溢油回收船PMS&IAS集成系統設計

李進科，邵 赟，胡 舜

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溢油回收船PMS&IAS集成系統設計

李進科，邵 赟，胡 舜

（武漢武船船舶設計有限公司，武漢 430060）

本文介紹了萬噸溢油回收船電力推進系統的組成及特點，在簡要概述功率管理系統PMS及監測報警系統IAS構架及功能的基礎上，針對溢油回收船的DP2、消防、溢油回收、正常航行及進出港多種復雜工況特點，設計了基于WINCC上位集成的一體化PMS&IAS系統。該系統在傳統功率管理系統的基礎上融入電站一體化集成監控設計，一定程度上能實現船舶的遠程監控和狀態檢修，在后期運營維護上提質增效、節約成本。

萬噸溢油船 PMS&IAS 一體化集成 DP2

0 引言

隨著國家海洋強國戰略的穩步推進，海上石油運輸生命線的清潔與安全受到愈來愈多的關注和聚焦。萬噸級多功能溢油回收船作為國家發改委海洋工程裝備研發及產業化的重要專項研究內容，在未來承擔著近海主要航道清理維護及溢油回收的重要任務。在大力提倡綠色、環保的當下，電推系統低功耗、高能效的特點[1]受到了越來越多的青睞和推崇。

本文在介紹溢油回收船電推系統組成的基礎上，為滿足DP2要求，設計了基于WINCC上位集成滿足功能要求的冗余一體化PMS&IAS系統，詳細描述了該一體化集成系統的硬件架構、對外接口、界面設計及程序流程等內容。

1 系統組成

萬噸溢油回收船設有4臺2600 kW主發電機、1臺400 kW停泊發電機及1臺150 kW應急發電機組，由兩條主推進支路、兩條消防泵支路及兩條側推進支路組成。為了保證推進系統的獨立性和可操作性，兩條主推支路以及側推支路分別由四套相互獨立的電推控制系統單獨控制。

主推進支路由船舶電網通過690 V主配電板向3600 kVA主推進移相變壓器供電，移相變壓器帶動功率為3200 kW的12脈主推進變頻器，再由變頻器控制3000 kW主推進電機驅動全回轉舵槳的正常運行。

側推進支路由船舶電網通過690 V主配電板向1500 kVA側推進移相變壓器供電，移相變壓器帶動功率為1400 kW的12脈側推進變頻器，再由變頻器控制1300 kW側推電機驅動推進器的正常運行。消防支路由690 V電網直接驅動6脈1400 kW消防泵變頻器帶1200 kW消防泵電動機運行。

2 系統硬件設計

2.1 PMS功能

PMS對電能進行統一的調度和管理，是綜合電力推進系統的核心控制模塊，具有對溢油回收船電站的各種控制及保護功能。IAS系統主要實現對全系統各運行數據的采集分析和監視功能，當發生各類報警及運行故障時為決策者提供診斷判據，以便采取適當的處置措施。

具體而言，PMS系統會依據全船電網的實時功率需求實現動態增減機，調節各臺主發電機組間的負荷分配，實現主推變頻器、船舶電站及DP系統間的協調運行[2-3]，并對整個推進操控系統實時監控。當供電系統運行時發生各類故障報警時，PMS系統能自動監測并處理，采取系列措施保證對負載供電的連續性和電站安全性，為全電網的主側推支路、消防泵支路及其他用電負荷提供高品質、配置優化的可靠電源。

PMS系統的主要功能[4]如下：

1） 系統自檢功能

PMS在上電后的起動過程中對軟、硬件工作狀態進行自檢，屏幕會顯示出系統自身故障的報警信息，自檢通過即可操作。

2） 工作模式選擇

PMS具有DP2模式、消防工況、溢油回收、進出港及航行等多種模式。DP2模式下，主配電板自動分區供電以確保冗余可靠性；進出口模式下，電站只增加機組，不解列機組；正常航行模式下，按照功率關系正常增減機。

3） 機組的手動自動起停

當PMS觸摸屏面板調至手動模式時，可直接手動操作發電機組的起動和停止；當PMS觸摸屏面板調至自動模式時，程序監測在網機組功率達到設定的閾值后經過一段設定延時后自動起動備用機組或解列在網機組。

4） 機組優先級選擇

PMS系統可在HMI觸摸屏上設置各柴油機組的起停順序，并能在線更改各機組的優先級次序。

5） 機組的自同步、解列及增減機

PMS需依據全船總用電負荷的不同實時調整機組出力，機組的在網數量應隨負荷大小自動調整。當用電負荷增加到一定閾值時，PMS自動實現備用機組的起動，在電網和頻率達到要求值后立即并車；當用電負荷降低到設定閾值時，PMS自動將在網機組解列和停車。

6） 重負荷起動問詢

當有功率較大的負載需要起動時，首先會向PMS發出詢問申請，PMS即刻檢視全網的剩余可用功率，只有當在網可用功率大于該負載所需功率時PMS才會發出允許信號，當可用功率不滿足所需時閉鎖其起動，同時起動備用機組以滿足該負載的起動條件。

7） 自動分級卸載

類似于機組優先級選擇，該功能根據負載的重要性高低將其分級。當起動重負荷全網可用功率不足或機組故障時，PMS自動卸載非重要負荷，對全網進行功率限制，確保主推進系統的運轉。

8） 功率限制

PMS實時監測在網功率和機組負荷率，當在網功率不足以維持推進和日用負荷時，向推進變頻器發出功率限制信號以限制推進功率的增加，防止負荷突變導致機組過載，進而引發全船停電安全事故。

基于以上的功能設計，溢油回收船PMS程序控制流程如圖1所示。

2.2 PMS硬件設計

溢油回收船正常工作狀態下需滿足DP2（動力定位）、消防、溢油回收、正常航行、進出港以及停泊等多種復雜工況需求，DP2指具備動力定位系統的船舶，在任何單一故障發生后不影響其他設備及系統的運行，仍能保持船舶的位置和首向，因此對PMS設計提出了較高要求。

為此，本船PMS采用多級獨立雙冗余設計：以PLC控制器(采用西門子公司PLC及輔件)作為主站，為4臺主發機組及應急機組配備獨立的保護并車單元(采用DEIF公司PPU3)作為從站。

上層通訊方式為冗余PROFIBUS網絡，采用兩套獨立運行互為備用的S7-400H熱冗余控制器，兩套S7-400H間通過光纖同步通信。當一臺S7-400H作為主站發揮控制功能時另一臺處備用狀態，主用S7-400H如若發生故障，備用S7-400將在100ms內自動切換為主控器投入使用，確保系統的不間斷運行。上層PROFIBUS通過Y-link與PPU3實現通信連接，當在網機組出現高低壓、溫升超限、高低頻、油壓低等故障時，PPU控制相應機組自動脫扣，不影響全船電網的正常運行。該設計架構能有效保證船舶在極端條件下系統的安全穩定運行。

母聯開關配備的同步模塊能為其提供同步分合閘等控制。需執行DP2、消防及溢油回收操作時，按下相應模式選擇開關，電站能在PMS管理下實現母排的自動分段和負荷分區，滿足上述各工況的切換操作要求，PMS架構如圖2所示。

2.3 IAS硬件設計

監控系統IAS是溢油回收船的重要構成部分，負責全船的發電、供電、推進控制、檢測和報警。本船IAS系統硬件設備由集控臺、推進控制裝置、采集柜、應急車鐘以及工控機組成。

圖1 PMS系統工作流程圖

圖2 萬噸溢油船PMS系統結構圖

本船IAS系統采用基于網絡的分散式控制結構，硬件主要組成如下：

1）位于集控臺內的西門子S7-400主站一套，包含UR機架、CPU模塊、電源模塊、存儲卡及同步模塊；

2）位于配電板內的PMS、發電機組分布式子站ET200M4套（包括IM153冗余連接模塊、并車保護單元PPU3、DI/DO模塊以及OP觸摸屏）；

3）位于駕控臺的推進控制子站；

4）位于應急配電板內的應急子站；

5）安裝于集控臺內的工控機系統，包括工控機、顯示器、485通訊模塊以及打印機。

3 WINCC上位集成

3.1 程序結構

IAS監控系統與PMS功率管理系統均為下位系統，在硬件組態及構成上是完整獨立的兩套子系統，下位系統的程序邏輯采用西門子的STEP7開發。溢油回收船PMS&IAS一體化集成主要體現在后臺上位系統的統一設計和一體集成，上位工控系統采用西門子WinCC7.2開發，OP面板采用WinCC Flexible開發，用于對整個PMS&IAS系統后臺數據的采集、監測和實時報警反饋[5]。

3.2 接口設計

上位系統的接口主要包含PMS與外部設備信號接口以及PMS與IAS網絡通訊接口兩類：

PMS的外部設備接口對象主要有柴油發機組、690 V主配電板、DP設備、變頻器以及重載設備，具體接口內容如下：

柴油發機組：機組起動信號、停止信號、故障報警、遙控狀態、備妥反饋、升降速、急停等；

690 V主配電板：主開關狀態及分合閘操控、優先脫扣、主發電機絕緣低報警、PMS模式切換選擇等；

變頻器：推進斷路器分合閘狀態、快速降負荷以及在網功率等信號；

PMS與IAS通訊接口主要包含如下狀態字：

1/2/3/4號發電機運行、遙控、備車、急停以及開關狀態，各機組有功、無功、電流、電壓、效率，母線電壓、頻率，母聯斷路器開關狀態，岸電開關狀態，主/側推開關狀態，主變原/副邊開關狀態以及航行工況、消防工況、進出港工況、溢油回收工況、DP2工況等狀態信息。

3.3 界面設計

該船上位工控機界面主要包含功率管理、電站監測、機組報警、推進系統、歷史曲線、監控網絡和報警信息七大功能。

功率管理界面顯示系統單線圖信息，各在網機組的實時功率、電流、電壓數據以及母聯、推進支路主開關的分合閘顯示；

電站監測對四臺主發機組的狀態參量予以顯示監測，具體為功率、電流、電壓、滑油溫度/壓力、繞組溫度等，如圖3所示。

機組報警界面收集匯總所有可能的故障報警條目，形成故障子集庫；

推進系統實時顯示推進支路主要部件的狀態參量：推進變壓器繞組溫度，推進變頻器輸出電流、功率、轉速，推進電機繞組及軸溫。

報警系統界面顯示所有監測到的報警及故障條目，包含當前報警信息及歷史報警信息，精確顯示報警的時間和故障類型。當前報警會在主界面下方以醒目的紅色文字閃現提醒船員實時處理，在OP觸摸屏操作“消音”和“復位”后若故障消失，切換進入報警系統界面后信息文本變為綠色成為歷史信息存儲；若故障未排除，信息文本變為藍色提示繼續排查。界面如圖4所示。

圖3 電站監測界面

圖4 報警系統界面

此外，還能通過船上信號收發臺與岸基信號收發臺的通訊聯絡，將船舶航行時的故障信息實時傳輸，供技術人員分析診斷提供遠程指導，一定程度上實現遠程監控和狀態檢修，后期維護上達到節約成本的目的。

4 總結

采用電推系統，環保優勢明顯，能效利用率大大提高，本文闡述了溢油回收船核心控制系統PMS以及安監系統IAS的硬件設計、系統結構和上位軟件的一體化集成設計，功能完善、自動化程度高。

[1] 俞文勝. 船舶綜合電力推進系統論述. 世界海運, 2007, 30(3): 43-45.

[2] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統設計和研究. 船電技術, 2013, 30(9).

[3] 叢培亭. 船舶電站[M]. 北京:中國書籍出版社, 2007.

[4] 張奇, 金奎. 基于S7-400H的功率管理系統在海洋平臺中的應用. 船電技術, 2016, 36(8).

[5] 張均東, 閆慧琪, 余劍翔. 基于CAN總線的船舶監控系統設計. 測控技術, 2003, 22(10).

Integrated System Design of PMS&IAS for the Oil Spilling Recovery Ship

Li Jinke, Shao Yun, Hu Shun

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd., Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0038-04

2017-03-13

李進科（1987-），男，工程師。研究方向：電子信息科學與技術。E-mail: 305964272@qq.com