綜合電力系統電力推進分系統集控臺設計

劉芃澎，劉志剛

應用研究

綜合電力系統電力推進分系統集控臺設計

劉芃澎，劉志剛

（92196部隊，山東青島 266000）

針對艦船綜合電力系統應用的推進分系統，設計了基于PLC和觸摸屏的推進分系統集控臺，該集控臺主要用于推進電機和推進變頻器運行狀態機旁監控及綜合電力系統能量管理推進顯控臺遙控間通訊。對集控臺硬件、軟件、通訊設計進行了詳細說明，給出了PLC推進分系統啟動、調速、停車流程；綜合電力系統現場運行結果表明設計的集控臺可以有效的監控推進分系統運行，提高了艦船綜合電力系統的數字化、智能化、穩定性和可靠性，對艦船自動化管理以及遠程監控水平的研究有一定的借鑒意義。

綜合電力系統 PLC 集控臺 監控

0 引言

艦船采用綜合電力系統是艦船動力平臺的一次跨越式發展，代表了艦船動力系統的發展方向，未來艦船采用綜合電力系統是世界各國海軍的共識[1]。作為船舶主動力的電力推進系統，由于其高效率、高可靠性、高自動化以及低維護，正成為大型水面船舶青睞的主推進系統。

隨著艦船的電氣化、自動化程度的不斷提高，集中監控與管理艦船系統各項參數指標在整個系統中占著極其重要的地位。良好的監控系統可以大大降低工作人員勞動強度，提高工作效率，提高整個艦船運行的穩定性、安全性、可靠性，增強艦船的戰斗力[2]。

可編程控制器PLC（programmable logic control）和觸摸屏在惡劣的艦船環境中，其穩定性及抗干擾性相對于計算機控制系統有較為明顯的優勢。觸摸屏以其易于操作、堅固耐用、反應速度快、節省空間等優點，使其在工業控制領域得到了廣泛的應用，解決了許多計算機所無法解決的問題。觸摸屏軟件具有功能強大、開發周期短、操作簡單、維護簡易等特點，它集顯示、操作、調試、數據存儲于一身，是其它顯示設備所無法比擬的[3-4]。

本文針對電力推進分系統，設計了基于ABB 公司AC500系列PLC和步科自動化公司MT5620-T系列觸摸屏的推進分系統集控臺，對其軟硬件進行詳細介紹，尤其是其推進系統操作流程，該集控臺主要采用基于Modbus TCP協議實現了推進電機和推進變頻器運行狀態機旁監控及綜合電力系統能量管理推進顯控臺（遙控）間通訊。

1 推進分系統集控臺硬件設計

推進分系統集控臺采用觸摸屏作上位機，PLC作下位機。觸摸屏主要負責推進分系統運行狀態的監測記錄及控制，此外，設置了操作按鈕，在觸摸屏故障情況下，可通過按鈕實現推進系統啟動、調速、停車等控制。通過功率、轉速表實現推進系統功率及轉速顯示，提高控制的冗余性。推進分系統集控臺實物圖如下圖所示。

推進分系統集控臺主要由步科觸摸屏MT5620T、ABB的PLC模塊（包括CPU模塊PM592-ETH及CPU底板TB541-ETH、數字量輸入輸出模塊DC532、DC522、模擬量輸入輸出模塊AX522、CAN通訊模塊CM578-CN、以太網通訊擴展模塊CM577-ETH）、以太網集線器、若干繼電器、按鈕、指示燈等構成。

PM592-ETH是ABB公司AC500系列中配置較好的PLC，指令運行速度高0.002/0.006/0.006ms位/字/浮點運算確保了推進系統有較好的實時性，其自帶閃存4G及支持擴展存儲SD卡，可對通訊中的重要數據進行實時保存，PLC保存的數據可通過網絡基于FTP方式進行訪問，PM592-ETH支持各種通訊協議，通訊端口包括串口RS232、RS485及以太網口。

MT5620T觸摸屏是步科公司中MT5000系列中10.4寸觸摸屏，其CPU數據處理速度快，通訊端口包括串口RS232、RS485和以太網接口，支持Modbus ASCII、RTU、TCP/IP等協議，支持多串口同時通訊功能，多個觸摸屏可以任意組網，支持擴展存儲器SD卡。觸摸屏中波形數據可保存至SD卡中或重要頁面也可通過截屏保存至SD卡中。

2 推進分系統集控臺軟件設計

2.1 集控臺軟件功能設計

集控臺監控軟件以控制和實時監測推進分系統中設備參數為中心，具有功能完善、操作簡單、可視性好的特點，具體功能如下：

1）推進電機、變頻器運行狀態監控及與推進顯控臺通訊

集控臺與推進電機安保柜進行通訊，將推進電機相關參數集中顯示，并能實現電磁閥開啟、關閉控制；集控臺與推進變頻器主控制器進行通訊，顯示推進變頻器運行狀態，設置變頻器參數，控制變頻器啟停；集控臺與能量管理推進顯控臺通訊，將推進電機、推進變頻器所有數據上傳及接收能量管理的控制指令。

2）故障檢測、報警與處理

實時監測推進變頻器、推進電機運行狀態及參數，判斷故障發生及類型，并根據故障類型報警或主開關分閘及發電機滅磁。

3）故障信息的顯示、存儲、打印

監控界面設置有故障信息顯示頁面，顯示當前故障信息及歷史故障信息，如故障類型、發生時間、持續時間等，并將故障信息保存至PLC外擴存儲器SD卡和觸摸屏SD卡中。觸摸屏可通過USB端口連接打印設備，可以打印以上信息。

4）推進分系統控制功能

推進變頻器控制方式有機旁和遙控兩種方式，機旁則是集控臺控制推進變頻器的工作方式，而遙控則是能量管理推進顯控臺控制變頻器的工作方式；推進電機也有機旁和集控臺兩種方式，機旁則是推進電機安保柜控制的工作方式，而集控臺方式則是集控臺控制推進電機的工作方式。

5）安全功能

為避免現場操作的任意性和無序性，防止因誤操作干擾系統的正常運行或導致系統癱瘓，對操作進行了互鎖，對系統參數、用戶級別和權限均做了限制，嚴格規定各類操作的權限。每次操作指令增加了確認按鈕，確保每次控制指令只發送1次，提高了控制的可靠性和通訊效率，大大減少了推進變頻器主控制器因需實時響應控制指令對內存資源的占用頻率。此外還對推進分系統機旁、遙控進行優先級設置，機旁優先于遙控，避免兩種模式混合運行。

2.2 集控臺軟件程序設計

集控臺軟件分為PLC控制軟件和觸摸屏人機界面軟件兩部分。PLC程序實現與外部通訊、數據處理、邏輯判斷、控制執行及存儲等功能；觸摸屏程序通過以太網直接訪問和修改PLC變量，實現推進分系統狀態的顯示、控制和保存功能。

2.2.1集控臺PLC程序設計

推進分系統集控臺下位機PLC選用了ABB公司配套的編程軟件Control Builder Plus，PLC程序基于最流行的編程系統CoDeSys，采用ST語言編程實現。ST語言是一種自由純文本的編輯方式，沒有固定的格式限制，與C語言類似，是一種高效的自動化程序開發語言。

PLC程序主要由邏輯互鎖參數限幅子程序、推進電機通訊子程序、推進變頻器正常數據收發子程序、推進變頻器故障數據收發子程序、推進變頻器故障急停子程序等5個程序。其中前4個程序為定周期模式，4個程序并行運行，運行周期為10 ms，而故障急停子程序為自由周期運行模式，自由周期運行模式下能實現故障或緊急情況下主開關以最快速度分閘。

推進分系統遙控或機旁控制可分為啟動、調速、停機三步，流程圖分別如圖2~3所示。

2.2.2觸摸屏監控界面設計

集控臺上位機選用上海步科自動化有限公司開發的軟件Kinco HMIware組態編程軟件進行組態，該軟件是為MT4000/5000系列HMI開發的專用人機界面組態編程軟件，具有強大的集成開發環境，可以使用該軟件為人機界面創建操作員面板并配置操作參數。該軟件提供了設計人機界面項目從數據采集到創建并顯示動畫的各種所需的所有工具。根據監控軟件具體功能，本軟件設計了以下監控界面。

1）主監控界面

主監控界面直觀的顯示整個推進分系統工作狀態，包括變頻器各通道輸入電壓、輸出電流、開關管狀態、推進電機轉速等。

2）推進變頻器監測界面

推進變頻器所有狀態集中顯示于該界面，便于操作人員全面掌握推進變頻器的運行狀態。

3）推進電機監測界面

推進電機所有狀態集中顯示于該界面，便于操作人員全面掌握推進電機的運行狀態。

4）故障記錄界面

自動將系統歷史故障信息歸檔，顯示故障發生的日期、時間、故障類型、結束時間等，便于故障分析。

5）數據趨勢圖

6）操作日志

記錄機旁或遙控操作人員控制推進分系統的所有信息，便于查詢人員操作情況。

圖1 變頻器啟動流程

7）系統設置

設置系統參數，如語言、時間、本地IP等。

8）遠程訪問界面

觸摸屏具有遠程訪問功能，用戶輸入觸摸屏IP，即可通過PC機訪問監控界面。

9）登陸界面

“越中山水之奇麗者，剡為之最。剡中山水之奇麗者，金庭洞天為之最。其洞在縣之東南。循山趾而右去，凡七十里，得小香爐峰，其峰即洞天之北門也……真天下之絕境也……是以瑯琊王羲之領右軍將軍，而家于此山。其書樓墨池，舊制猶在……其金庭洞天，即道門所謂赤城丹霞第六洞天者也……過此峰東南三十余里，有石竇牙為洞門，即洞天之便門也。人或入之者，必贏糧秉燭……莫臻其極也……登書樓，臨墨池，但見其山水之異也，其險如崩，其聳如騰，其引如肱，其多如朋。不三四層，而謂天可升。”[3]7520

對于控制觸摸屏設置了登陸密碼，防止無關人員誤操作。

圖2 變頻器調速流程

圖4給出了推進分系統觸摸屏主監測頁面。頁面最上方是標題欄，欄內包含頁面標題、動態報警條和返回圖標。根據推進分系統運行狀況，報警條滾動顯示“推進分系統運行正常”、“推進變頻器故障”、“推進電機故障”三種狀態中的一種。返回圖標的作用是返回上一級頁面，在一級頁面內同導航圖標一樣，觸控即返回導航頁。頁面最下端任務欄內添加了“截屏”圖標和常用頁面切換圖標，觸控“截屏”即可保存當前頁面至SD卡，以當前日期時間命名。

圖4 主監測頁面

標題欄和任務欄之間是頁面的主題部分，重點顯示181個變頻器參數、7個電機參數和15個備用端口參數。頁面內推進分系統的構成、接線、布局與實際情況并不完全相符，采用圖片形式的主要目的是為顯示參數提供一個形象直觀的平臺。

變頻器柜體上綠色的顯示燈為變頻器單元的報警顯示燈，綠色表示本單元無故障，紅色表示本單元有故障。

3 推進分系統集控臺通訊設計

推進分系統下位機PLC主要與步科觸摸屏、推進變頻器主控制器、推進電機和能量管理推進顯控臺進行通訊。

3.1 觸摸屏與PLC通訊

PLC與觸摸屏通訊方式采用工業以太網基于Modbus TCP/IP方式，其具有協議開放，與不同廠家設備兼容，能實現遠程訪問、遠程診斷、具有網絡速度快、實時性強、系統安全性高成本低等特點。與串口RS485相比，Modbus TCP/IP 允許使用更多的地址，可以采用多主站架構、傳送速率可達GB/s的水平，Modbus TCP網絡的從站數量僅受限于網絡物理層的能力，通常從站的數量一般在1024個。由于步科觸摸屏暫還不支持與ABB公司PLC的以太網通訊協議，故在觸摸屏組態時PLC是選用的是Modbus TCP Slave通用模塊。

3.2 集控臺PLC與推進電機通訊

PLC與推進電機安保柜采用以太網方式，基于Modbus TCP/IP協議下進行主從通訊。其中集控臺作為主站，推進電機安保柜作為從站，主要實現推進電機溫度、流量、壓力、功率顯示及電磁閥的開啟、關閉控制。

由于PLC自帶的以太網口已用于與上位機兩觸摸屏通訊，并作為從站，而PLC與推進電機安保柜以太網通訊要求PLC作為主站，故用以太網通訊擴展模塊CM577-ETH對PLC以太網通訊口進行了擴展，CM577-ETH模塊有兩個以太網通訊口，選用其中一個以太網通訊口用于與推進電機安保柜基于Modbus TCP/IP通訊，PLC作為主站。為了調試的方便，CM577-ETH模塊另一個以太網通訊口連接到以太網集線器，便于個人PC機基于以太網方式對推進電機安保柜訪問。

3.3 集控臺PLC與推進變頻器通訊

PLC與推進變頻器主控制器采用串口RS232/Modbus RTU和CAN2.0B通訊方式，RS2332主要實現控制指令下發，而CAN2.0B實現主控制器待監控數據快速上傳，最終實現變頻器每個開關器件和系統運行狀態、故障狀態、輸入電壓、輸出電流監控及轉速設置與顯示、開/關機控制、充放電控制以及相關控制參數的設置等。Modbus RTU通訊具有簡單、硬件便宜、通用性強、使用方便的優點，容易開發和實現，16位的CRC校驗，確保了通訊正確性，Modbus RTU幾乎成國產PLC首選的串行通訊協議，在同樣的波特率下，Modbus RTU通訊方式相比Modbus ASCII效率更高。

3.4 集控臺PLC與能量管理推進顯控臺通訊

PLC與能量管理顯控臺之間采用CAN2.0B通訊方式。考慮到距離比較遠，采用CAN轉光纖方式通訊，主要實現推進變頻器、推進電機變頻器調速和開關機功能。推進系統狀態顯示則通過以太網Modbus TCP協議通訊，能實現遠程訪問、遠程診斷，具有網絡速度快，成本低等特點。

3.5 集控臺PLC與其它通訊

PLC程序或觸摸屏工程在線調試及上傳下載均通過以太網實現，個人PC能夠通過網絡很方便快速的訪問PLC和觸摸屏，非常實用。比如，一個觸摸屏工程若通過串口下載將耗時約10分鐘，而通過以太網將不到半分鐘，PLC工程下載也類似。PLC保存的數據也可通過以太網基于FTP方式遠程訪問。

比較重要的控制指令直接通過硬件與PLC數字量輸入輸出模塊相連。其中集控臺與能量管理推進顯控臺、中壓配電板、變頻器柜體之間分別有硬線連接。

4 試驗結果

將研制的推進分系統集控臺用于推進電機和推進變頻器控制，以驗證設計的集控臺正確性、可行性。推進電機同軸聯接水力測功機，水力測功機用來模擬螺旋槳負載（螺旋槳負載與轉速三次方成線性關系），從而推進電機輸出軸功率與推進電機轉速成三次方關系。圖5~6為推進電機帶水力測功機試驗時，推進分系統集控臺觸摸屏畫面截圖。

推進分系統集控臺控制界面主要設定推進電機轉速、轉速升速率、轉速降速率、推進電機轉子電阻和磁鏈等參數及推進電機轉速和推進變頻器勵磁轉速電流顯示等。

綜合電力系統原動機為燃氣輪機，要求負載線性加載，而水力測功機負載與推進電機轉速三次方成線性關系。為滿足負載線性加載，推進變頻器給定推進電機轉速為時間的開三次方關系。從圖6可以看出在推進電機轉速范圍為-nmax~ +nmax轉時，推進電機實際測量轉速與給定轉速吻合良好，較好的與時間成開三次方關系。

圖5 推進分系統集控臺控制界面

圖6 集控臺推進電機給定、測量轉速顯示

通過圖5~6試驗截圖分析表明，推進分系統集控臺較好的實現對推進電機和推進變頻器的數字化控制，集控臺設計正確、合理。

5 結論

本文采用基于Modbus TCP/IP、Modbus RTU CAN2.0B通訊等協議，設計了基于PLC和觸摸屏的推進分系統集控臺。集控臺通過以太網將推進電機、PLC、觸摸屏及編程調試接口形成網絡，非常便于初期調試。綜合電力系統現場運行驗證表明集控臺設計的正確性、可行性。推進分系統集控臺的設計方法和思想可以為將來艦船自動化、智能化提供一定的借鑒。

[1] 馬偉明. 艦船動力發展的方向－綜合電力系統[J]. 海軍工程大學學報, 2002, 14(6): 1-5,9.

[2] 蔣曉峰, 施偉鋒, 劉以建等. 基于觸摸屏和PLC的船舶電站監控系統設計[J]. 電力自動化設備, 2011, 31(1): 122-125.

[3] 譚威. 基于PLC的工業控制系統的設計與實現[D]. 華中科技大學, 2007.

[4] 黃永紅, 吉裕暉, 楊東. PLC控制電機變頻調速試驗系統的設計與實現[J]. 電機與控制應用, 2007, 34(10): 40-43.

Design of Centralized Control Console for IPS Electric Propulsion Subsystem

Liu Pengpeng, Liu Zhigang

(Unit 92196, Qingdao 266000, China)

TM612

A

1003-4862（2021）02-0060-05

2020-09-15

劉芃澎(1985-)，男，助理工程師。研究方向：潛艇動力裝備技術應用。E-mail: 330267277@qq.com