基于PLC和PPU的船舶電站自動化系統設計

崔守娟 ,蔡婷婷 ,欒榮華

(1.鎮江高等職業技術學校，江蘇 鎮江 212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮江 212000)

基于PLC和PPU的船舶電站自動化系統設計

崔守娟1,蔡婷婷1,欒榮華2

(1.鎮江高等職業技術學校，江蘇 鎮江 212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮江 212000)

基于船舶向大型化和多功能化發展，設計1個可靠性高、功能齊全的電站自動化控制系統。以拖帶供應船的電力系統為平臺，詳細闡述了船舶電站的設計過程和實現方法,采用西門子公司S7-200型可編控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和丹麥DEIF公司多功能控制器(Paralleling and Protection Unit，PPU)模塊組成的電站自動化管理單元，設計了電站自動化程序控制流程，并具體編寫了電站自動模式的部分功能子程序，對其他船型的設計和研究提供了參考意義。

船舶；電站自動化；可編控制器；多功能控制器

0 引言

船舶電站是船舶的一個重要組成部分，也是船舶技術的重要標志。隨著船舶向大型化和多功能化發展，對船舶電站提出的要求也越來越高，1個可靠性高、功能齊全的電站自動化控制系統始終是船舶電站自動化的發展趨勢，在這個大前提下，對電站自動化系統的研究就顯得尤為重要[1-2]。

1 船舶電站自動化主要功能

本系統應用于某柴油機驅動的起拋錨拖帶供應船航行于無限航區，進行海上船、駁的拖運工作,滿足中國船級社對遠洋拖船的要求。另外,可作為近海供應拖船，用于為海上工程、海上石油平臺等近海區域的海上工程設施進行守護和供應多種物資。

本船設3臺柴油發電機組，每臺機組功率約為440 kW；1臺主機軸帶發電機，功率為1 200 kW；1臺應急發電機，功率約為99 kW。

(1)3臺柴油發電機組可并車運行及相互備用。并車采用自動準同步和手動準同步方式。當滑油進機壓力過低，冷卻水出口溫度過高，柴油機超速時其發電機組立即自動停車，同時有聲、光報警信號。

(2)當運行發電機超載時，應能自動卸載。3臺柴油發電機組設調頻調載裝置。

(3)當電站失電時，備用發電機自動啟動、自動合閘供電。

(4)當全船失電時，應急發電機自動啟動，為照明及重要設備供電。

(5)主機軸帶發電機不可與3臺柴油發電機組長期并車運行；僅可短期并車，實施負載轉移。

(6)應急發電機在主電源失電時自動啟動，應急配電板自動合閘，供船上重要設備、救生、導航、通訊及應急照明。應急發電機處于停泊工況時，不向主配電板供電等。

2 船舶電站自動化主要硬件配置

該系統采用PLC控制器(西門子S7-200型)結合丹麥DEIF的PPU多功能控制器實現發電機組的保護、并聯運行和功率分配功能等。PPU與S7-200之間采用的是串口連接RS485總線。自動電站硬件模塊組成如圖1所示。

圖1 自動電站硬件模塊組成

S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。S7-200選用的是型號CPU 226 CN DC/DC/DC, 24輸入/16輸出，2個RS485通訊/編程口。軟件選用STEP-Micro/WIN，該軟件中的MODBUS主站指令可以將S7-200組態作為MODBUS RTU主站設備工作，并與1個或多個MODBUS從站設備通訊。

PPU是船舶電站的核心部件，該系統選用丹麥的DEIF的多功能控制器PPU控制器H2型，H2型表示為MODBUS RTU通訊協議。PPU被組態為MODBUS RTU從站設備工作，可與MODBUS主站設備進行通訊。該系列產品能實現控制和保護柴油/軸帶發電機，能組合應用于各種不同的系統[3]。具體內容如下。

(1)測量和顯示所有三相交流電參數。

(2)標準發電機控制功能：同步控制、負荷轉移、調速器和AVR控制開關量輸出、標準發電機保護功能、逆功率保護、過電流(2級)、電壓、無功、功率因數控制，根據負荷狀態自動啟/停發電機、電子調速器控制模擬量輸出。

(3)可選保護功能：過壓、欠壓、過頻、欠頻(2級)、過載、電流不平衡、電壓不平衡和勵磁故障、主網保護(相位漂移和頻率變化率)。

(4)可選其他功能：2個可編程模擬量變送器輸出、遙控顯示、串行接口。

3 船舶電站自動化程序設計

3.1 電站手動模式

主柴油發電機之間手動并車：當任意主柴油發電機對電網供電，要并另1臺主柴油發電機，先將模式開關打到“手動”位置，再將同步選擇開關打到待并機組。手動調節轉速使待并機組稍快。觀看同步表及同步指示燈，滿足同步條件時，手動合上待并機組，將同步選擇開關打到“關”，主柴油發電機并聯運行、手動負載分配[4]。

主柴油發電機之間手動負載轉移、分閘：當主柴油發電機并聯對電網供電后，觀察功率表、滿足解列條件。要解列另1臺主柴油發電機，先將模式開關打到“手動”位置，手動降低解列機組轉速，觀看解列機組功率表，指針到5%額定值左右，手動分斷解列機組主開關，剩余主柴油發電機對電網供電。

3.2 電站半自動模式

主柴油發電機之間半自動并車：當任意柴油發電機對電網供電，要并另1臺柴油發電機時，先將模式開關打到“半自動”位置，按下“自動同步”帶燈按鈕，燈亮，自動電站自動調節待并機組轉速(如有需要，可按下“同步/負載轉移取消”按鈕，取消半自動并車)，滿足同步條件時，自動合上待并機組，主柴油發電機并聯運行、自動負載分配[5-6]。

主柴油發電機之間半自動負載轉移、分閘：當主柴油發電機并聯對電網供電，觀看功率表、滿足解列條件，要解列另1臺主柴油發電機，先將模式開關打到“半自動”位置，按下解列機組“自動負載轉移”帶燈按鈕，燈亮，自動電站自動降低解列機組轉速(可按下“同步/負載轉移取消”按鈕，取消半自動負載轉移)，當解列機組功率低于5%額定值時，自動分斷解列機組主開關，剩余主柴油發電機對電網供電。

3.3 電站自動模式

根據功能要求，I/O地址表分配見表1，表中，CB為斷路器，DG1、DG2、DG3為發電機，備車順序1、2、3分別為DG1、DG2、DG3。

表1 I/O地址分配表

3.3.1 匯流排失電或超載啟動備機

當主電網失電時，電站管理模式設為自動模式，第1備用發電機自動啟動，如果啟動失敗則發出啟動失敗報警。當備用發電機啟動成功，電壓建立后發出合閘指令，備用發電機開關自動合閘，合閘失敗發出開關合閘失敗報警，合閘成功電網恢復供電。第1備用投入失敗，轉到第2備用發電機[7-8]。

當在網柴油發電機功率不小于85%，電站管理模式設為自動模式，延時后電機自動啟動，如果啟動失敗則發出啟動失敗報警。當備用發電機啟動成功，電壓建立后發出發電機運行信號以及投入發電機同步命令，同步后投入發電機開關自動合閘。合閘失敗發出開關合閘失敗報警，合閘成功發電機并網供電。第1備用投入失敗，轉到第2備用發電機。

3.3.2 輕載解列

輕載解列流程如圖2所示。

(1)當DG1與DG2在網，備車順序為DG2、DG3、DG1。發電機電網總功率不大于330 kW延時5 min，電站發出DG1負載轉移命令；當解列機組功率低于5%額定值時，自動分斷解列機組DG1主開關，剩余主柴油發電機DG2對電網供電。

(2)當DG1與DG3在網，備車順序為DG2、DG3、DG1或DG3、DG1、DG2。發電機電網總功率不大于330 kW、延時5min時，電站發出DG1負載轉移命令；當解列機組功率低于5%額定值時，自動分斷解列機組DG1主開關，剩余主柴油發電機DG3對電網供電。

(3)當DG1、DG2、DG3在網，備車順序為DG2、DG3、DG1。發電機電網總功率不大于660 kW、延時5 min時，電站發出DG1負載轉移命令；當解列機組功率低于5%額定值時，自動分斷解列機組DG1主開關，剩余主柴油發電機DG2、DG3并聯對電網供電[9-13]。具體輕載解列控制程序舉例見表2。

圖2 DG1輕載解列流程圖

表2 DG1輕載解列控制程序舉例

3.3.3 重載問詢

電站重載問詢流程圖如圖3所示。

電站自動收到問訊信號，若在網發電機功率不小于1.3～1.5的重載功率，系統給出允許啟動信號；小于1.3～1.5的重載功率，啟動備用發電機，全部并網后，功率滿足則允許啟動。若無備用發電機或者投入失敗，則發出問訊失敗報警。具體電站重載問詢控制程序舉例見表3。

表3 電站重載問詢控制程序舉例

4 結語

經實船證明，本電站管理系統功能完善、工作可靠、控制準確，取得了很好的控制效果，較好地完成了預訂的設計目標，系統的參數整定均符合船級社規范的規定。本文研究不僅是為了進行開發實用的拖帶供應船的電站設計工作，更重要的是提出和實踐了一種船舶配電系統中最為重要的一個部分—船舶電站的設計流程，可為后續的其他船型的設計和研究提供硬件和理論的支持及方法論的指導。

圖3 電站重載問詢流程圖 參考文獻：

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2016-09-27

崔守娟(1980—)，女，博士研究生，主要從事測控系統設計及控制理論研究。

U665.12

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