S7-200PLC 控制器在船舶電站管理系統的應用

夏海洵

(1. 南京航天航空大學 航天學院，江蘇 南京 211100；2. 江蘇省揚州技師學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

船舶電站是實現船舶電網、用電設備功率統籌控制系統，隨著船載用電設備種類和功率的增加，電站管理系統的控制能力有了更高的要求。電站管理系統一方面要保障船載用電設備的電能供應，防止出現欠功率運行的情況，影響船載設備的使用功能；另一方面，電站管理系統需要保障船舶電網的安全性和可靠性，實現船舶電網故障的在線監測，及時處理船舶電網發生的故障，防止引發較大的安全事故[1]。

針對船舶電站的復雜運行工況，本文在現有船舶電站控制設備的基礎上，基于S7-200PLC 控制器開發了一種新型的船舶電站管理系統，從電站管理系統的整體設計、功率管理模塊建模、硬件和軟件程序等方面進行詳細闡述。

1 船舶電站管理系統的整體設計

隨著船舶自動化的發展，電站管理系統自動化程度不斷提高，電站管理也從小范圍、小容量的自動管理，逐漸向大范圍、集成式的自動化管理系統發展。在電站的自動化發展中，控制器發揮著不可或缺的作用，S7-200PLC 控制器是一種PLC 核心控制器，具有運算速度快、集成度高等優點，本文基于S7-200PLC控制器進行船舶電站管理系統的整體設計。

基于PLC 的船舶電站管理系統的整體設計圖如圖1所示。

圖1 基于PLC 的船舶電站管理系統的整體設計圖Fig. 1 Overall design diagram of ship power station management system based on PLC

本文設計的船舶電站管理系統主要實現以下功能：

1）供電管理

電站管理系統通過監測電網和用電設備的使用情況，控制供電網絡的開關通斷，使船舶電網的負載所需電量與電站供給的電量能夠相匹配，防止電能的浪費。

2）負載管理

由于船舶電力網絡中的負載設備功率越來越大，為了提高對這些大功率負載設備的監管能力，一旦大功率負載設備出現短路和短路故障，可以第一時間切斷電源防止災害的進一步發生[2]，電站管理系統實現負載設備的直接控制，有助于提升船舶電網的運行安全性。

3）功率調節功能

電站管理系統能夠實現多發電機的綜合控制，利用同步單元與自動調載單元，使電網的整體運行頻率維持恒定，并通過協調發電機組的工作狀態，使發電機組承擔的有功功率具有合適的比例關系。

2 基于S7-200PLC 控制器的電站管理系統應用

2.1 電站管理系統的功率管理建模

在設計船舶電站管理系統的過程中，電網的功率控制模塊設計是其中的核心，功率管理是根據船舶負載的工作狀態，確定發電機組的并網狀態，本節首先對船舶電網的幾個核心部件進行功率建模。

1）發電機組

船舶發電機組以高壓發電機為主，發電機組包括永磁機、繞組、定子、轉子、支撐結構等，建立船舶電網發電機組的功率模型為：

式中：Pi為船舶發電機組的功率，pi每個發電機工作壓力，Vi為發電機的體積，n為發電機的實際轉速，τ為沖程系數， τ =0.39，N0為發電機的平均轉速，Mi為輸出轉矩。

船舶發電機組的輸出功率曲線如圖2 所示。

圖2 船舶發電機組的輸出功率曲線Fig. 2 Output power curve of marine generator set

2）變電站功率

變電站將發電機組產生的高壓轉化為用電設備需要的額定電壓，變電站功率模型為：

式中：V0為變電站的額定電壓；C0為變電站的電容，為電阻值。

3）多機組并網功率模型

船舶多個發電機組的容量不一定相同，在進行功率分配時，需建立不同容量n臺機組的負載功率余量Pk模型為：

式中：PN為單臺發電機組的額定功率；Pn為單臺發電機組的實際負載功率。

不同容量n臺機組的電流余量可表示為：

式中：IN為單臺發電機組的額定電流；In為單臺發電機組的實際負載電流[3]。

多臺機組并聯功率模型為：

圖3 為多臺機組并聯調頻與功率調節的示意圖。

圖3 多臺機組并聯調頻與功率調節的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of parallel frequency modulation and power regulation of multiple units

2.2 船舶電站管理系統的硬件設計

船舶電站管理系統包括1 臺上位機和2 臺下位機，上位機是基于WinCC 軟件的PC 機，下位機基于S7-200PLC 控制器，下位機實現船舶電網的運行數據采集及控制，上位機負責系統顯示和報警，關鍵硬件構成包括：

1）S7-200PLC 的CPU 模塊

S7-200 系列PLC 優勢領域是局域系統的控制場景，為了保障控制系統的需求，S7-200 系列PLC 提供了不同型號的CPU 模塊，本文選擇CPU226 CN AC/DC/Relay 模塊，集成了24 路數字量輸入和16 路數字量輸出，電源采用230 V 交流供電。CPU226 CN AC/DC/Relay 模塊具有良好的擴展性，其功能原理圖如圖4 所示。

圖4 CPU226 CN AC/DC/Relay 模塊原理圖Fig. 4 CPU226 CN AC/DC Module schematic diagram

2）信號檢測模塊

電站管理系統中，信號檢測模塊采用船舶電網、負載處的電壓、電流信號，電壓信號通過電壓變送器[4]進行檢測，檢測過程包括電壓信號的同相運放、線性檢波、有源濾波、反向放大等，電壓信號檢測原理圖如圖5 所示。

圖5 船舶電站電壓信號檢測原理圖Fig. 5 Schematic diagram of voltage signal detection in ship power station

系統采用的電壓變送器工作參數如表1 所示。

表1 電壓變送器工作參數表Tab. 1 Working parameter table of pressure transmitter

3）功率信號檢測模塊

在電站的功率采集中，系統使用功率變送器實現功率檢測，有功功率信號的采集過程包括電壓、電流采樣、濾波、放大等，最終將電壓和電流信號轉換為系統的功率標準信號輸出。本文系統采用的功率變送器為TAIK-S3 系列。

2.3 軟件程序設計

電站管理系統采用的軟件程序為組態軟件WinCC系統，基于組態軟件WinCC 的電站管理系統工作流程圖如圖6 所示。

圖6 基于組態軟件WinCC 的電站管理系統流程圖Fig. 6 Flow chart of power station management system based on WinCC configuration software

3 結 語

船舶電站管理系統承擔著船舶電力網絡的功率控制、故障檢測等重要作用，是船舶電網正常運行的關鍵。本文基于S7-200PLC 控制器，通過建立船舶電網的功率模型，開發了船舶電站管理系統，并對系統的關鍵硬件如CPU、信號檢測模塊等進行了詳細設計。