和图形来显示各种参数及相关机组、主开关等电器状态。
2.3.1集散式电站
集散式管理系统[3]由PLC控制机组，然后再把信息与工业PC机共享，它们共同来完成电站运行的自动控制和自动管理。
工业PC控制机置于集控中，作为操作系统的操作管理装置。
电站系统各下位机的监测控制和信息管理由工业PC控制机来完成，除此，亦可显示电站系统任何运行过程的全部信息，并存储在存储器中，必要时可以被其它系统调用。
在上位机上可以修改系统某些设置参数，并能以指令的形式传递到下位机中，来对电站运行过程进行控制。
系统操作站是系统的人机接口，是控制系统与操作管理人员的接口界面。
本文所设计的集散式电站管理系统将各台发电机组的控制功能分散化。
两台PLC的控制作用由工业PC机进行协调，来完成整个电站的监控任务。
总体框图如下图所示：
图2.3电站管理系统的总体功能框图
Fig.2.3Plantoverallmanagementsystemfunctionalblockdiagram
集散式船舶电站管理系统的主要优点是以数据通信为纽带，完成过程的分散控制、监控和信息集中管理等一系列工作。
另外，本系统还具有如下优点：
（1）改善了系统的运行可靠性，单元故障只影响局部，而且具有自诊断、报警功能；
（2）构成灵活，扩展方便。
采用了标准的硬件模块和软件模块，可以灵活组建，而且采用了局域网，系统扩展十分方便。
2.3.2信号的采集及处理
PLC与发电机组之间的信号传输与电网、发电机和柴油机之间传递的信号如下图所示：
图2.4PLC与发电机组之间的信号传递图
Fig.2.4SignaltransmissionbetweenPLCandgeneratingsetfigure
（1）关于电网的信号
电网电压、总电流、总电网频率、频率和有功功率及各空气开关线圈的开关状态。
（2）关于发电机的信号
发电机端电压、电流、频率、有功功率、发电机电压与电网电压的相位差和发电机绕组温度。
（3）关于柴油机的信号
起动空气瓶压力、滑油温度和压力、各缸排烟温度、排烟总管温度、冷却水压力和温度和柴油机飞轮转速。
（4）PLC测控单元的控制信号（模拟量和开关量）
柴油机组升速和减速脉冲、柴油机组起动和停机、发电机并网合闸和脱网。
2.3.3检测单元的设计
机组的测量控制单元包括模拟量输出／输入、开关量输出／输入、键盘输入、声光报警等。
测量控制单元原理框图如图下所示：
图2.5测量控制单元原理图
Fig.2.5Theprinciplediagramofthemeasurementcontrolunit
数据采集单元主要采集信息有：
电压、频率、相位、温度、压力、液位、转速和功率等，及时反映控制对象的状态，发出必要的调节指令，以满足控制要求。
上位的工业控制机可以实现控制、显示、记录和打印的功能。
3集散式船舶电站管理系统的功能流程
本文首先把集散式船舶电站管理系统的功能划分为不同的模块，并把它们作为子程序，设计实现这些子程序的流程图，然后，主程序将这些子程序有机结合，来完成对电站的自动化管理。
设计的各主要模块有：
自动起动模块、并车运行模块、调频调载模块、重载询问模块、自动解列模块和自动停机模块。
系统主程序的工作原理：
自动巡回检测电站的主要参数和工作状态，针对不同的参数和状态做出逻辑分析和综合计算，判断当前需要完成哪些工作，从而决定调用哪一个功能子程序来完成该工作，被调用的功能子程序一旦执行完毕，又返回主程序中继续巡回检测，整个系统就如此反复地运行。
3.1机组的自动起动模块及流程图
要起动发电机机组的情况有：
电站储备功率不足需要增加机组时、运行机组故障需要换机时、或者电网失去电时。
对自动化系统的电站就会自动发出起动指令。
当系统检测到电站储备功率不够时，就会产生增机指令，与此同时需起动机组起动的逻辑条件也应被检测，只有起动的逻辑条件满足，才发出起动指令。
当检测到机、电故障时，根据故障的级别进行处理，若是严重故障，先停故障机，在起动备用机；若是较严重故障，先起动备用机组，并网后解列故障机。
在自动起动过程中，还必须对机组是否成功起动进行检测，若不是三次起动，在一定时间间隔后，重新起动；若机组起动三次仍不成功，则向上位机报告，联系另一台PLC，起动其相应的机组。
同时，发出“起动失败”的声光报警。
下图为具有三次起动功能的起动流程：
图3.1
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