基于MCGS 艦艇應(yīng)急電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 靜，朱 娜

（1. 武警海警學(xué)院，浙江寧波 315801；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

隨著海警艦艇自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)逐漸提升，艦艇應(yīng)急電站作為全艦艇自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)其自動(dòng)化控制進(jìn)行研究尤為重要。應(yīng)急電站的監(jiān)控系統(tǒng)分為參數(shù)顯示和自動(dòng)控制2個(gè)主體部分[1]；在應(yīng)急電站工作時(shí)，能實(shí)時(shí)顯示原動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的參數(shù)，如原動(dòng)機(jī)的油水壓力和溫度、應(yīng)急電網(wǎng)的電壓、電流和頻率等。在發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)調(diào)節(jié)部分參數(shù)，如通過控制油門開度來穩(wěn)定頻率、通過調(diào)整勵(lì)磁電流來穩(wěn)定電壓[2]。傳統(tǒng)的繼電器和機(jī)械顯示儀表已經(jīng)不能滿足這一系列的控制要求，因此，如何提高整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性已成為海警艦艇自動(dòng)化的重要研究方向。

1 艦艇應(yīng)急電力系統(tǒng)

艦艇應(yīng)急電力系統(tǒng)屬于全艦艇電力系統(tǒng)的一部分，當(dāng)遭受如戰(zhàn)損、惡劣海況等導(dǎo)致的主電力系統(tǒng)斷電且暫時(shí)不能恢復(fù)供電的情況時(shí)，應(yīng)急電力系統(tǒng)應(yīng)快速投入運(yùn)行，為艦艇重要用電負(fù)載緊急供電，以保證艦艇生命力的維持；同時(shí)，艦艇人員需盡快恢復(fù)主電網(wǎng)的供電。

隨著海警艦艇新型艦船裝備的列裝、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，其自動(dòng)化程度的提高為人員帶來便利的同時(shí)，對(duì)使用環(huán)境、設(shè)計(jì)水平和人員素質(zhì)提出了更高的要求，其主要概括如下：

1）艦艇應(yīng)急電站應(yīng)設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)控制2種工作模式。

2）應(yīng)急發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行與主電網(wǎng)正常運(yùn)行之間設(shè)有必要的電氣連鎖，避免出現(xiàn)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組和主電網(wǎng)二者同時(shí)供電的情況。

3）應(yīng)急發(fā)電機(jī)組通常設(shè)置在人員容易到達(dá)的高層連續(xù)甲板、遠(yuǎn)離主副機(jī)艙的位置，應(yīng)急配電板和應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)安裝在同一艙室。

4）應(yīng)急電力系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置必要的短路、欠壓、過載保護(hù)，同時(shí)設(shè)有必要的絕緣監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。

5）艦艇應(yīng)急發(fā)電機(jī)組應(yīng)保證至少能連續(xù)起動(dòng)6次的電力或壓縮空氣的儲(chǔ)備，且其控制系統(tǒng)能保證能短時(shí)間連續(xù)起動(dòng)3次發(fā)電機(jī)組，并保證能在45s內(nèi)根據(jù)預(yù)定控制程序給應(yīng)急負(fù)載供電。若3次均未能成功起動(dòng)，則監(jiān)控系統(tǒng)立即停止其自動(dòng)起動(dòng)程序并報(bào)警。

6）應(yīng)急電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的報(bào)警以及發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)參數(shù)的顯示和報(bào)警功能。表1為艦艇應(yīng)急電站規(guī)范所要求的報(bào)警內(nèi)容。

表1 艦艇應(yīng)急柴油機(jī)的安全保護(hù)和報(bào)警項(xiàng)目表

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

艦艇應(yīng)急電站控制系統(tǒng)是以PLC作為核心控制元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急電站柴油機(jī)和電氣參數(shù)的采集與控制，采用MCGS設(shè)計(jì)出的人機(jī)監(jiān)控界面并建立與S7-200連接的PPI通信通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電站實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急電站控制單元主要在以下2種情況下使用：

1）當(dāng)主電網(wǎng)正常工作時(shí)，發(fā)生故障失電且經(jīng)歷短暫延時(shí)確認(rèn)后仍未恢復(fù)供電，則立即啟用該控制程序，根據(jù)不同情況，按照既定的控制程序完成對(duì)應(yīng)急負(fù)載的供電過程。

2）在對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（簡稱：EG）起動(dòng)性能模擬測(cè)試時(shí)，只運(yùn)行PLC自動(dòng)起停模塊的子程序，而不運(yùn)行合閘部分的程序，以保證試驗(yàn)時(shí)主電站的正常供電。

在不考慮背向反射影響的情況下,微環(huán)諧振腔的光場(chǎng)傳輸示意圖如圖1所示。圖1中,微環(huán)與直波導(dǎo)寬度相同,半徑為R,耦合間距為d,微環(huán)與直波導(dǎo)光場(chǎng)耦合系數(shù)為k,在耦合區(qū)域,輸入光場(chǎng)(a1,a2)與輸出光場(chǎng)(b1,b2)的傳數(shù)矩陣[20]可以表示為:

根據(jù)艦艇應(yīng)急電站所需實(shí)現(xiàn)的控制需求，以模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)整個(gè)控制流程進(jìn)行編寫，即通過主程序來調(diào)用各子程序，主要包括應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起停模塊、主開關(guān)分合閘模塊和聲光報(bào)警模塊[3]。

現(xiàn)按照控制要求對(duì)I/O資源作如下配置：

1）數(shù)字量I/O分布如表2所示。

表2 數(shù)字量符號(hào)表

2）模擬量I/O分布如表3所示。

表3 模擬量符號(hào)表

3 系統(tǒng)調(diào)試

將裝有控制程序的S7-200 PLC與MCGS觸摸屏連接，進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的模擬運(yùn)行與仿真，以應(yīng)急發(fā)電機(jī)的起動(dòng)情況為例，其測(cè)試結(jié)果如下：艦艇通常由主電網(wǎng)供電，當(dāng)主電網(wǎng)因故斷電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組應(yīng)迅速起動(dòng)，且在45 s內(nèi)投入運(yùn)行。其投入運(yùn)行過程如圖1～圖3所示。

圖1 應(yīng)急起動(dòng)完成

圖3 應(yīng)急投入運(yùn)行時(shí)負(fù)載的監(jiān)控

圖2 應(yīng)急系統(tǒng)界面

根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行過程和相關(guān)控制需求，設(shè)計(jì)出艦艇應(yīng)急電站監(jiān)控系統(tǒng)，可設(shè)置為自動(dòng)或手動(dòng)2種運(yùn)行模式，經(jīng)過從系統(tǒng)初始化到起動(dòng)、應(yīng)急負(fù)載監(jiān)控與手動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)報(bào)警提示與查詢等過程的功能進(jìn)行仿真測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠滿足對(duì)艦艇應(yīng)急電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4結(jié)論

艦艇應(yīng)急電站作為艦艇電力系統(tǒng)最后的保障，盡管使用頻率低，但一旦投入運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)必須保證供電的穩(wěn)定性和快速性。最終測(cè)試結(jié)果表明：基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)在參數(shù)顯示、故障報(bào)警等方面人機(jī)交互性好，結(jié)合PLC控制器的控制優(yōu)勢(shì)，能夠在艦艇復(fù)雜情況下及時(shí)、可靠地完成對(duì)重要負(fù)載的供電，降低艦艇人員的工作和執(zhí)勤強(qiáng)度，提升艦艇自動(dòng)化水平和艦艇生命力。