基于PLC和觸摸屏的船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控裝置設(shè)計

劉現(xiàn)強(qiáng)，施偉鋒，李偉翔，許麗霞

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

船舶電力系統(tǒng)是船舶上最重要的系統(tǒng)之一，為船上各種輔機(jī)、通訊導(dǎo)航設(shè)備、照明設(shè)備以及船員生活區(qū)提供電能。隨著現(xiàn)代船舶逐漸向大型化、高速化、自動化的方向發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)要求裝機(jī)容量大，電站能連續(xù)地、可靠地供電，并且要求有較好的供電質(zhì)量，因為這些都直接影響船舶的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與航運安全。

船舶電力系統(tǒng)不僅包含產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)組、電力傳輸網(wǎng)絡(luò)、用電設(shè)備，還包括配電裝置，實現(xiàn)對電源和負(fù)荷的分配、監(jiān)視、測量、保護(hù)等功能。有效的監(jiān)控裝置對保證船舶的安全運行至關(guān)重要。通過實時監(jiān)控裝置掌握船舶電力系統(tǒng)的運行情況，有助于操作人員在正常情況下加強(qiáng)對電力系統(tǒng)的調(diào)度;故障出現(xiàn)時可快速發(fā)出報警提示，便于操作人員排除故障，盡可能地減少電力系統(tǒng)故障的影響并防止危害的擴(kuò)大。

船舶電力系統(tǒng)具有以下特點:船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組是柴油發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)用電負(fù)載的種類比較多，電力系統(tǒng)的動態(tài)變化范圍比較大，系統(tǒng)的動態(tài)過程變化頻繁。本文主要針對船舶電力系統(tǒng)，通過測量發(fā)電機(jī)側(cè)和負(fù)載側(cè)的各項參數(shù)對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，在本裝置中引進(jìn)了以太網(wǎng)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，同時，通過觸摸屏對各個參數(shù)進(jìn)行集中管理。

1 監(jiān)控裝置的硬件實現(xiàn)

本裝置主要針對380 V 50 Hz的船舶電力系統(tǒng)為監(jiān)控對象，以變壓器為模擬發(fā)電機(jī)，通過調(diào)整變壓器的輸出改變發(fā)電機(jī)的輸出，設(shè)計的裝置通過測量發(fā)電機(jī)側(cè)和負(fù)載側(cè)電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，全面掌握其運行情況。同時通過以太網(wǎng)記錄主要參數(shù)的變化，以便能進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為本地監(jiān)控層、通信接口層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)本地監(jiān)控層:PM850能夠精確測量船舶電力系統(tǒng)中各種負(fù)荷的參數(shù)，可通過PM850分別測量發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電力參數(shù)，并且通過其提供的RS-485通道有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)通信接口層:裝置采用分布式現(xiàn)場總線，將電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控功能下放到現(xiàn)場級設(shè)備PM850，現(xiàn)場級設(shè)備采用RS485串行通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備采用基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)通信，以確保高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實時性。在通信接口層，通過以太網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換現(xiàn)場級設(shè)備的通信協(xié)議，并利用交換機(jī)建立以太局域網(wǎng)。

圖1 船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控層:在觸摸屏中設(shè)計上位人機(jī)界面，實現(xiàn)電力推進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，主要包括船舶電力系統(tǒng)各項參數(shù)與運行狀態(tài)的集中監(jiān)視。

2 監(jiān)控裝置的軟件程序設(shè)計

2.1 通信設(shè)計

本監(jiān)控裝置是基于施耐德Modbus總線協(xié)議的分布式現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)。裝置通信采用客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體需求將任務(wù)合理分配給客戶端和服務(wù)器，發(fā)揮了客戶端的處理能力，降低了系統(tǒng)的通訊開銷，減輕了服務(wù)器的工作量，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Modbus TCP/IP通信結(jié)構(gòu)

Modbus是一種請求－應(yīng)答協(xié)議。主站通過單播模式對從站進(jìn)行讀寫操作。裝置在現(xiàn)場級的基于RS-485串行鏈路的Modbus通信過程中采用RTU傳輸方式，差錯校驗采用循環(huán)冗余校驗方式(CRC)。在通信過程中需要對線圈、寄存器等完成信息的傳輸，要求各個設(shè)備有唯一的地址以便進(jìn)行獨立尋址。PLC、觸摸屏、工控機(jī)以及施耐德EGX300都支持以太網(wǎng)通信，可以直接分配給它們獨立的IP地址。PC工控機(jī)、觸摸屏與PLC的通訊方式在本裝置采用工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP方式，該協(xié)議具有開放性開放，可以與不同廠商設(shè)備兼容，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控訪問和遠(yuǎn)程診斷等特點。只需在Vijeo-Designer中添加驅(qū)動程序并進(jìn)行配置，使通信設(shè)置與設(shè)備相匹配，并將用戶應(yīng)用程序下載到觸摸屏，即可實現(xiàn)觸摸屏與PLC和PC上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通訊，無需編寫復(fù)雜的通信程序。只需要設(shè)置各設(shè)備的IP、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)，使其在同一網(wǎng)段即可。

2.2 PLC軟件設(shè)計

電能質(zhì)量測量裝置PM800可以精確測量各個參數(shù)，但上層設(shè)備例如PLC如何獲取這些精確的數(shù)據(jù)是本設(shè)計的一個難點。由于本裝置主要采用以太網(wǎng)通信，在PLC中需要設(shè)置IP地址以便順利讀取網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)。施耐德M340PLC的開發(fā)環(huán)境是UnityPro，尤其在UnityPro5.0版軟件中，中文得到了全面的支持，同時集成了仿真功能，具有全面的應(yīng)用程序診斷功能，添加了多種功能模塊。在數(shù)據(jù)處理方面有READ_VAR、WRITE_VAR等多個模塊，數(shù)據(jù)讀取不必再經(jīng)過填寫控制字表實現(xiàn)，可直接通過模塊讀取實現(xiàn)。使用READ_VAR模塊讀取PM850里面的程序，如圖3所示。

圖3 功能模塊READ_VAR的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用參數(shù)

該模塊可以最多讀取設(shè)備中的2000個連續(xù)位，可以一次性獲取全部參數(shù)。

3 人機(jī)監(jiān)控界面的開發(fā)

船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控裝置的任務(wù)不僅要使用戶能夠得到精確的電力系統(tǒng)參數(shù)，而且要使用戶能夠通過人機(jī)界面更好地了解到電力系統(tǒng)各個設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。本觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用Vijeo-Designer進(jìn)行設(shè)計。它是一款功能比較齊全的觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計軟件，使用此軟件可以為人機(jī)界面設(shè)備創(chuàng)建操作員面板并配置操作參數(shù)。它幾乎提供了所有設(shè)計人機(jī)界面項目所需的工具。根據(jù)監(jiān)控裝置需要實現(xiàn)的具體功能，本軟件設(shè)計了以下的監(jiān)控界面，如圖4所示。

用戶可以根據(jù)導(dǎo)航界面的提示進(jìn)入各個不同的分層界面，方便查看各相的參數(shù)，主要包括發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓、電流和功率、電網(wǎng)側(cè)的參數(shù)等，同時該界面還可以記錄歷史數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程的Web監(jiān)控界面可以在軟件Web Design中完成，各個用戶可以在任何一個連入網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)通過訪問其IP地址讀取電力系統(tǒng)中的一系列參數(shù)，這個界面主要包括監(jiān)視、控制、診斷、維護(hù)和設(shè)置5個小標(biāo)題。在監(jiān)視界面中用戶可以看到參數(shù)的集中顯示，如圖5所示。

圖4 監(jiān)控界面導(dǎo)航圖

同時，在監(jiān)控選項中也可以選擇電力參數(shù)進(jìn)入趨勢記錄界面，兩個功能區(qū)分別以趨勢圖和數(shù)據(jù)列表的形式展示在用戶面前，用戶可以清晰直觀地了解到數(shù)據(jù)的變化過程，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)趨勢界面圖

4 驗證裝置運行效果

打開船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控裝置，可以查看現(xiàn)場檢測設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備上數(shù)據(jù)是否完全一致，如圖7所示。

圖7 電力參數(shù)對應(yīng)表

如圖7所示左邊的圖形是同過PM850讀到負(fù)載側(cè)之間的線電壓，右邊的圖形是通過以太網(wǎng)讀取負(fù)載側(cè)的線電壓。兩者對相同裝置讀取的數(shù)據(jù)相同，驗證了此裝置的有效性和準(zhǔn)確性，同時使計算機(jī)技術(shù)在該裝置發(fā)揮最大效果，減輕用戶的負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)束語

本船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控裝置能夠?qū)崟r進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，同時能夠顯示發(fā)電機(jī)側(cè)和負(fù)載側(cè)的參數(shù)，使讀者能夠及時了解系統(tǒng)的運行工況。人性化的人機(jī)交互界面方便操作人員集中地觀測船舶電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。與傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)監(jiān)視技術(shù)只能實現(xiàn)對電壓、電流、頻率、功率等少數(shù)參數(shù)的監(jiān)視，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)四大類，五十多項參數(shù)的監(jiān)視，數(shù)據(jù)共享通過以太網(wǎng)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時為電力系統(tǒng)的故障提供數(shù)據(jù)支持，具有實用價值。

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