船舶电站监控系统设计研究

船舶电站监控系统设计研究船舶电站监控系统设计研究 2017/07/11 江苏科技大学学报2017年第3期摘要：为完成对船舶电站的自动监控，结合实际的控制功能和要求，提出了一个以STC单片机技术为核心的船舶电站监控系统，着重介绍了控制系统的功能、组成，并对硬件设计和软件程序设计等方面进行了详细分析。系统具备电站监控、工作状态显示、故障报警显示和存储、参数设定等功能，人机界面友好，为日后实现驾控集控一体化控制奠定了基础。关键词：永磁电机；船舶电站；单片机技术；自动机舱；自动控制0引言船舶电站监测是每条自动化船舶必备的功能之一，它包括了船舶电力的控制、分配、监测、报警等，并具有集中显示功能，是船舶电站自动化实现的重要技术手段之一。随着船舶自动化程度越来越高，对船上电气技术管理人员的操作能力和应急反应能力的要求也越来越高，因而除了不断熟悉船舶电站工况，还需要有可靠的监控软件做保障，这样才能有效提高船舶电站操作运行的准确率。当前，能够完成上述功能的控制系统以采用PLC控制技术和单片机控制技术为主，两者都具有较强的集中控制能力，但是在通信功能上两者有较大区别。随着工控技术的不断发展，应用计算机软件的开发，基于单片机技术的船舶电站控制系统慢慢显示出了其在通信方面的优异性能，应用单片机技术的船舶监控系统能更好地处理信号，快速响应，是今后技术开发的一个新方向。1船舶电站监控系统的总体功能船舶电站的管理主要涉及船舶发电机组的控制、启停、并车、监控等操作，并能同时调整及稳定电网电压、频率等信号，使船舶电力参数始终稳定在一个标准范围之内，从而满足船舶正常航行需求。本系统对船舶电站的发电机组根据负载需要进行自动启动、投入运行、自动同步和自动并车；并实现频率、电压自动恒定；联锁运行机组间功率、负载自动分配和转移；重载控制，根据电站负荷状态自动卸载或投入次要负载；自动解列、自动停车。系统能够对船舶电站进行实时监控，并经过组态系统展现在屏幕界面上，方便简洁。1.1发电机组的启停控制在发电机组控制屏上分别设置手/自动启动、手/自动停止与应急停机的控制按钮。如果有一路控制线路故障，只会对单台发电机组的作业状态产生影响，不会对其他机组产生影响，保证了其他机组的正常工作。1.2并车控制若要实现自动并车，需具有并车控制与自动调频调载功能，即能够对每台柴油机的频率、功率进行自动调节，实现机组的准并车状态；然后将待并机组投入电网，并网后能够执行恒频、功率与负载自动分配等操作。1.3汇流排监测汇流排监测可以通过屏面上旋钮来观测电网及发电机的电压、电流、频率、功率因数等电气参数，根据控制单元的电网功率余量进行计算判断，确定是否要解列或是启动备用机组投入电网。1.4发电机组和电网监视器监视器是监控系统的重要组成部分，主要负责监视电网的电压、频率，机组的水温、水压、油温、油压等机、电参数是否正常，确保电网供电的连续性。1.5重载询问重载询问即大负荷设备投入运行时，若电网的剩余功率能满足大负荷工作可直接投入；若电网的剩余功率不能满足大负荷工作，就会提示启动备用机组并网工作，在备用机组没有并网运行前，拒绝大功率设备启动工作。1.6自动分级合闸当机组故障跳闸时，电网会出现短暂的断电现象，在电网自动恢复供电后，为迅速恢复整个电力系统运行，在自动电站系统中可以设置自动重合闸装置，用于主辅机、舵机及其他重要设备的自动启动。2STC控制系统的组成系统的总体设计思路如下：通过电压互感器和电流互感器采集电网参数后输入专用采集芯片ATT7022B，通过STC单片机的处理得到计算结果，可以将采集模块采集到的电压有效值、电流有效值、频率、功率、功率因数等电气参数实时、远程传输至上位机，在触摸屏上显示出来，用于监测、分析和记录。STC单片机控制的船舶电站系统主要包括监测、控制、报警三个模块，它们既相互独立，又相互关联。在电站运行过程中，电压、电流、频率、功率等参数在船舶各个功能状态发生变化时其值也会发生改变，从而影响机组并入电网的频率及电压质量可能，引起电网频率的波动，甚至会导致电网断电。监测模块能对船舶原动机、发电机、其他配电装置及相关设备等的运行参数进行实时采集监测，当监测值偏离设定值一定范围时，便会有报警输出提示和自动记录储存，并且能通过控制模块输出信号，对船舶电站的频率、电压等进行自动调整，保证电网质量。控制模块也可对发电机组的启动、并车进行自动控制。如果系统监测到电网偏离情况比较严重，超过安全数值范围，控制模块会采取一定的防范措施，避免事故的发生与恶化。3系统硬件设计船舶电站监控系统的运行过程比较复杂，但它能及时应对突发事件，最大限度保证船舶的运行安全及船员生命安全。而保证系统硬件的有效性是确保电站运行可靠性的重要前提，作为船舶自动电站的核心部分，系统硬件主要实现船舶电气设备运行状态监控、保护及报警输出，船舶电力主开关及机组加减速信号处理，电站状态，各机组有功功率、电压、频率，电网电压、频率监控等功能。单机组结构如图2所示，具体模块如下：3.1信号输入模块信号输入模块由A/D转换模块、光电隔离模块组成，A/D模块将420mA的电流模拟量转化为数字量传递给单片机的中央处理器；光电隔离模块能够对输入电路和输出电路进行有效的电气隔离，清除外来的谐波干扰，保障信号传输的准确性。3.2信号输出模块信号输出模块主要是指继电器模块，其将单片机处理后的信号转换成开关量输出，发送给发电机组，其输出是常开触点，即在继电器不通电的状态下，继电器的触头处于断开状态。另外，继电器都连接一个工作状态指示灯，当线圈得电时，静触点处于接通状态，指示灯亮；当继电器线圈失电时，指示灯灭。3.3电量预处理模块电量预处理模块负责将发电机和电网实际电量进行变送后采集，经过处理后变为电压02V的信号输入，再通过滤波后输出方波信号。3.4电量变送模块电量变送模块是电压、电流、功率、频率等基本电气参数的变送采集处理单元，一般情况下，变送器输出的标准电流信号是420mA，通过转换成05V或-50V的标准电压信号，对变送器采集的电压、电流、功率以及电压信号进行A/D转换，再进行通信、显示与计算，便于集中监控与处理。4系统程序设计要实现对电站的监控，系统需要准确采集电气信号，并对信号进行集中处理。以STC单片机为核心的监控系统能对连续的模拟及数字信号进行处理，若要实现实时监视与控制，需进行编程，一旦电站中有异常情况出现，设计的程序能立即报警，输出信号点亮指示灯及打开蜂鸣器，并将信息输送至上位机，在人机界面上显示出来，必要的情况下，可通过界面按钮完成人工操作。整个系统的软件设计分为核心控制程序和触摸屏界面控制程序设计两个部分。核心控制程序通过C语言进行编程，能够实现数据的逻辑判断、分析处理和输出执行等功能；界面的显示控制程序设计是通过MCGS组态软件实现，MCGS是一款功能较为强大的组态软件，设计开发过程较为简单，能获取良好的监控信号，较为完善地实现系统监控、报警与显示功能，从而及时通知船员进行相关的应急操作，更好地保证船舶安全航行。5结语随着船舶自动化技术的不断发展，电站自动化的内容将更为丰富，在船舶航行中的地位也会越来越重要。船舶电站监控系统能确保全船电力供给的安全有效进行，本文利用STC单片机作为核心控制芯片，应用组态软件实现了电站监控、工作状态显示、故障报警显示和存储、参数设定等功能，人机界面友好，为日后实现驾控集控一体化控制奠定了基础。参考文献1祝贺.船舶电力监控系统设计D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.2白一鸣.船舶电站自动监控系统的设计与研究D.大连：大连海事大学，2009.3姜锦范.船舶电站及自动化M.大连：大连海事大学出版社，2008.4何伟伟，张维竞，刘晓伟，等.嵌入式系统在船舶监控系统中的应用研究J.造船技术，2007（1）：44-46.5曹冬华，刘金林，曾凡明.数字化设计技术在舰船动力装置生命周期中的应用J.舰船科学技术，2012，34（11）：159-164.6张文铎，邱瑞昌，赵晓红.基于DSP的中频逆变电源设计J.电力电子技术，2010（4）：56-58.