基于PLC 的船舶電站監控系統分析

周長江，孫裕林，趙福財

（1. 上海研途船舶海事技術有限公司，上海 200444；2. 上海佳豪船海工程研究設計有限公司，上海201612；3. 安徽長風船舶工程有限公司，合肥 230601）

0 引言

隨著造船業的飛速發展，大型高科技船舶變得越來越重要。船舶的發電站和供電系統中強調了許多新概念，新技術和新設備。控制，監視和管理電源系統的必要性變得越來越重要。在當下的船舶行業的發展過程中，通信系統環境處于隨時變化的狀態，進而通信管理控制系統的難度加大，礙于硬件和軟件自身的限制，存在覆蓋率低、通信系統波特率差的問題，已經不能適應于當今船舶通信系統的需要，以此，需要基于PLC自動化系統，有效地對船舶的電站進行可靠性方面的管理以及控制，進而有效地實現無人駕駛室的操作方式，大大提升工業的控制能力。

1 研究背景

隨著當今科學技術的飛速發展，人類在大數據時代的自動化和智能化生產中已經發揮著越來越重要的作用。作為船舶的輔助動力單元，船舶對機械和設施供電的需求是船舶電站的重要組成部分，而在技術快速發展的時代，船舶電站的監控控制系統需要得到補充，以滿足新的需求。對于大型船舶來說，內部結構更復雜，通常有大量的系統。在運行過程中，每個機械設備都需要一個電能的電源。為此，在大型船舶上，通常是電力，以建造一個獨立的發電站。自1960年代以來，我國自動化船用發電站被廣泛應用。在發電站自動化方面，它可以有效改善船舶行駛過程中電力的穩定性和長期生存能力，在高效工作過程中改善船員工作環境，大大降低勞動強度，是一種經濟的與船舶作業勞動強度相關的指標將對系統產生積極影響。

現代船舶自動控制系統不僅可以跟蹤和管理船舶發電站，還可以監控工作的各個方面。在操作過程中，它可以提高預期的能源效率，從而確保船舶在不同環境中的穩定性。降低經濟成本。因此，有必要研究自動控制系統。

2 船舶電站整體系統框架搭建

本文針對交流380 V和50 Hz船舶電站，設計一套船舶電站監控系統。為了滿足船舶電站監測系統的要求，本論文先建立了系統的整體框架。該系統包括設備層、監視層和網絡層。設備層主要包括柴油發電機及其調速器參數檢測傳感器，自動結合裝置和調頻配電裝置等。監控層主要包括 PLC 控制，計算機報警裝置和操作界面等。網絡層主要包括網絡線路計算機和各種電子器件等。該系統采用日本三菱公司生產的FX2N型PLC，主要用于發動機啟動、停機、調速、并聯和系統故障時的數據收集、監督、分析。通過RS-485串口與計算機通信。主站通過MCGS軟件與子站通信。

3 硬件設計

該系統主要由1臺PC機、3臺發電機PPU并聯保護單元（Paralleling and Pro-tection Unit）和3臺柴油發電機組組成，其中1臺和2臺發電機為常規發電機，3臺為非常規發電機。系統可自動監測、報警和記錄電壓、電量、頻率、電氣參數和運動信號。并為多臺發電機設置了啟動控制程序。PC上位機會不僅可以通過網絡遠程訪問監控系統，還可以直接操作觸摸屏幕實現對可編程邏輯控制器下位機的控制。該界面允許您在控制點、數字和模擬器的實時動畫和狀態信息的幫助下顯示船舶發電廠的運行情況。還可通過相關的功能鍵完成對應設備的操作。系統結構圖見圖1。

圖1 系統結構圖

如果設備的一個部分發生故障而一個部分無法啟動，則設備的下一部分可以通過電網自動連接。發動機運行過程中可以實現電壓的自動分配。激勵裝置可以在工作期間通過調節電流波動來充分地保障恒定電源電壓。在此過程中，它甚至可以被完全有效地調節，從而有效分配其連接電源的非功能性能量，從而確保電壓的正確分配。

4 系統軟件設計

設備監控軟件，實時數據監控，具有功能完善、操作方便和可視性強等特點。

4.1 電站運行狀態、參數的監測

船舶發電站監測系統可以收集和顯示發電站的主要參數。數字和工作狀態在監測接口中集中顯示，這對參數很方便發電廠的工作狀態。

4.2 監測故障、報警、故障處理

系統設計各類故障報警，電廠運行情況和參數的實時監控，評估故障的發生和類型，如直流斷電報警、母線頻率報警、低絕緣報警、主發電機開關故障報警、母線上下限故障報警等。當出現上述故障時，系統可自動開啟聲光報警[1]，并且界面上還設置有消聲、消閃按鈕。

母線的電壓和頻率必須與表1中指定的變差范圍相匹配，當它超過時，就會產生警報信號。

表1 母線電壓、頻率波動范圍

4.3 信息參數的顯示、儲存、打印

監控畫面上提供故障信息顯示頁面，顯示當前發生故障的具體日期、地點和類型等。以上信息保存在觸摸屏CF卡上。同時系統每秒采集一次數據，然后將結果存儲在觸摸屏CF卡上。由此，工作人員進入界面后可以直觀地看到相關數據，進而對其進行分析，隨時了解電站工作的現狀，方便操作人員觀察和處理。并且可以通過從USB端口外部連接打印設備來打印觸摸屏。

4.4 電站功能控制

控制電站有3種方式：手動、自動和遙感。其中，手動控制是指根據設備的工作條件對設備和操作員的控制屏幕進行手動控制。當系統處于自動模式時，PLC自動監控發電站的運行狀態。這是指發電站的自動控制和控制。根據不同的情況，發電站的管理是通過各種控制措施進行的。遠程控制接口允許人員在系統處于遠程控制模式時監視接口上的按鈕，以實現管理信息和接口數據的目標。

4.5 系統具有良好的安全功能

該系統提供了多種工作方法和遠程監控功能，增強了系統的優勢，但在這種情況下，可能會有現場事故導致系統突然故障和大損失。因此，為了有效解決上述任務，有必要配置系統安全功能。同樣，您可以設置用戶權限在系統的過程中，由于各種因素的影響，很容易犯人為的錯誤。為避免上述癥狀，您可以使用軟件指定用戶級別和權限。只有授權用戶才能執行此操作，這大大降低了風險。最后，設置優先級，可以優先處理所有3種操作模式，以防止由于安全功能而損壞系統。

1）設置用戶權限。為避免人為錯誤，應用程序限制了用戶的級別和權限，并嚴格規范不同類型的操作權限，以防止未經授權的操作。

2）設置優先級。3種操作模式，遠程控制和自動均按上述順序排列，以防止3種操作模式的混合。

5 軟件程序設計

監控軟件包括PLC控制軟件和基于觸摸的人機界面。PLC程序用于數據處理、邏輯評估及控制執行等功能；軟件框圖見圖2。

圖2 軟件結構框圖

其中，PLC軟件的控制功能是，當船舶發電運行過程中發生電源故障時，備用裝置可以立即啟動，以便在短時間內恢復電源。工作原理是：PPU自動連接后對于網絡而言，連接到柴油發動機的網絡的電氣頻率是一種比較，然后自動調整以滿足連接網絡的要求。同時，中央處理器負責調節頻率、加載調節和加載過程。此外，觸摸屏界面監控人機界面軟件設計的使用情況，配置全面的過程項目，對員工實時監控系統很有用。該程序由多個接口組成，包括：主監控接口、柴油發電機組運行監控接口、監控網絡接口、警報接口、接口記錄錯誤、方向數據接口、海岸電源管理接口、設置系統接口和遠程訪問接口主機界面。在主屏幕上，右上角是時間，底部是切換按鈕[2]。完整的主界面詳細說明了發電廠的工作。此外，單擊相應的按鈕查看數據在監控柴油發電機組接口的過程中，將集中顯示3個發電機組的運行狀態，以便操作員可以及時控制發電機的運行狀態，并執行打開、關閉和重置等操作。界面警報顯示所有信息都是錯誤的[3]。當系統出現故障時，警報系統會自動彈出對話框，指示某種類型的故障。同時，可以設置警報時間和燈警報。通過監視屏幕界面工作通過觸摸，可以通過瀏覽器訪問主機，查詢監控界面，實現參數顯示和操作功能。

6 通信設計

計算機、觸摸屏和PLC通信接受以太網IP模式。該協議是開放的，并與不同的設備廠家設備兼容。同時，有快速、實時的活動可以確認以太網系統的安全性、效率和穩定性。添加適合配置設備連接設置的視頻設計[4-5]。在這種情況下，用戶只需編寫軟件即可訪問觸摸屏、PLC和計算機。

同時，PLC和PPU通過一系列通信操作并實現電氣中心參數的通信功能。首先，請設置RS-485并檢查信息的長度。配置完成后，PPU 采樣的內部寄存器釋放公共信息，并準備一個合適的通信命令來更改PPU的信息。

7 結論

船舶電站監控系統可以顯示系統的運行參數并實時采集。電站通過數據運行對船舶電站進行管理和控制，如操作員可以通過人機界面實際分析信息，監控和操作船舶電氣數據的運行狀態，并根據警報提供的信息，詢問信息、類型和其他信息，分析關鍵信息的歷史并詢問信息。電力數據的安全和可靠的網絡技術應用提高了船舶在發電站的發電的自動化水平和穩定性，并實現了移動目的的遠程控制。