基于PLC S7- 1200 的船舶柴油發電機組安保監控系統的研究設計

王金豹 孔立勝 劉 洋 孫劍峰

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海201108）

1 概述

柴油發電機組由于環境適應性強、發電效率高被廣泛應用于各種類型的船舶，其安全穩定的運行是確保船舶正常供電的關鍵。本文所介紹的柴發機組安保監控統是建立在西門子公司生產的SIMATIC S7-1200 系列PLC 基礎上,主要功能為控制柴油機發電機組的啟動與停機，保證柴發機組的正常運行。

2 方案設計

2.1 安保監控系統的組成

圖1 系統組成圖

柴油發電機組安保監控系統主要由CRT 顯示終端、S7-1200 PLC 控制模塊、柴油機機旁ECU 控制單元、網絡交換模塊組成。

S7-1200 PLC 控制模塊采集來自機旁ECU 控制單元、外部傳感器、信號處理模塊、操作面板等元器件的開關量輸入信號，經控制程序邏輯判斷通過PLC 模塊的DQ 通道輸出啟動、正常停機、故障緊停等輸出信號對柴發機組進行安全保護控制。PLC S7-1200 自帶網絡接口，可以將安全報警信息經網絡交換模塊發送給CRT 顯示終端，進行柴發機組監控信息顯示。

網絡交換模塊可實現柴油機機旁ECU 控制單元、CRT 顯示終端、PLC 模塊之間的網絡信息交互。

柴油機機旁ECU 控制單元可實現柴油機的機旁監測控制，包括啟動、停機、機組監測報警等功能。并具備遙控交互接口，實現對外網絡信息交互、遠程控制、輸入輸出信息采集等功能。另外ECU 控制單元對外拓展輸出滑油壓力過低、柴油機轉速低于額定轉速的70%、機旁操作、操作未備便等開關量輸出接口。

CRT 顯示終端安裝LABVIEW 監控軟件，可采集來自機旁ECU 控制單元和PLC 模塊的通訊信息，實現柴發機組運行參數的實時參數監控、報警輸出并具備數據記錄功能。

2.2 安保監控系統的主要功能

2.2.1 啟動連鎖功能。啟動柴油機之前，安保系統自動檢測柴油機滑油液位、啟動空氣壓力、淡水低溫、控制部位選擇開關位置、燃油油位等開關量信號，確認柴油機是否具備安全啟動條件，通過程序設置啟動連鎖實現啟動連鎖功能。

2.2.2 正常停機連鎖功能。正常停機前檢測發電機是否分閘，防止因為發電機未分閘突然停機引起電網的巨大波動。

2.2.3 安保緊急停機功能。柴油機超速、淡水溫度過高、滑油壓力過低、主軸承高溫等故障會嚴重威脅柴油機發電機組的使用壽命。當設備出現以上故障時，自動執行緊急停機功能，經檢查排除故障后才可以再次啟動柴發機組。

2.2.4 報警輸出功能。當柴發機組遇到故障緊急停機同時，PLC 會送出報警信息，在CRT 顯示終端報警顯示界面顯示相應的故障報警狀態，方便操作人員判斷故障原因。

2.3 硬件設計

安保監控系統的核心控制器選擇了西門子公司生產的SIMATIC S7-1200 系列PLC，具有結構緊湊、功能全面、組態靈活、運行穩定、工作可靠等特點。

2.3.1 PLC 的選型。選型之前需要對控制對象和控制任務進行統計和分析，然后確定選擇的型號和配置。經過統計，輸入輸出I/O 點數如下：開關量輸入17 個，模擬量輸入3 個，開關量輸出5 個。

CPU 模塊采用的是CPU 1214C DC／DC／DC 模塊。模塊內置PROFINET 以太網通信接口、板載14 入／10 出的開關量通道、兩路模擬量輸入通道以及兩個脈沖發生器，并最多可附加八個信號模塊以及三個通信模塊。

數字量模塊采用的是SM 1221 DC，其有8 路24V 輸入通道。

模擬量模塊采用的SM1231 AI，其有4 路模擬量輸入通道。

如圖2 為PLC 在編程軟件中Portal 視圖的硬件組態情況。

2.3.2 I/O 測點分配。根據輸入/輸出內容，I/O 分配定義情況如下：

I0.0-I0.7 分配輸入測點：手動啟動指令、手動停機指令、手動緊急停機指令、越控指令、應答、復位、機旁操作、操作未備便；

圖2 PLC 硬件組態

I1.0-I1.5 分配輸入測點：滑油液位低、啟動空氣低壓、淡水溫度低、柴油機超速、淡水溫度過高、滑油壓力過低；

I2.0-I2.2 分配輸入測點：發電機軸承高溫、發電機已分閘、柴油機轉速低于額定轉速的70%；

Q0.0-Q0.4 分配輸出測點：啟動輸出、正常停機輸出、故障緊急停機輸出、正常運行信號輸出、蜂鳴器報警輸出；

IW112、IW114、IW116 分配模擬量輸入測點：柴油機轉速、排氣背壓、滑油壓力。

2.3.3 傳感器及信號源的選擇。手動啟動指令、手動停機指令、手動緊急停機指令、越控指令、應答、復位開關量輸入信號由柴油機操作板上對應的按鈕直接送出；

機旁操作、操作未備便、滑油壓力過低、發電機軸承高溫、發電機分閘、柴油機轉速低于額定轉速的70%開關量輸入量信號由柴油機機旁ECU 控制單元拓展送出；

滑油液位低開關量信號來自柴油機油底殼的液位開關；啟動空氣低壓開關量信號來自啟動空氣瓶的壓力開關；淡水低溫開關量信號來自柴油機冷卻系統管路的溫度開關，當淡水溫度低于45℃時，溫度開關送出一路開關量信號；淡水溫度過高開關量信號來自柴油機淡水管路的另外一路溫度開關，當柴油機冷卻水溫度高于92℃時，溫度開關送出一路開關量信號；排氣背壓模擬量信號來自于排煙管路的壓力傳感器；滑油壓力模擬量信號來自于柴油機主滑油管路的滑油壓力傳感器。

柴油機轉速信號的處理：安裝于柴油機飛輪端的轉速傳感器送出一路脈沖量信號至轉速處理模塊，經過變換處理后送出一路0-5V 的模擬量至PLC 的SM1231 AI 模擬量采集模塊，當柴油機轉速大于額定轉速的10%時，轉速處理模塊可以送出一路柴油機超速開關量信號至PLC 的I1.3 輸入采集通道。

2.4 軟件設計

柴發機組安保監控系統軟件功能設計主要有以下幾個方面：

2.4.1 啟動連鎖功能。啟動連鎖功能流程分析：當控制部位不在機旁、柴油機滿足操作備便條件，同時滑油液位低、啟動空氣低壓、淡水溫度低等無報警時，此時柴油機無啟動連鎖條件，按下柴油機操作板上啟動按鈕，啟動輸出才有效；當僅有淡水溫度低這一啟動連鎖條件時，按下柴油機操作面板上越控按鈕，可以屏蔽淡水溫度低報警，強制啟動柴油機。

啟動程序設計PLC 梯形圖如圖3。

圖3

2.4.2 正常停機連鎖功能。正常停機連鎖流程分析：當控制部位不在機旁的情況下，按下柴油機操作面板上的停機按鈕，發電機分閘后停機信號可以正常輸出；發電機未分閘時，按下停機按鈕，正常停機輸出無效。按下柴油機操作面板上越控按鈕，可以跳過發電機分閘信號強制停機。

停機程序設計PLC 梯形圖如圖4。

圖4

2.4.3 安保緊急停機功能

安保緊急停機流程分析：當按下柴油機操作面板上緊急停機按鈕，或者當PLC 收到柴油機超速、淡水溫度過高、滑油壓力過低、發電機軸承高溫、柴油機轉速低于額定轉速的70%中任一開關量輸入信號時，執行緊急停機操作。

安保故障停機設計PLC 梯形圖如圖5。

圖5

3 結論

本文設計的船舶柴發機組安保監控系統在實驗室物理仿真平臺上進行了仿真試驗，運行穩定、抗干擾能力強、可靠性高，對船舶柴發機組安保監控系統實際設計與應用具有一定的參考借鑒意義。