船舶中高壓交流電力系統人機交互監控系統設計

申明榮，祝彥兵

● （1．海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2．中船重工第704研究所，上海 200031）

船舶中高壓交流電力系統人機交互監控系統設計

申明榮1，祝彥兵2

● （1．海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2．中船重工第704研究所，上海 200031）

利用PLC和觸摸屏技術設計了船舶中高壓交流電力系統人機交互（HMI）綜合監控系統。該系統實現了中高壓交流電站綜合保護與部分控制的人機交互在線仿真——能夠監控所模擬船舶電站的工作狀態、實現相關設備的自動控制；能執行故障時的故障報警、位置指示、記錄，對危害電力系統安全的故障能作用于相應的主斷路器跳閘，實現系統的自動保護功能。

船舶中高壓交流電力系統；人機交互；監控；觸摸屏

0 引言

隨著船舶向大型化、智能化的發展, 導致所需要的電力負荷不斷增大，低壓交流電力系統在安全、經濟和環保等方面已逐漸難以滿足要求，所以越來越多的新造船舶，尤其是工程船、電力推進船，提高電壓等級，采用中高壓交流電力系統。與低壓交流電力系統相比，中高壓系統具有以下優點：1）同等功率要求條件下，系統額定電流降低，減小了電纜直徑和功率損耗，降低造船成本和營運成本，增大了艙室可用面積；2）在船舶電力系統配備同等容量的條件下，所需的發電機的臺數少，使機艙設備更緊湊，可利用空間增大；3）在大容量電動機（如側推）起動、系統發生嚴重短路故障時，可以減小起動電流或故障電流和便于系統繼電保護的實現[1]。由于中高壓系統的工作環境相對危險，工作人員在系統帶電作業時操作不方便，因此需設計中高壓電站的遠程監控系統，使其更人性化。目前的監控系統通常具備控制設備起停、綜合報警功能，而無法實現從監控系統界面中直接更改設定參數；因此設計具有人機交互功能的監控系統對工作人員更有幫助。本文將以某船中高壓電力系統為依托，分別從硬件系統和軟件系統來設計中高壓交流電力系統人機交互（HMI）綜合監控系統。

1 硬件系統設計

船舶高壓交流電站綜合保護系統的整體設計框架圖如圖1所示，高壓發電機、變壓器與匯流排的各保護的相應的特征量參數經信號采集設備將信號輸送到轉換單元進行模數（A/D）或數模（D/A）轉換，最后轉變為PLC能夠處理的開關量或標準模擬量信號。經PLC處理后的開關量或模擬量信號經通信單元將數據打包輸送給上位機觸摸屏進行狀態參數顯示、報警，或輸送至控制單元進行相關控制操作；工作人員亦可通過上位機向PLC處理單元輸送控制指令，然后PLC將處理后的控制指令信號送至控制單元實現控制操作，以此來實現系統的人機交互功能。

圖1 船舶高壓交流電站綜合保護系統整體硬件設計框架圖

圖2 SIMATIC管理器中HMI站的創建

硬件設計中PLC與觸摸屏之間的通信時最難解決的問題，尤其是在缺少硬件而又必須實現HMI在線仿真時。在無硬件時，實現PLC編程軟件（STEP7 V5.4）與觸摸屏編程軟件（WinCC Flexible 2007）兩者之間的通信可實現HMI在線仿真。選擇好所需的觸摸屏類型與型號，完成在STEP7中生成實現人機交互的HMI站，如圖2所示。

在HMI站建立后，利用在NetPro中建立連接的方法實現控制設備（PLC）和觸摸屏設備之間的聯系，完成兩個軟件的通信，如圖3所示。

圖3 用NetPro組態的MPI網絡

2 軟件系統設計

硬件是所設計保護系統信息傳遞的載體，而軟件則控制其動作規律[2]。本文所設計的HMI系統軟件由PLC控制程序設計和WinCC Flexible組態設計構成。PLC程序設計為發電機控制與保護設計、變壓器控制與保護設計和匯流排控制與保護設計；WinCC Flexible組態界面包括十二個能夠自由切換的工作界面。

2.1 PLC軟件設計

圖4 保護系統工作流程圖

明確PLC控制系統總體工作流程是其軟件設計的前提。首先在系統上電或者故障復位后應初始化，將各保護參數量置位，以避免影響系統正常工作；然后系統自檢判斷有無硬件故障或通信故障，防止引起保護誤動作。當系統完成初始化與自檢之后，PLC開始對保護特征量信號采集、處理、判據計算、判斷電站有無故障，系統工作流程圖如圖4所示。

完成系統工作流程設計后應分別設計發電機、變壓器和匯流排保護與控制系統[3]。由于某些被保護量需經過更深層次的邏輯判斷，因此需對這些保護量設計其控制邏輯流程，以達到確保保護動作執行的安全可靠的目的。

2.2 WinCC Flexible組態界面設計

本設計選用多功能面板MP 270 10’’ Touch，該面板具有性能高、開放性強、性價比高、可以抗承受劇烈振動、可運行在惡劣環境中、與PLC易于通訊等優點，非常適用于船舶電站的環境中[4,5]。在組態界面設計前需定義系統參數變量的地址，確保其與PLC地址表中的地址對應，定義后地址即可進行界面設計，如圖5所示。

將系統所需的界面按照圖5的形式一一編輯好，為下一步的人機交互系統的實現做好準備。

圖5 WinCC Flexible組態畫面編輯圖

3 人機交互系統的實現

將PLC程序仿真運行，然后使WinCC Flexible組態軟件運行，系統人機交互界面如圖6和圖7所示，在系統故障時可以打開故障界面進行故障查詢和消音確認，報警界面不作詳細介紹。

圖6 系統主工作界面

圖7 發電機組工作界面

4 總結

本文所設計HMI系統只是實現電站綜合保護的在線仿真，能夠實現相關設備的自動控制以及部分報警功能的報警與顯示，功能尚需進一步完善。由于人機交互技術在過程可視化，易于更改和設置設備參數等方面優點突出，隨著船舶電站自動化與智能化的發展，人機交互技術必將廣泛運用于船舶中高壓電站綜合監控系統中。

[1]于亮, 王校峰, 等.船舶中壓電力系統的發展[J].機電設備, 2008(2): 1-3.

[2]姬春義.基于DSP變壓器保護裝置的設計[D].合肥:合肥工業大學, 2007.

[3]陳凱.船舶發電機綜合保護試驗裝置[D].大連: 大連海事大學, 2005.

[4]吳志敏, 陽勝峰.西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應用教程[M].北京: 中國電力出版社, 2009.

[5]祝彥兵.船舶中高壓交流電力系統綜合保護研究與設計[D].大連: 大連海事大學, 2012.

Design of the HMI Monitoring System of Marine High-voltage AC Power System

SHEN Ming-rong1, ZHU Yan-bing2
(1.Naval Military Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd, Shanghai 201913; 2.China; No.704 Research Institute of CSIC, Shanghai 200031, China)

The paper uses the technique of PLC and the configuration to design HMI monitoring system for the marine high-voltage AC power system.This system can realize the HMI online simulation, which means that it can not only indicate the working state of the simulating power plant, but also control the relevant devices automatically.It can implement trouble alarming,position indication, record and actuate the ACB to open due to the serious troubles, which can make the HMI system realize the automatic protection.

marine high-voltage AC power system; HMI; monitoring; configuration

U665

A

申明榮（1980-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。