基于PLC和工控機的船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置設計

候云飛，施偉鋒

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基于PLC和工控機的船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置設計

候云飛，施偉鋒

（上海海事大學電氣自動化系，上海 201306）

為保證船舶的安全航行，故提高船舶電力系統(tǒng)的安全性和可靠性十分重要。文中設計了一套基于施耐德M340 PLC、XBTG7340觸摸屏和工控機的電力系統(tǒng)故障診斷裝置。該套故障診斷裝置主要由施耐德M340 PLC、電力系統(tǒng)參數(shù)測量裝置、XBTG7340觸摸屏、工控機、NI數(shù)據(jù)采集儀、以太網(wǎng)等器件所組成，本診斷裝置通過施耐德M340PLC、電力參數(shù)測量儀PM800、7個與互感器相連的模擬儀表和NI數(shù)據(jù)采集儀對船舶電力系統(tǒng)的參數(shù)進行相應的采集，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過Modbus現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)對船舶電力系統(tǒng)裝置的監(jiān)視與檢測，并將實時數(shù)據(jù)導入工控機matlab中進行故障程度與故障類別的判斷。

PLC 觸摸屏 船舶電力系統(tǒng) 故障診斷

0 引言

船舶電力系統(tǒng)主要由電源裝置、配電裝置、電力網(wǎng)和負載四個部分組成，是船舶上電能產生、輸送、分配和使用等網(wǎng)絡和裝置的總稱。因此，船舶電力系統(tǒng)是船舶的一個重要組成部分。隨著船舶向大型化、自動化方向發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)容量不斷增大，其在船舶中的重要性越來越高。

船舶電力系統(tǒng)通過實時監(jiān)視裝置并掌握其運行情況，在故障發(fā)生前可根據(jù)故障癥狀大致判斷出故障類型，在故障發(fā)生時可通過蜂鳴報警器發(fā)出報警提示，有助于操作人員排除電力系統(tǒng)故障，盡最大可能地減少電力系統(tǒng)因故障所帶來的影響和損失，并且能為船舶工作與管理人員提供故障所在及其原因，為今后從事船舶工作的人員提供合理的建議。本文設計了一套基于施耐德M340 PLC、XBTGT7340觸摸屏和工控機的船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置。

1 船舶電力系統(tǒng)診斷裝置結構設計

船舶電力系統(tǒng)是指在多臺柴油發(fā)電機組聯(lián)合運行情況下所組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：數(shù)臺船用發(fā)電機組、供配電裝置與電網(wǎng)、負載電機等；為了增加電力系統(tǒng)故障診斷裝置診斷的準確性，將裝置設計成為自動化電站相對獨立的系統(tǒng)，并且利用單元組合式儀表來實現(xiàn)集中監(jiān)視功能，實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)運行狀況的實時監(jiān)視，提高系統(tǒng)安全性與診斷的準確性。其故障診斷裝置系統(tǒng)結構，如圖1所示。

本文設計了船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置采用施耐德M340 PLC、工控機和XBTGT7650觸摸屏作為核心控制器和上位監(jiān)控設備，搭配EGX300網(wǎng)關、電力參數(shù)測量儀PM800及帶燈按鈕、旋鈕、鑰匙開關等執(zhí)行器，搭建船舶電力系統(tǒng)故障診斷的硬件系統(tǒng)，其故障診斷裝置設計如圖2所示。

硬件系統(tǒng)結構基于現(xiàn)場監(jiān)控層結合遠程監(jiān)控層兩層網(wǎng)絡進行設計，網(wǎng)絡之間有通訊接口連接。

1）現(xiàn)場監(jiān)控層：監(jiān)控部位將實體按鈕、旋鈕和狀態(tài)指示燈作為監(jiān)控指令發(fā)送和狀態(tài)顯示元件。通過電力參數(shù)測量儀表PM800和NI數(shù)據(jù)采集儀采集電力系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)。

2）遠程監(jiān)控層：遠程監(jiān)控部位以XBTGT7340觸摸屏為主要設備。在觸摸屏中設計上位人機界面，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能，提高信息集成度和自動化水平。主要功能包括電力系統(tǒng)參數(shù)與運行狀態(tài)的集中監(jiān)視、故障的監(jiān)測報警與處理及其他安全功能。

3）通信接口層：裝置通信接口層采用兩層通信結構，分別是Modbus現(xiàn)場層和工業(yè)以太網(wǎng)。現(xiàn)場級設備采用RS485串行通信，遠程監(jiān)控設備采用基于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)臏蚀_性和實時性。裝置采用分布式現(xiàn)場總線，將電能質量參數(shù)的監(jiān)控功能下放到現(xiàn)場設備PM800，充分利用現(xiàn)場信息，增加系統(tǒng)可靠性，降低成本。通信接口通過EGX300以太網(wǎng)關轉換現(xiàn)場級設備與遠程監(jiān)控設備之間的通信協(xié)議，并利用交換機建立以太局域網(wǎng)。

2 船舶電力系統(tǒng)故障診斷

船舶電力系統(tǒng)在運行的過程中，診斷系統(tǒng)應該能夠對在線運行的發(fā)電機組進行實時的監(jiān)控，如果發(fā)電機組發(fā)生了故障，例如三相不平衡、短時過電流等，應該能夠及時發(fā)出聲光報警，來提醒操作人員及時對故障設備進行確認、檢修、維護，盡快恢復電力系統(tǒng)，達到安全航行的目的。

本文通過施耐德PLC等相關軟件進行了故障診斷程序的編寫，故障診斷系統(tǒng)可以對電力系統(tǒng)電壓、電流、頻率、功率進行實時的監(jiān)控，如果發(fā)電機出現(xiàn)三相不平衡、短時過電流等故障時，PLC應能夠輸出與報警相對應的數(shù)字信號，使得蜂鳴報警器發(fā)出聲響，報警指示燈亮。隨后，系統(tǒng)會利用RBF神經網(wǎng)絡對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行故障類型的判別。其中，故障類型分為：三相不平衡故障報警與短時過電流故障報警。故障診斷流程圖，如圖3所示。

圖3 故障診斷流程圖

1)三相不平衡故障

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三線電壓（或電流）幅值不一致，而且幅值差超過了規(guī)定的范圍，造成三相不平衡的原因主要是三相電源負載分配不平衡，三相負荷分配不平衡，會引起線路壓降和功率損失增加，三相電壓不平衡，會引起電動機逆扭矩增加，從而使電動機溫度上升，影響設備的正常使用壽命。

2)短時過電流故障

短時過電流是指電力供電設備短時間超過了額定電流數(shù)倍或者數(shù)十倍，引起短時過電流的原因有很多，例如電網(wǎng)過載、發(fā)電機短路等。

電網(wǎng)過載所引起的短時過電流，一般指大功率的用電設備從電網(wǎng)上卸載時所產生的短時過電流現(xiàn)象。

發(fā)電機短路所引起的短時過電流情況比較復雜，但是一般出現(xiàn)發(fā)電機電流增加、電壓下降、機體發(fā)熱、短路保護動作等現(xiàn)象。

在確定完故障診斷PLC報警流程圖后，使用UnityPro軟件對上述流程圖進行相對應的編寫，故障診斷PLC控制程序。

在確定完故障診斷PLC控制程序后，要將整個故障診斷報警系統(tǒng)整合到一塊面板中，在設計布局時，既要使硬件位置與實際船舶電站系統(tǒng)結構相符合，又要考慮到實際操作和數(shù)據(jù)讀取的簡便，最終設計了故障診斷指示燈控制面板，如圖4所示。

圖 4 故障診斷指示燈控制面板

3 故障診斷實驗裝置設計

船舶電力系統(tǒng)故障診斷導航界面是遠程監(jiān)控最重要的界面，可以顯示電力系統(tǒng)的基本運行參數(shù)和報警信息，點擊參數(shù)后，相關的圖形儀表、文字信息等會顯示出來，同時在不同界面之間能夠通過軟件進行切換與導航。

本觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用Vijeo-Designer軟件設計。它是一款功能齊全的觸摸屏人機界面交互的設計軟件，使用該軟件可以為人機界面設備創(chuàng)建操作面板并配置相關的操作參數(shù)。Vijeo-Designer提供了設計人機界面項目所需的基本設計工具。根據(jù)故障診斷裝置需要實現(xiàn)監(jiān)控等具體功能，本軟件設計了船舶電力系統(tǒng)遠程監(jiān)視界面，如圖5所示。

圖 5 船舶電力系統(tǒng)遠程監(jiān)視界面

導航界面可以根據(jù)不同用戶的需求引導用戶進入不同的監(jiān)視界面，主要包括：系統(tǒng)結構，供用戶了解船舶電網(wǎng)監(jiān)視系統(tǒng)的結構；電網(wǎng)參數(shù)顯示，向用戶提供電網(wǎng)運行工況；報警顯示，用于非正常運行情況報警及事件記錄；歷史數(shù)據(jù)，以趨勢圖的方式記錄船舶電力系統(tǒng)的運行工況和歷史數(shù)據(jù)。

在確定完整個船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置后，將整個系統(tǒng)整合設計至一個機柜當中。診斷裝置如圖6所示。

船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置能夠實時地對數(shù)據(jù)進行采集，同時能夠在觸摸屏、工控機中進行發(fā)電機側和負載側參數(shù)的顯示，使用戶及時并有效地了解系統(tǒng)的當前的運行狀態(tài)。

4 結論

船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置作為電力系統(tǒng)控制的關鍵設備之一，其研究與應用主要涉及電力參數(shù)檢測儀表的應用、故障診斷PLC控制、診斷控制面板實現(xiàn)、人機交互界面設計和診斷裝置的實現(xiàn)等關鍵技術。在監(jiān)視方面，裝置實現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)本地和遠程監(jiān)控、故障報警功能和故障診斷功能。實驗表明，船舶電力系統(tǒng)故障診斷裝置能夠對船舶常見的故障進行報警與診斷功能，具有一定的實際應用價值。

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2016-04-15

上海市教委科研創(chuàng)新重點項目(12ZZ155)，上海海事大學博士點創(chuàng)新基金項目(2015ycx037)

候云飛（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)故障診斷。