基于PLC MCGS PPU的船舶電站的設(shè)計

操定友

摘要：AHTS多用途工作船具有動力定位功能，主要用于海上打撈救助、海洋石油平臺供應(yīng)、散液貨供應(yīng)及遠(yuǎn)洋拖帶功能等。基于船舶作業(yè)的安全需要和多功能化發(fā)展，一個可靠性高、功能齊全的船舶電站自動化控制系統(tǒng)是很有必要的。本文以具有DP2定位的AHTS船舶的電力系統(tǒng)（440V/60Hz）為平臺，詳細(xì)地闡述了船舶電站的設(shè)計過程和實現(xiàn)方法，采用西門子公司S7-200型可編程控制器和丹麥DEIF公司生產(chǎn)的多功能控制器（Paralleling and Protection Unit， PPU）模塊以及MC-GS組態(tài)模塊組成的電站自動化管理單元，設(shè)計了電站自動化程序控制流程，對其他船型的設(shè)計和研究提供了參考意義。

關(guān)鍵詞：船舶電站;PLC;PPU：MCGS

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0240-03

船舶電站是船舶最重要的組成部分。PLC作為電氣自動化控制系統(tǒng)的主要組成部分，現(xiàn)已成為電氣領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)產(chǎn)品之一。而現(xiàn)代PLC具有使用范圍廣、抗干擾能力強及操作簡單這三大優(yōu)勢，那么一個可靠性高、功能齊全的電站自動化控制系統(tǒng)通常采用PLC控制技術(shù)對船舶進行自動化控制。在這個前提下，對PLC的電站自動化控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

1 船舶電站控制系統(tǒng)主要功能

該船舶在設(shè)計的過程中，結(jié)合了S7-200PLC、MCGS觸摸屏以及PPU的優(yōu)勢，使電站堅固耐用、安全可靠。

本船設(shè)2臺柴油發(fā)電機組，每臺機組功率約為425KW，兩臺軸帶發(fā)電機，每臺機組為1200KW，一臺應(yīng)急發(fā)電機，功率為122KW。見圖1船舶電站系統(tǒng)圖。

1.1控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)具有可以自發(fā)處理電站在常規(guī)工作模式以及在DP特殊模式發(fā)生一系列故障的功能，并且能自動對電站功率、電壓以及頻率進行調(diào)節(jié)，還可以自動對各發(fā)電機組進行自啟動、并車、解列等控制。

1.2自動監(jiān)控報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)可以對電站其他設(shè)備的運行狀態(tài)及各項參數(shù)進行實時的監(jiān)控，監(jiān)控對象主要包括：原動機、發(fā)電機、配電系統(tǒng)等，這些設(shè)備監(jiān)控所產(chǎn)生的開關(guān)量、模擬量與報警系統(tǒng)所預(yù)設(shè)好的報警閥值進行比較，若超過報警閥值，報警器將會發(fā)出聲光報警，提醒值班人員注意。報警系統(tǒng)還應(yīng)在出現(xiàn)報警時，對報警項目進行醒目顯示并進行記錄、匯總。

1.3安全保護系統(tǒng)

安全系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，其作用是：在電站的運行過程中若發(fā)生嚴(yán)重危及電站運行的故障或其他危及DP工況模式時，安全保護系統(tǒng)可立即采取措施，進行相應(yīng)控制或調(diào)節(jié)，以保護設(shè)備安全或人身安全。

2 船舶電站自動化主要硬件配置

該系統(tǒng)采用PC上位機、PLC控制器（西門子S7-200型）、MCGS觸摸屏結(jié)合丹麥DEIF的PPU多功能控制器實現(xiàn)發(fā)電機組的保護、并聯(lián)運行和功率分配功能等。PC上位機通過網(wǎng)絡(luò)訪問觸摸屏監(jiān)控軟件，也可直接操作觸摸屏控制PLC實現(xiàn)對下位機的控制。監(jiān)控界面可實時通過觸摸屏顯示各發(fā)電機工作狀態(tài)以及狀態(tài)參數(shù)、報警指示以及報警記錄的查詢等操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7-200選用的是型號CPU 226CN DC/DC/DC，24輸入/16輸出，2個RS485通訊/編程口，在本系統(tǒng)設(shè)計中，需要對PLC的I/O口進行擴展。可通過自帶編程軟件將S7-200組態(tài)作為MODBUS RTU主站設(shè)備工作，并與1個或多個MODBUS從站設(shè)備通訊，且可與機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行交互。

PPU是整個船舶電站的核心，該系統(tǒng)選用丹麥DEIF生產(chǎn)的發(fā)電機并聯(lián)保護控制單元PPU。PPU可被作為S7-200的從站工作。在船舶電站正常工作時，PPU可以保持動、靜兩種狀態(tài)運行，對發(fā)電機關(guān)鍵參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控與調(diào)節(jié)并、保護。同時，PPU與PLC之間的相互交互作用，可以實現(xiàn)對發(fā)電機運行狀態(tài)的動態(tài)控制，在這種情況下可以省去上位機的數(shù)據(jù)傳輸，減少了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸量，提高了監(jiān)控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。PPU可通過開關(guān)量和模擬量輸入輸出或串口通訊與PLC連接。PPU的主要功能如下：

（1）發(fā)電機的同步并車、負(fù)載分配與調(diào)節(jié)、頻率控制、逆功率保護等功能

（2）發(fā)電機的電壓、電流監(jiān)測與實時保護

（3）發(fā)電機的起動停止控制

（4）根據(jù)油壓、冷卻水溫度的模擬量值和交流頻率的測量值來進行發(fā)動機保護。

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司生產(chǎn)的一款用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。本船舶電站系統(tǒng)非常適合采用這款組態(tài)軟件作為上位機，能夠?qū)崟r動態(tài)地顯示船舶電站的工作狀態(tài)并進行適當(dāng)?shù)娜藶榭刂啤２僮魅藛T可以輕易地了解到整個系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行狀態(tài)及安全狀況，各個設(shè)備的運行開關(guān)、儀器儀表以及一些報警設(shè)備都可以直觀地顯示在上位機的操作界面上，使得操作者可以輕易地操作船舶電站的監(jiān)控系統(tǒng)，同時可視化的操作界面也可以很好地避免出現(xiàn)誤操作。

3 船舶電站的自動化程序設(shè)計

3.1電站手動模式

兩臺主發(fā)電柴油機之間的手動并車以及主發(fā)柴油機與軸帶發(fā)電機之間的手動并車（在特定工況下，需要將主發(fā)電機與軸帶發(fā)電機進行短暫并車，將主發(fā)電機所帶負(fù)載轉(zhuǎn)移至軸帶發(fā)電機或?qū)⑤S帶發(fā)電機所帶負(fù)載轉(zhuǎn)移至主柴油發(fā)電機）：當(dāng)任意發(fā)電機對電網(wǎng)供電，需要并另一臺發(fā)電機時，將模式開關(guān)打到“手動”，并將同步選擇開關(guān)選擇到相應(yīng)的待并發(fā)電機，手動調(diào)節(jié)待并機轉(zhuǎn)速并觀察同步表指針或同步指示燈，在滿足條件時，手動合上待并機組同時斷開同步表，并手動調(diào)節(jié)負(fù)載分配。

3.2電站半自動模式

3.2.1柴油發(fā)電機組之間的半自動并車

當(dāng)柴油發(fā)電機對電網(wǎng)供電，需要另一臺柴油發(fā)電機并網(wǎng)時，只需要啟動該發(fā)電機，同時將該發(fā)電機的模式開關(guān)置于“自動”模式，待電壓建立成功后，發(fā)電機綠色指示燈亮，電站將自動調(diào)節(jié)待并機的轉(zhuǎn)速（如有需要，可隨時將模式開關(guān)置于手動位置，自動并車功能取消），滿足同步并車條件時，PLC發(fā)出自動合閘指令，合閘成功發(fā)電機并聯(lián)運行，自動調(diào)節(jié)負(fù)載分配。或者直接按下柴油發(fā)電機的“自動啟動/并車”按鈕，發(fā)電機將自行啟動并完成并車功能等相關(guān)操作。

3.2.2柴油發(fā)電機的半自動解列

無論是置于手動模式還是自動模式，只需直接按下“自動解列”按鈕，發(fā)電機紅色指示燈亮，自動電站自動降低解列機組負(fù)載，當(dāng)解列機組負(fù)載功率低于5%額定值時，自動分?jǐn)嘟饬袡C組主開關(guān)，解列成功，經(jīng)過3min延時冷卻后，自動停止柴油機。

3.2.3軸帶發(fā)電機與柴油發(fā)電機組之間的半自動并車

當(dāng)任一柴油發(fā)電機對電網(wǎng)供電，需要切換到軸帶發(fā)電機時，當(dāng)主機正常運轉(zhuǎn)并發(fā)出速度恒定信號，將軸帶發(fā)電機的模式開關(guān)置于“自動”模式，PLC將對軸帶發(fā)電機自動勵磁并待電壓建立成功后自動調(diào)節(jié)主機的轉(zhuǎn)速，滿足同步并車條件，自動發(fā)出軸帶發(fā)電機合閘指令，合閘成功兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行。但由于軸帶發(fā)電機與柴油發(fā)電機的額定功率不一致，只能短時間并聯(lián)運行以作轉(zhuǎn)移負(fù)荷之需。此時需要手動按下柴油發(fā)電機的“自動負(fù)荷轉(zhuǎn)移”按鈕，柴油發(fā)電機將自動解列，在解列成功后并延時3分鐘停車。

3.3電站自動模式

根據(jù)功能要求，簡單的I/O地址分配如表1所示。DG1與DG2為柴油發(fā)電機，SG1與SG2為軸帶發(fā)電機，BT1與BT2為兩臺艏側(cè)推，ST為一臺尾側(cè)推。ST1 ACB與ST2 ACB能夠在失電的時候進行自動切換。

3.3.1匯流排失電（DP工況）

兩臺軸帶發(fā)電機獨立工作，各自向匯流排A1與B、A2與C供電。見圖1。DG1和DG2均設(shè)置在自動模式，當(dāng)BUS BAR A1或BUS BAR A2任一匯流排因故障失電時，PLC將發(fā)送控制命令給相應(yīng)的柴油發(fā)電機，啟動柴油發(fā)電機自動合閘并投入運行，快速恢復(fù)匯流排A1或A2的供電，為及時恢復(fù)船舶動力減少所耗費的時間。當(dāng)匯流排B或C失電時，PLC將發(fā)送合閘命令給ST2 ACB或ST1 ACB，自動進行供電切換操作，切換完成后尾側(cè)推自動啟動并投入運行，保持了側(cè)推的冗余性。DP因故繼續(xù)保持工作，確保了船舶的可操作性與安全性。

3.3.2匯流排失電

當(dāng)一臺柴油發(fā)電機在網(wǎng)運行，主機速度恒定，軸帶發(fā)電機設(shè)為第一第二備用時，當(dāng)電網(wǎng)因故失電，自動電站對第一備用軸帶發(fā)電機發(fā)出合上勵磁開關(guān)指令，對軸帶發(fā)電機進行勵磁，電壓建立成功后發(fā)出合閘指令，軸帶發(fā)電機主開關(guān)自動合閘并投入電網(wǎng)運行。若第一備用投入失敗，自動轉(zhuǎn)入第二備用。

當(dāng)一臺軸帶發(fā)電機在網(wǎng)運行，另兩臺柴油發(fā)電機設(shè)為第一第二備用時，當(dāng)主電網(wǎng)失電，第一備用柴油發(fā)電機將自行啟動，啟動成功并建立電壓后將發(fā)出合閘指令，備用發(fā)電機主開關(guān)自動合閘恢復(fù)供電。若啟動失敗或者合閘失敗，均發(fā)出報警提醒值班人員注意。若第一備用投入失敗，自動轉(zhuǎn)入第二備用。

當(dāng)一臺柴油發(fā)電機在網(wǎng)運行，另一臺柴油發(fā)電機設(shè)為第一備用且軸帶發(fā)電機不投入運行時，當(dāng)電網(wǎng)因故失電，第一備用柴油發(fā)電機將自行啟動并投入運行，恢復(fù)電網(wǎng)供電。若啟動失敗，將發(fā)出失敗報警。

3.3.3超載

當(dāng)在網(wǎng)柴油發(fā)電機功率不小于85%，另一柴油發(fā)電機設(shè)為第一備用模式，發(fā)電機將自行啟動并自動并車投入運行。

3.3.4輕載解列

當(dāng)兩臺柴油發(fā)電機并網(wǎng)運行并均設(shè)為自動模式，發(fā)電機電網(wǎng)總功率不大于總功率的30%即250KW，經(jīng)過30分鐘延時，電站發(fā)出DG1自動解列指令，待DG1負(fù)載低于額定負(fù)載的10%時，發(fā)出分閘指令，并經(jīng)過3分鐘的延時，停止DG1柴油機的運行。見程序設(shè)計圖3。

3.3.5重載詢問

當(dāng)軸帶發(fā)電機投入運行，駕駛臺發(fā)出啟動側(cè)推信號時，PLC會給出一個允許啟動信號，側(cè)推器將被允許啟動并投入運行。若軸帶發(fā)電機未能投入運行，則發(fā)出啟動失敗信號并報警。

4 結(jié)束語

綜上所述，本船舶電站系統(tǒng)功能完善，工作可靠，設(shè)計符合DP2對船舶電站系統(tǒng)的要求。本文的研究不僅是為三用工程船開發(fā)的船舶電站設(shè)計，更重要的是對船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成進行了分析，并設(shè)計了基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了對于船舶電站工作狀態(tài)的自動化監(jiān)控，并能更為直觀地讓工作人員了解到船舶電站各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)變化趨勢。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】

收稿日期：2019-08-27