PLC技術在船舶電站仿真系統中的教學應用

龔成林

應用研究

PLC技術在船舶電站仿真系統中的教學應用

龔成林

（武漢交通職業學院，武漢 430000）

職教數字化轉型背景下，將PLC編程技術應用于船舶電站仿真系統中，仿照實船電站，結合船舶電站項目式教學，設計多個任務，通過自主軟件編程實現，經過仿真與調試，實現船舶電站的功能需求，改善學生船舶電站課程實訓環境的同時，該項目也可以作為學生PLC課程的實訓案例，全面達成學生的知識、技能與素養目標，改善教學效果。

職教 數字化轉型 PLC 船舶電站 仿真

0 引言

習近平總書記在黨的二十大報告中指出，要推進教育數字化。教育部部長懷進鵬在世界數字教育大會上指出，以數字化轉型推動職業教育的創新發展是新時代賦予職業院校的歷史使命，也是職業教育主動貫徹國家戰略，服務經濟社會數字化轉型的必然選擇。[1]PLC編程技術、船舶電站兩門課程均是船舶電氣專業的核心專業課，將PLC編程技術應用于船舶電站仿真系統中，仿照實船電站，結合船舶電站項目式教學，設計多個任務，通過自主軟件編程實現，經過仿真與調試，實現船舶電站的功能需求，改善學生船舶電站課程實訓環境的同時，該項目也可以作為學生PLC課程的實訓案例，全面達成學生的知識、技能與素養目標，改善教學效果。

1 系統硬件結構設計

船舶電站仿真系統是以傳統散貨船作為母型船，仿照船舶實際功能進行仿真設計，船舶電站仿真系統電源部分包括3臺主發電機組和1臺應急發電機組；配電裝置包括3個發電機控制屏、應急發電機控制屏、負載屏、并車屏和岸電控制箱。

控制系統構架圖如圖1所示，控制系統包括PLC、MCGS觸摸屏、變頻器、PPU等，由西門子S7-300 PLC作為主站，實現系統總體邏輯控制，3個并車專用模塊PPU作為從站，分別實現對每臺發電機的并網及保護功能，主、從站之間采用串口RS485總線通信。PPU采集發電機電壓、頻率、電流、功率因數等數據，將計算結果輸出至PLC，PLC完成發電機的控制。同時還搭載PC上位機和MCGS觸摸屏，在上位機上安裝MCGS觸摸屏軟件，繪制船舶電站模型界面，與PLC之間采用以太網通信，完成對船舶電站的操作、參數顯示及報警輸出等功能[2]。

圖1 控制系統架構圖

2 仿真系統功能與教學點

船舶電站仿真系統仿照實際遠洋船舶功能要求，并覆蓋教學和電子電氣員實操考試技能點，完成模擬船舶電力系統的發電、配電的操作、控制、保護、測量、監視等功能，滿足學生對船舶電站的學習需要，具體功能如下。

2.1 主發電機組的自動起動

1)當主配電板失電時，備用機組應自動啟動、合閘，向電網供電。當運行機組發生缸套水高溫、滑油低壓、超速等嚴重故障即將安保停車時，備用機組將自動起動、自動并車、自動轉移負荷，解列故障機組。

2)當電網負荷較大，在網機組負荷超過額定負荷的80%時，備用機組應自動啟動，自動并車，分擔電網負荷。

2.2 機組投入和并聯運行

1)電網失電時，備用機組啟動成功后應直接合閘，向電網供電。

2)電網有電時，備用機組啟動成功后應自動檢測電壓、頻率、相位，并調節至兩機組同步時自動合閘。

3)自動并車后，應在保持電網頻率不變情況下，進行有功功率自動分配和轉移。

2.3 機組的解列和停機

兩機組并聯運行時，若出現電網負荷較低，單機組足以承擔電網負荷時，此時將自動解列指定機組。解列時先轉移負荷，將待解列機組負荷轉移至在網運行機組，待解列機組負荷低至10%的額定負荷時，即可分閘停機。

2.4 備用發電機組起、停順序設定功能

在MCGS觸摸屏人機界面上可設定備用機組啟停順序。

2.5 重載詢問功能

當有側推裝置、壓載水泵等大功率負載的起動時，需進行重載詢問，判斷當前電網剩余功率是否能夠承擔相應負載啟動，能夠承擔則發出信號至相應負載啟動電路。若不能承擔，則可以考慮增機投入電網后再行啟動。

2.6 應急發電機自動啟動功能。

當主配電板失電時，應急發電機要能在45 s內自動啟動，自動合閘，向應急配電板供電，同時切斷聯絡開關，以防應急發電機向主配電板供電[2]。

2.7 保護功能。

能實現對發電機組的過載、短路、失壓、逆功率保護以及主發電機、應急發電機和岸電聯鎖等。控制系統船舶電站仿真由PLC進行總體邏輯控制，每臺發電機配備PPU專用單片機模塊，以實現對發電機數據采集，發電機并車和保護功能。PPU和PLC二者通過串口、數字量I/O口進行通信。PLC選用西門子S7-300，在SIMATIC Manager STEP7軟件上進行硬件組態和程序編寫[3]。

根據仿真系統需求，對PLC進行I/O分配，如表1所示。

程序采用模塊化編程，在OB1中調用其他所有子程序模塊。子程序FC2模塊實現對三臺發電機主開關狀態和當前負荷采集與處理，實現重載詢問功能。子程序FC3模塊實現主配電板指示燈測試功能。子程序FC4模塊實現應急配電板指示燈測試功能。子程序FC5模塊實現主配電板并車屏蜂鳴器報警與并車失敗、匯流排頻率異常故障報警指示燈的控制等。子程序FC6模塊實現應急發電機自動啟停、主開關合閘分閘以及相應指示燈控制。子程序FC7模塊實現船舶電站自動模式控制，包括備用機組選擇，自動啟動備用機組邏輯判別、自動停止發電機信號判別。子程序FC8模塊實現主發電機啟停控制。FC9、FC10、FC11模塊分別實現三臺發電機主開關合閘、分閘控制。FC12模塊實現通訊協議轉換。其中部分關鍵PLC梯形圖程序如圖2所示[4]。

表1 部分PLC I/O分配表

圖2 PLC部分梯形圖程序

PPU是基于單片機的專用控制模塊，用于實現發電機并車和保護功能。PPU接線圖如圖3所示，通過采集各發電機電壓、電流、頻率等運行參數并進行運算，輸出控制信號至PLC。

發電機自動并車時，當PLC的FC7模塊檢測到自動模式下，且有增機請求時，通過FC8模塊對第一備用發電機輸出啟動信號，啟動完成后，由PPU采集待并機電壓、頻率，并檢測并車條件，同時發出信號到變頻器GOV進行調頻，當待并機與電網電壓、頻率、相位一致時，由PPU的17--19端子發出合閘指令至PLC的FC9、FC10、FC11模塊，控制發電機主開關合閘。并車成功以后，由PPU37--39端子閉合，兩機組進行有功功率和無功功率自動平均分配。[5]

發電機自動解列時，解列操作需將待解列的機組負荷轉移至在網運行機組后，發電機主開關分閘。PLC的FC7模塊會發出信號到PPU的43號端子，使PPU控制負荷轉移，待轉移完畢，由PPU的14、15、16號端子發出指令，控制發電機主開關分閘。

圖3 PPU模塊外部接線圖

2 MCGS人機界面

為了更好的實現人機交互，仿真系統還設置了MCGS人機界面，通過觸摸屏豐富的人機界面功能，完全模擬實船上的船舶電站進行界面設計，系統界面如圖4所示，包括三臺發電機、主電網、參數顯示、按鈕設置等。其中參數顯示通過PPU模塊采集發電機和電網信息，通過串口通信至觸摸屏，觸摸屏上按鈕與PLC通信。在人機界面，可以看到各發電機的狀態、參數，也可以對各發電機進行啟停、合閘分閘控制。

圖4 觸摸屏人機界面

3 總結

上述基于船舶電站仿真系統，是通過PLC技術、觸摸屏技術和船舶電站融合，通過觸摸屏人機界面設計和PLC自主編程，對船舶電站的功能和邏輯控制進行分析，設計出基于PLC編程技術的船舶電站仿真系統。經過調試，仿真系統完全實現了預期功能需求，也覆蓋了電子電氣員考試相關考點，改善了學生的實訓環境，提升了教學效果。同時，船舶電站和PLC均是船電專業的核心課程，船舶上基于PLC的自動化電站的管理對船舶電子電氣員崗位提出了挑戰，若能將兩門課的課程設計融合，將該仿真系統設計思路與程序實現，作為兩門課綜合課程設計，有利于學生的職業崗位知識、技能與素養目標全面達成。

[1] 楊欣斌. 職業教育數字化轉型八大路徑. 中國青年網. 2023. 02. 27.

[2] 操定友. 基于PLC MCGS PPU的船舶電站的設計[J].電腦知識與技術, 2019, 15(35): 240-242. DOI: 10.14004/j.cnki.ckt.2019.4240.

[3] 周長江，孫裕林, 趙福財. 基于PLC的船舶電站監控系統分析[J].機電設備, 2022, 39(06): 113-116.

[4] 張瀟, 滕憲斌, 朱發新等. 基于PLC的船舶電站自動化系統的設計與研究[J]. 廣州航海學院學報, 2021, 29(03): 1-4.

[5] 張吉山. 基于PLC的船舶電站自動化控制[J]. 科學技術創新，2020(30): 79-81.

The Teaching Application of PLC Technology in Ship Power Station Simulation System

Gong Chenglin

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430070, China)

TM612

A

1003-4862（2023）12-0062-05

2023-04-13

Y2019008新工科+航運強國背景下船舶電站仿真系統設計

龔成林(1990-)，男，講師。研究方向：船舶電氣、電氣工程與自動化。E-mail: 245084326@ qq.com