控制理论与控制工程硕士论文船舶自动化电站监控软件开发

上海海事大学 SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY 硕士学位论文 MASTER DISSERTATION 论文题目： 船舶自动化电站监控软件开发 学科专业： 控制理论与控制工程 作者姓名： 指导老师： 完成日期： 二一年六月 学校代码：10254 密 级： 论文编号：100708110101论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了 特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 导师签名： 日期： I 摘 要 船舶电站是船舶及其电力系统的核心，船舶电站运行的可靠性、经济性对保证 船舶安全、经济运行具有重要意义。船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分， 随着现代船舶电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参 数指标在整个系统中占着及其重要的地位。良好的监控系统可以大大降低工作人员 劳动强度，提高工作效率，提高供电的稳定性和可靠性。 本文针对交流380V 50Hz船舶电站，以XBTGT5330 触摸屏、Modicon M340 PLC 和PPU为核心设计实现船舶自动化电站监控系统，结合PLC控制程序和基于触摸屏 的人机界面软件开发了船舶自动化电站监控软件，将各个环节有机的联系起来，组 成一个实时控制系统，采集来自各发电机、断路器、电网以及主要负载的必要信息 和参数，并加以分析、判断，根据不同的条件自动采取必要的措施，处理电站运行 中可能出现的各种情况，并根据电站的负载进行必要的控制。本系统利用上海海事 大学施耐德电气联合实验室环境运行验证，可以有效地管理和监控船舶电站的 运行状态，提高了电站的稳定性和可靠性，对于船舶电站的自动化管理以及远程监 控的研究具有价值。 本文完成的主要研究工作如下： 1. 分析和研究船舶自动化电站结构和功能特点，以及其控制和保护方法，针对 交流380V 50Hz船舶电站，设计实现以XBTGT5330 触摸屏、Modicon M340 PLC和 PPU为核心的船舶自动化电站控制系统。 2. 完成船舶自动化电站PLC 自动控制程序设计，控制系统自动通过采集电站运 行的各项参数指标，判断船舶电站当前工况；根据不同工况采取相应的控制策略， 以达到使船舶电站安全、高效的供电目标。 3. 利用XBTGT5330 触摸屏及组态软件开发船舶自动化电站监控人机界面，实时 监控电站运行、故障报警以及历史记录的查询和打印；在遥控模式下，通过人机界 面可以实现对电站设备的基本功能控制。 本课题得到了国家科技支撑计划(2007BAF10B05)、上海市教育委员会重点学科 建设项目(J50602)和上海海事大学研究生创新能力培养专项基金(yc2009019) 的资助。 关键词：船舶电站；监控；软件；人机界面；PLCII ABSTRACT Shipboard power station is the heart of the ship and its power system. The reliability and economy of shipboard power station is significant for the safe and economic operation of the ship. Ship Power Automation is an important part of engine room automation. With the improvement of modern ship electrification and automation, centralized monitoring and managing the parameters of the whole ship become more and more important. A good monitoring control system can enhance the efficiency, stability and reliability of power supply, and reduce the labor intensity greatly. In this paper, a monitoring control system of shipboard automation power station is designed for the shipboard power station of AC380V 50Hz with the major equipment of XBTGT5330 Touch Screen, Modicon M340 PLC and PPU. The monitoring control software is developed with PLC control program and touch screen based HMI. All links together effectively form a general control system which collects information from generators, circuit breakers, power grid and the main loads, gives analysis and determinations, takes appropriate measures under the right conditions to deal with the problems it may arise, and control according to the loads. The System transfers the data to PC with the technology of network, which provides very important data for the realization of moving target monitoring. The system has been run in Shanghai Maritime University - Schneider Electric joint lab, the experimental results show that it can manage and monitor the working status of shipboard power station effectively, improve the stability and reliability of the power station, and be valuable for the management and remote monitoring of shipboard power station. The main research work achieved in this dissertation is described as follows: 1. It analyses of structure and function of ship power plant automation features, as well as its control and protection methods, and designs a monitoring control system of shipboard automation power station for the shipboard power station of AC380V 50Hz with the major equipment of XBTGT5330 Touch Screen, Modicon M340 PLC and PPU. 2. An automation control program based on PLC is designed for the III monitoring control system of shipboard automation power station. The system collects the parameters of the power station, judges the conditions of the shipboard power station, and takes the right control strategy to make the power supply effective and safe. 3. A human-machine interface (HMI) is designed with the XBTGT5330 touch screen and configuration software. It displays the real-time parameters and information of fault alarm. Records can be queried and printed. Under the mode of remote, you can control the power station equipment through the human-machine interface. This dissertation is supported by the national science and technology support plan (2007BAF10B05), Shanghai Municipal Education Commission Key Subject Construction Project (J50602) and the Shanghai Maritime University fund for the creative ability of graduate students (yc2009019). Jiang Xiaofeng (Control Theory and Control Engineering) Directed by Prof. Shi Weifeng KEYWORDS: Shipboard power station, Monitoring control, Software, HMI, PLCIV 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 研究背景与意义 .1 1.2 船舶自动化电站系统发展与现状 .2 1.3 PLC 及其触摸屏在船舶自动化电站中的应用.2 1.3.1 PLC 在船舶电站中的应用 .2 1.3.2 触摸屏在船舶电站中的应用.4 1.4 本课题的研究内容与意义 .4 第二章 船舶自动化电站控制与保护功能.6 2.1 船舶电力系统组成与控制 .6 2.1.1 船舶电力系统的组成.6 2.1.2 船舶自动化电站的控制功能.7 2.2 船舶电站的保护功能 .8 2.2.1 船舶同步发电机外部短路保护.9 2.2.2 船舶同步发电机过载保护.12 2.2.3 船舶同步发电机欠压保护.14 2.2.4 船舶发电机逆功率保护.15 第三章 船舶自动化电站系统.16 3.1 船舶自动化电站硬件系统构成 .16 3.1.1 系统结构.16 3.1.2 主要技术数据及使用要求.18 3.1.3 主控制屏构成.18 3.2 主要设备选型及性能参数 .19 3.2.1 Modicon M340PLC 介绍 .19 3.2.2 XBTGT5330 触摸屏介绍 .19 3.2.3 发电机并车保护单元(PPU).19 3.2.4 主开关.20 3.2.5 柴油发电机组.20 3.3 系统性能指标 .21V 3.4 系统标准与规范 .22 3.5 控制电路与接口信号 .22 3.5.1 控制电路.22 3.5.2 接口信号.24 3.6 基于 Modbus 的通讯方式 .28 3.6.1 Modbus 通讯协议简介.28 3.6.2 通讯设置.29 第四章 船舶自动化电站 PLC 监控程序设计.31 4.1 监控软件结构及功能设计 .31 4.2 船舶自动化电站 PLC 控制程序设计.33 4.2.1 Unity Pro 编程软件简介 .33 4.2.2 船舶电站 PLC 控制程序设计 .34 4.3 船舶发电机调频调载控制及原理 .44 4.3.1 船舶发电机频率调整.45 4.3.2 并联运行时发电机组间的有功功率转移与分配.47 第五章 船舶自动化电站监控人机界面设计.50 5.1 触摸屏编程软件 Vijeo-Designer 的介绍.50 5.2 船舶自动化电站监控人机界面设计 .50 5.3 监控界面软件结构及控制功能实现 .54 第六章 结论与展望.59 致 谢.60 攻读硕士学位期间公开发表论文及获奖情况.61 参考文献.62 附件一 船舶自动化电站 PLC 控制程序梯形图( 部分) .64 附件二 船舶自动化电站监控软件使用说明.71 附件三 监控界面脚本程序(部分) .73上海海事大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景与意义 船舶是现代水上运输的重要交通工具，也是人类在水面上活动的主要平台，对 人类社会的政治、经济发展和人们日常生活、工作有着极其重要的意义。近年来随 着相关科技日新月异的发展，对于船舶自动化的要求越来越高 1 。船舶电站自动化 是船舶自动化的一个重要组成部分，也是船舶现代化的重要标志。随着航运业的发 展，对船舶电力系统的可靠运行提出了越来越高的要求。船舶电力系统的控制、监 视和跟踪管理也显得极为重要 2 。船舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的安全 航行和经济效益有重要的影响，其供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响船 舶的经济指标、技术指标和生命力 3 。 船舶电站自动化装置的发展过程，从六十年代采用继电器控制技术及后来的晶 体管分立元件控制技术到七十年代的小规模集成电路及后来的中大规模集成、模拟 电路控制技术，至八十年代的微处理机控制技术，九十年代的PLC控制技术。船舶 电站的控制在七十年代后期形成了功能较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与模 拟集成电路组成的控制系统。进入八十年代世界各国先后研制单片机组成的微机控 制系统 4 。九十年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，产生了基于PLC控制的 船舶电站、主机遥控、集中监视系统。随着计算机信息处理技术的发展，船舶电站 自动化正朝着集散型计算机控制系统的方向发展 5 。 计算机技术应用于船舶电站自动化系统，使得船舶电站成为集自动控制、监测、 报警等于一体化的监控系统，船舶电站自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研 究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、 信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。它 需要研究网络技术(包括船用光纤、现场总线、工业以太网等技术) 、智能柴油机电 控技术、电力电子技术、微机技术等，以集成化、网络化、标准化、模块化、智能 化、系列化等方式，向实现船舶电站综合自动化这个高层次阶段发展。它是开放式 和网络化的未来船舶电站自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护上海海事大学硕士学位论文 2 简洁等特点 6 。 综上所述，船舶电站自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发 展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，船舶电站自动化技术正朝着数字化、智 能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这是今后国际船舶电站自动化技 术发展总趋势。 1.2 船舶自动化电站系统发展与现状 从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制、集中式自动控制和集散 式自动化系统几个过程。单元自动化装置方面，自动并车装置，自动并车解列、自 动负荷分配装置及AVR自动调压器等均已达到极高的可靠程度。在单元器件自动化 基础上，将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站自动化系统 7 。八十年 代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶电站自动化系统，分散 式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统便于集中控制，但故障的查找及维 修较困难。分散控制对个设备模块分散控制，提高了系统的可靠性和可维护性，但 与无人机舱集中管理的要求有一定矛盾 8 。 目前船舶电站自动化正朝着集散型自动化系统方向发展。它结合了集中和分散 的优点，克服了各自的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大学，德国的汉 堡大学等都进行了卓有成效的研究。自动化系统在国内外船舶中的应用也逐年增多， 它的技术指标、可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制 系统的出现，使电站自动化开始进入了一个全新时代 9 。 1.3 PLC 及其触摸屏在船舶自动化电站中的应用 1.3.1 PLC 在船舶电站中的应用 船舶电站的自动控制在80年代后期形成了功能比较齐全、性能较稳定的由数字 集成电路与线性模拟电路组成的控制系统。由于船舶机舱环境恶劣，微机控制系统 在防电磁干扰上或多或少存在一些问题，因此电站的微机控制系统并没有被船电领 域的一些著名企业所接受。90年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，其产品 通用性强，仅需少量备件且易于在世界各地购置，因而得到广大客户的青睐。在这 一点上SIEMENS 公司以其世界大公司的气魄于九十年代初首先在机舱自动化中采用上海海事大学硕士学位论文 3 了通用性的PLC 作为控制核心器件，淘汰了80年代闻名于世的微机控制系统，而代 之基于PLC的新一代控制系统。到目前PLC 控制的船舶电站、主机遥控、集中监测 报警等系统也已不断的更新换代 10 。 PLC是通用型工业控制器件，因其稳定可靠、功能齐全、应用灵活、操作方便 及维修容易等显著优点，在各行各业已得到广泛的应用。PLC作为自动控制的三大 技术支柱(PLC、机器人、CAD/CAM) 之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由 于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。 它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能， 而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现 生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的 到来，扩展了PLC 的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众 多行业 11 。PLC控制系统中模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位 数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法， 可以同时控制多个控制回路和多个控制参数 12 。 目前，PLC可以实现多台PLC 之间或多台PLC 与计算机之间的通讯联网要求，从 而组成多级分布式控制系统，构成自动控制网络。联网的方式主要有：(1) 通过通 讯模块、上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。(2) 通过调制解 调器和公用电话网与远程客户端计算机相连，从而使管理者可通过电话线对控制系 统进行远距离监控 13 。 PLC融合了现场总线技术，现场总线技术是当前工业自动化的热点器件之一。 PLC采用现场总线后具有以下优点： (1) 系统的操作性好 不同厂家的多个设备可以工作在同一个系统中，并实现信 息交换，从而使用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。 (2) 控制的可靠性高 由于现场总线设备的智能化、数字化，使控制更快、更准 确。 (3) 安装的费用较低 采用现场总线连接多个设备，大大减少了电缆、接线端子、 电缆桥架的用量。从而减少了设计、施工的工作量，并降低了安装的费用。 (4) 系统的维护方便 现场总线设备本身具有自诊断能力，并通过数字通讯将有 关诊断维护信息传送到控制室，设备维护人员可以查询整个生产设备的运行、维护、上海海事大学硕士学位论文 4 诊断信息，以便快速查找和消除故障 14 。 1.3.2 触摸屏在船舶电站中的应用 显示器作为人机界面 (HMI)是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相 结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，可以生产流程模拟 屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排，所有操作都可在显示屏上的操作元件进 行 15 。PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示 的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。在显示画面上， 通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停 止，位置开关的状态等。操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可 查找任意时刻的数据记录，通过打印等可以保存相关的生产数据，为今后的管理和 参数的分析带来便利 16 。 随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其易于操作、坚固耐用、 反应速度快、节省空间等优点，使其在工业控制领域得到了广泛的应用。触摸屏是 一个使工业控制或多媒体信息改头换面的设备，它赋予控制系统以崭新的面貌，是 极富吸引力的全新多媒体人机交互设备。目前，触摸屏对于各应用领域的计算机或 控制器已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了工业控 制中计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算 机展现出更大的魅力，解决了很多计算机所无法解决的问题。无论在显示、操作、 调试或是数据存储上，触摸屏都显示出比传统的显示界面如数码管、液晶屏更加强 大的优势。它不但可以完全替代一般的显示仪表、信号指示灯、操作按钮、转换开 关等，而且还能以实时刷新的动态图表、丰富详实的数据记录、独树一格的三维动 画、图文并茂的制作画面广泛应用在各种控制领域 17 。 由于触摸屏具有以上的优点和运行可靠性高的特点，本系统将其引入船舶自动 化电站控制系统，既可以作为人机交互界面，又可以作为硬件设备的备用设备，如 按钮开关、转换开关、指示灯和仪表等。从而进一步提高了船舶电站自动化程度及 其运行的可靠性。 1.4 本课题的研究内容与意义 本课题研究的对象为以PLC为核心控制单元的船舶自动化电站综合控制系统。上海海事大学硕士学位论文 5 利用Unity Pro编程软件设计船舶自动化电站PLC控制程序，采用Vijeo-Designer组态 软件设计适用于XBTGT5330 触摸屏的船舶自动化电站人机界面监控软件。通过软件 程序设计和硬件电路搭建实现对船舶电站系统的手/ 自动综合控制与管理。实现的自 动控制功能有：发电机组自动启动，自动准同步并车，自动恒频、恒压与功率分配， 自动卸载、分级启动及重载询问，发电机自动解列、停机等。通过触摸屏人机交互 界面显示并存储电站实时运行参数及历史数据，在出现故障的情况下产生并存储相 应报警信息。提供历史数据及报警信息的查看、打印及传输等功能。触摸屏通过 Modbus工业以太网发布监控界面，网内任何计算机可以通过不同级别用户名和密码 访问监控界面，实现数据信息的查看和打印，在权限允许的情况下可以对电站进行 遥控操作。 船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，随着现代船舶电气化、自动化 程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着及其 重要的地位 18 ；网络技术的普遍应用，港航移动目标的远程监控也成为船舶管理的 一个重要方向。良好的船舶自动化电站系统可以大大降低工作人员劳动强度，提高 工作效率，提高供电的稳定性和可靠性，对保证船舶安全、经济运行具有重要意义 19 。上海海事大学硕士学位论文 6 第二章 船舶自动化电站控制与保护功能 2.1 船舶电力系统组成与控制 2.1.1 船舶电力系统的组成 船舶电力系统主要是由电源、配电装置、电网与负载四部分组成： 1. 电源 船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主电源， 应急发电机组是应急电源，蓄电池组一般作为小应急电源。主发电机组不能供电时， 由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明系统供电。 2. 配电装置 配电装置是接受和分配电能的装置，也是对电源、电力网和负载进行保护、监 视、测量和控制的装置。包括各种电力开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护 电器、按钮、控制和转换开关、自动化没备及各种附属设施等。根据供电范围和对 象的不同，配电装置可分为主配电板、应急配电板、分配电板、充放电板和岸电箱 等。 3. 船舶电力网 船舶电力网是全船电缆电线的总称。按其所连接的负载性质，可分为动力电网、 照明电网、应急电网、小应急电网等。 4. 电力负载 船上的用电设备形式很多，主要有动力负载( 各种电力拖动机械) 、照明负载、 通信导航设备等，舰艇还有特殊的武器装备负载。动力负载往往占总用电量的 70% 左右，对于船舶电力负载大体可分为如下几类： (1) 船舶各种机械设备的电力拖动； (2) 船舶照明； (3) 通讯和导航设备； (4) 生活及其他用电设施 20 。上海海事大学硕士学位论文 7 2.1.2 船舶自动化电站的控制功能 1. 电压自动调整。电压自动调整是对发电机磁场的自动调节，从而令发电机输 出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能有两个，即静态特性和动态特性。一般 情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的2.5% ，动态电压调整率不超过额定 电压的15%，恢复时间不超过1.5s，电压波动不大于3% 额定电压； 2. 机组自动起动。机组自动起动应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给 出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动： (1) 电网失电； (2) 在网运行机组的平均功率大于85% 额定功率； (3) 在网运行机组发生故障需要换机或停机； (4) 机组接到人工起动指令时。 3. 首机自动投入。在电站电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的备 用机组投入电网供用； 4. 自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后， 自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件：相电压相等、频率相同及相位差为 零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发出合闸信 号，一般合闸信号要提前几十毫秒发出，并且待并发电机的频率要略大于电网频率； 5. 自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配 制度，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于5% 额定功率，频率 调节精度为0.25Hz； 6. 自动转移负荷及分闸(或称解列) 。对已投入电网运行的机组出现以下情况时， 则按顺序运行机组逐个解列： (1) 在网运行机组平均功率小于30% 额定功率； (2) 机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障； (3) 有人工解列指令，且当前功率不大于85% 额定功率。当解列机组的负载转移 到小于10%额定功率时，发出分闸信号。 7. 机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。 一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机：上海海事大学硕士学位论文 8 (1) 机组有严重故障(应急保护停机) 或二类故障； (2) 机组平均负荷小于30%额定功率，则先解列再自动停机； (3) 机组接到人工指令需要停机。 8. 重载询问控制。大负荷设备起动前发出询问信号，电站自动控制系统接到询 问信号后进行储备功率计算，若储备功率大于大负荷设备的额定功率，则大负荷即 可起动；若储备功率小于该设备的额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率 满足条件后，大负荷设备才可投入运行； 9. 原动机预润滑预热控制。电站机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机 组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段 时间，待机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带润滑泵承担；其次， 是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。一般冷却水预热 装置有电预热和蒸汽预热两种 21 。 2.2 船舶电站的保护功能 发电机是船舶的重要设备，保护发电机不损坏是船舶安全航行的首要保证。针 对船舶发电机各种常见的不正常运行状态和故障，必须装设相应的保护装置。 发电机安全保护一般来说主要包括如下几种： (1) 过载保护，当运行发电机的输出功率或电流超过其额定值时，过载保护起 作用。一般情况下，当过载达110%120%额定值时，延时510s ，自动卸掉部分次 要负载；当过载达150%额定值时，延时1020s ，使发电机自动跳闸； (2) 定子绕组内部短路保护，对于额定功率大于1000kW的发电机组，当发电机 运行主开关未合闸时，发电机电流130%额定电流，则发电机自动消磁保护； (3) 发电机外部短路保护，当发电机电流为35倍额定电流时，延时0.2s0.6s， 使发电机跳闸；当发电机电流为510倍额定电流时，瞬时动作使发电机跳闸； (4) 欠压保护，对带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压 70%80%时，延时1.5s3s 跳闸；对不带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于 其额定电压40%75%时发电机跳闸； (5) 逆功率保护，当发电机出现逆功时，其逆功为8% 额定功率，延时5s8s使发 电机跳闸。上海海事大学硕士学位论文 9 (6) 以上为一般船舶电站安全保护系统应考虑的功能，在特殊情况下还应考虑 过压、过频和欠频保护。 由于船舶发电机的电压较低，并且又定期检查，经验证明，低压发电机内部故 障出现的机会极少，所以一般不专门设继电保护装置。对于并联运行的发电机可能 出现的定子绕组相间短路，可由电流速断器对电进行保护。 根据钢质海船入级与建造规范规定，对船舶低压同步发电机，针对其可能 出现的故障和不正常运行状态，主要设有如下继电保护：外部短路的过电流保护； 过载保护；欠压保护；逆功率保护 22 。 为确保船舶电站运行和供电可靠性，本系统应严格按照以上要求设计实现。具 体保护措施原理、方法及其整定如下： 2.2.1 船舶同步发电机外部短路保护 短路故障所造成的后果是非常严重的。发生短路时，由于外路电路负载被短接， 发电机定子绕组中将产生极大的短路电流，电网电压也急剧下降，会使电动机停转， 甚至使发电机全部断开，导致全船停电。 为了防止短路故障，对于运行人员来说，应在平时加强对设备的维护管理，定 期检查各主要电器设备的绝缘情况，严格执行操作规程，消灭误操作。为了限制短 路故障的破坏作用，在技术措施方面则必须装设继电保护装置，以便故障发生后， 能自动地切除故障部分，保护设备，防止故障扩大，保证非故障部分正常运行。 1. 发电机外部短路保护 对发电机外部短路故障的判断，因为发电机外部短路时，从发电机到短路点， 必将出现很大的过电流，所以可利用这一特点，来检测发电机之外部短路。 按照时间原则或电流原则在原理上都可以实现保护的选择性，但由于船舶输电 线路较短，且阻抗较小，电网各段短路电流都很大，因此按照电流原则实现选择性 保护往往是有困难的，而按照时间原则实现选择性保护，则整定比较容易，而且比 较可靠。但是，完全按照时间原则实现选择性，往往又带来影响保护快速性和使保 护装置复杂化等弊病，甚至是不可能的。因此，常常采用时间原则和电流原则混合 的方法，以满足保护选择性和快速性的要求。 一般船舶发电机都设有两套过电流保护装置。第一套为带时限的外部过电流保 护装置，又叫短路短延时保护装置。如图 2-1(a)中的 QF 1 过流保护，它与 QF 2 过流上海海事大学硕士学位论文 10 保护是以时间原则来实现选择性的。第二套为不带时限的电流速断保护装置，又叫 短路瞬时动作保护装置。如图 2-1(a)中的 QF 1 的速断保护，它是以电流原则来实现 选择性的，并保证了在靠近发电机端短路时，保护动作的快速性。显然，QF 1 的过 电流保护装置又是一种后备保护装置，当 k 1 点短路而其 QF 2 的过电流保护装置不动 作时，则 QF 1 的过流保护立即动作，这种后备保护是完全必要的。 G M QF 1 QF 2 k 1 I op(qb) I op1 t 1 I op2 t 2 速 断 过 流 过 流 I I t 1 =t 2 +t t 2 0 t L 0 L L L 1 I op1 I op2 I op2 I k1 I k2 I (b) (c) (a) k 2 图 2-1 发电机短路保护装置及其整定 2. 发电机外部短路过流保护的整定 (1) 图 2-1 中发电机外部短路过电流保护装置(QF 1 过流保护) 启动值的整定考虑 对可靠性的要求，应把短路保护、过载保护和电动机自启动区分开来。当过电流保 护的启动电流按照大于发电机的额定电流来整定，并使保护装置的返回电流大于在 电动机自启动情况下的最大电流时，引入可靠系数 K rel 和自启动系数 K s 后，返回电 流 I re 可表示为 (2-1) gN s rel re I K K I 考虑到继电器的返回系数之后，启动电流为 (2-2) gN re s rel op I K K K I 1上海海事大学硕士学位论文 11 式中，I op1 为 QF 1 的过电流保护启动电流整定值，I gN 为发电机额定电流，K rel 为可靠 系数(K rel =1.31.5) ，K re 为返回系数(K re =0.50.9)，K s 为自启动系数(K s =1.31.8) 。 将各系数代入式(2-2) 得 (2-3) gN gN op I I I ) 5 2 ( 9 . 0 5 . 0 ) 8 . 1 3 . 1 ( ) 5 . 1 3 . 1 ( 1 确定启动电流整定值之后，应校验发电机外部短路过电流保护的灵敏度，当作 为远后备保护时，灵敏系数 S P 应为 (2-4) 1 1 min , 2 op k P I I S 式中 I k2,min 为末端 k 2 点最小短路电流。 (2) 图 2-1 中 QF l 的过流保护动作时限的整定 考虑对选择性的要求，必须使 QF l 的过流保护的动作时限 t 1 与 QF 2 的过流保护 的动作时限 t 2 相配合，如图 2-1(b)所示，按阶梯形时限特性整定，使 t 1 比 t 2 大一个 t 时间，即 (2-5) t t t 2 1 式中 t 1 为 QF 1 的过流保护动作时限，t 2 为 QF 2 的过流保护动作时限，t 为两相邻保 护动作的时限之差。 决定 t 的因素主要有：断路器的跳闸动作时间，时间继电器误差以及要有一 定的裕度等。t 大了动作会慢，因此应使 t 尽量小，但 t 太小了，易产生误动 作。一般取 t(0.150.25)s 。所以，一般 t 1 整定为 t 1 (0.20.6)s (2-6) 采用过电流保护，按照时间原则保证选择性时，越靠近电源处，动作时限越大， 而越靠近电源，短路电流越大，则要求保护动作越快，这是一个矛盾。为此，要用 电流速断保护来加以补充。并联运行的发电机，在发电机侧短路时，短路电流可能 很大，为保证选择性，可采用电流速断保护。 3. 发电机外部短路电流速断保护的整定 电流速断是电流保护的一种，但它和过电流保护不同。过电流保护的启动电流 的整定值是以躲开最大允许工作电流来整定的，而电流速断的启动电流的整定值， 则是按躲开其外部短路电流来整定的。上海海事大学硕士学位论文 12 如图 2-1(c)所示，按电流原则保证选择性时，发电机电流速断保护的启动电流 I qb 应躲开 k 1 点短路时的最大短路电流 I k1,max ，所以，电流速断的启动电流整定值为 (2-7) max , 1 k rel qb I K I 若取 I k1,max =7I gN 时，则上式为 (2-8) gN gN qb I I I ) 11 9 ( ) 7 . 1 3 . 1 ( 确定 I qb 后，校验灵敏度 S P ，应满足 (2-9) ) 5 . 1 2 . 1 ( max , 1 qb k P I I S 电流速断保护的启动电流整定值是根据保护范围之内的短路电流整定的，在保 护范围之外电流速断保护不应动作，所以它没有必要与保护范围之外的短路保护在 时间上相配合。因此，电流速断保护是瞬时动作的。 电流速断保护的优点是快速，比较简单可靠。考虑到在发电机近端短路时，对 于保护动作快速性的要求，可以加装瞬时动作的电流速断装置来保护 23 。 2.2.2 船舶同步发电机过载保护 可能产生发电机过载的主要原因有：(1)船舶电站在运行中发电机的容量不能满 足负载增长的需要；(2)几台发电机应并联运行但未做并联运行；(3)或者当并联运行 的发电机中有一台或几台发土故障而自动停机；(4)因并联运行的发电机间的负荷分 配不恰当。 无论是负载电流超过发电机的额定电流，还是负载功率超过了发电机的额定功 率，对发电机组都是不利的。发电机长时间过载，会使发电机过热、引起绝缘老化 和损坏，以及造成原动机的寿命缩短和部件损坏等。所以，应装设相应的过载保护 装置。 由于对船舶供电可靠性的考虑，处理发电机过载问题，要兼顾保护发电机不受 损坏且尽量保证不中断供电两方面。因此，当发电机过载时，首先应将一部分不重 要的负载自动卸掉，以消除发电机的过载现象，并保证重要负载的不间断供电。同 时，应自动发出发电机过载报警信号，以警告运行人员及时处理或同时发出自启动 指令，以自动启动备用发电机组。若在一定时间内仍不能解除过载，为保护发电机 不被损坏，就应自动的将发电机从汇流排上切除，并发出发电机过载自动跳闸信号上海海事大学硕士学位论文 13 24 。 对船舶发电机过载保护装置的启动电流 I op(OL) 和动作时限 t (OL) 可做如下整定： 为保证在正常工作时保护装置不动作，应使保护装置启动电流 I op 大于发电机的 额定电流 I gN 。为保证保护的可靠性，应使保护装置可靠地返回，则要求返回电流 I re 大于发电机额定电流 I gN 。考虑到继电器启动电流和返回电流可能有误差，故取可靠 系数 K rel 1 ，则可写成 I re =K rel I gN (2-10) 根据返回系数 K re 的定义 (2-11) op re re I I K 则可得启动电流为 (2-12) gN re rel op I K K I K re 越大，即越趋近于 1 时，I op 越小，即越灵敏；K rel 越小，则 I op 越小，也越灵 敏。因而，对只发报警信号或自动过载信号或备用机组自启动信号的过载保护装置， K rel 可取得小些，以提高其灵敏性；而对动作于发电机跳闸的过载保护，K rel 要取得 大些，以保证其可靠性。 对于船舶发电机过载保护，K rel 11.2 ；K re 0.80.9。于是，船舶发电机过载 保护装置的启动电流可整定为 (2-13) gN gN OL op I I I ) 5 . 0 25 . 1 ( ) 9 . 0 8 . 0 ( ) 2 . 1 1 ( ) ( 船舶发电机过载保护装置动作时限的整定，主要考虑躲开大电动机或几台较大 电动机同时启动的时间。一般电动机启动时间为 510 s ，所以过载保护的动作时限 可整定在 1020s 。即 T (OL) 1020(s) (2-14) 当发生持续过载时，发电机过载保护虽经延时，但到时仍要动作，以中断供电。 要使发电机不中断供电且避免过载的一种较好的做法就是：当出现过载信号时，首 先考虑切除电网中正在运行的一些次要负载，使发电机脱离过载状态( 使启动的过载 保护得以返回)，从而保证电站对重要负载的连续供电，这种处理办法叫做“自动卸 载” 。这种办法也必须与发电机过载保护的延时特性配合才能实现。根据负载的不重上海海事大学硕士学位论文 14 要程度及工作特点，分成几组，可以实现多次自动卸载的叫分级卸载。 2.2.3 船舶同步发电机欠压保护 习惯上通常把欠压和失压两者统称为失压。当调压器失灵或由于发电机外部发 生持续性短路故障时，都将出现发电机电压下降的现象。发电机在欠压情况下运行， 将引起电机的电流大、电动机转矩下降、发电机过热、绝缘损坏，这对发电机本身 和异步电动机的运行等都是很不利的。 船舶发电机欠压保护的启动电压，应按躲开最低可能的工作电压进行整定，即 (2-15) re rel g op K K U U min . 式中 U op 为启动电压整定值，U g.min 为最低工作电压。 当电力系统中突然有较大负载增加，例如有较大电动机或多台自启动电动机启 动或发生暂时性短路和并车冲击电流时，发电机电压也可能有很大的下降，但这是 正常或暂时情况，发电机欠压保护不应动作。因此，在整定发电机欠压保护的启动 电压值时，应当考虑到对保护动作可靠性的要求。可以用整定启动电压值或动作时 限的方法，来躲过这些不应使保护动作的欠压情况。 钢质海船入级与建造规范规定，并联运行的发电机应设有欠电压保护并能 满足如下要求： (1) 用于避免发电机不发电时闭合断路器应瞬时动作； (2) 当电压降低至额定电压的 70%35% 时，应经系统选择性保护要求的延时后 动作。 由此看出，欠压保护包括失压保护的内容。电压降低至额定电压的 35% 时作失 压处理，应瞬时跳闸。在自动电站中有的把额定电压的 10% 作为对母线是否有电压 的识别值。电压降低至额定电压的 70%35%的欠压范围，要求保护带延时，可以避 免电网电压因大功率电动机启动瞬时下降引起的不必要跳闸。 由于发电机的调压器具有灵敏的快速动作功能，在 1.5s 之内可把暂时性的电压 下降恢复到接近额定电压值的 3% 之内，故欠压保护动作时限的整定值应大于 l.5s， 以躲开暂时性电压下降，一般欠压保护的整定时限为 t (1.53)s (2-16)上海海事大学硕士学位论文 15 2.2.4 船舶发电机逆功率保护 同步发电机的逆功率运行，是指该同步发电机不发出有功功率，而从电网吸收 有功功率。同步发电机出现逆功率运行的原因是，当几台同步发电机并联运行时， 其中一台发电机的原动机工作失常。这对系统是不利的，可能造成正在并联工作的 另一台发电机过载，以致造成其过载跳闸，全船供电中断。因此，出现这种情况时， 要求将处于电动机运行状态的发电机切除。 因为发电机过载保护是具有时限的，所以逆功率保护并不要求立即跳闸，即也 可以具有一定的时限。当同步发电机在非同步条件下并车时，也可能短时出现逆功 率，这是允许的，此时逆功率保护不应动作。因此，从避开并车时可能出现的短时 逆功率冲击方面，逆功率保护应具有一定的时限。发电机过载保护一般整定在额定 值的 125%135%，延时 1520s 跳闸。非同步并车出现的功率冲击一般在 1s 之内 22 。 根据上述原因和要求，对逆功率保护启动值的整定，大多数船级社都规定： (1) 原动机为柴油机时，逆功率整定值在发电机额定功率的 4%15%间某一区 域(典型区间为 4%10%)； (2) 原动机为汽轮机时，逆功率整定值在发电机额定功率的 1%6%间某一区域 (典型区间为 1%3%)； (3) 延时时间在 210s 间整定(典型值为 3s)。 本文原动机为柴油机，逆功率整定值为发电机额定功率的 10% ，逆功率保护由 PLC 控制 PPU 实现。上海海事大学硕士学位论文 16 第三章 船舶自动化电站系统 3.1 船舶自动化电站硬件系统构成 3.1.1 系统结构 船舶自动化电站硬件系统主要由 PC 上位机、触摸屏、PLC、PPU、配电屏及柴 油发电机组构成。本实验室系统构成如图 3-1 所示。其中触摸屏、PLC 和三台 PPU 为控制系统核心设备。1 号和 2 号发电机组作为常规发电机使用，3 号发电机组可以 通过转换开关切换为应急发电机使用。PC 上位机通过网络访问触摸屏监控软件，或 直接操作触摸屏对电站功能进行控制。监控界面通过实时动画、状态显示开关及数 字和模拟表头显示，跟踪显示船舶电站的运行状态，利用其功能按键可以完成对电 站设备的操作。发电机组设有机旁控制和远程控制功能。 触摸屏 PLC 计算机 PPU3 PPU2 PPU1 DG3 DG2 DG1 CB3 CB2 CB1 BT 岸电 RS485 TCP/IP 图 3-1 系统构成图 系统逻辑结构框图如图 3-2 所示。系统可分为应用层、系统层和设备层三层逻 辑结构。设备层主要为船舶柴油发电机组及用电设备；系统层为触摸屏、PLC 和 PPU 组成的控制系统；应用层主要为调试界面、监控管理、数据采集、网络通讯和 设备通讯五部分。上海海事大学硕士学位论文 17 3-2 系统逻辑结构框图 1. 调试界面 触摸屏人机界面可以作为船舶自动化电站调试界面，显示电站运行的实时参数 以及重要数据，可以作为系统调试时的重要依据。 2. 监控管理 监控管理可分为自动、手动与遥控三种方式：自动模式为 PLC 控制器根据船舶 电站运行情况，自动控制和管理船舶电站的各个设备；手动模式为人工通过控制屏 实现对电站的功能控制；遥控模式为操作人员通过船舶自动化电站人机界面远程遥 控电站的设备运行。 3. 数据采集 系统通过各种传感器、互感器以及继电器等设备将船舶电站的各种数据、状态 信息采集起来，传送给 PLC 和 PPU ，并由各个仪表和人机界面显示出来。监控软件 将数据存储并起来，并传送给 PC 机。 4. 网络通讯 本系统采用 Modbus 通讯协议，通过网络通讯设备与 PC 上位机相连，将船舶 自动化电站的数据及状态信息采集、传输、存储和处理。使数据资源在网内共享， 便于实现系统的集散控制。 5. 设备通讯 设备通讯除上述采用以太网通讯以外，PLC 与 PPU 主要以硬件接线和 RS485 通讯方式进行信息的相互传递。上海海事大学硕士学位论文 18 3.1.2 主要技术数据及使用要求 1. 主回路电源：三相四线 AC380V 50Hz 2. 控制屏电源： 两线制 AC220V 50Hz 3. 控制回路电源：DC24V 4. 使用要求： 室内安装，环境温度：0+45； 相对湿度：10%90； 海拔高度：不大于 1000m； 3.1.3 主控制屏构成 本系统分别设有三面发电机控制屏、一面同步及报警控制屏，两面负载控制屏， 主控制屏布局如图 3-3 所示。 图 3-3 控制屏及其布局图 第一面为重负载控制屏，完成重负载的启停控制及重载询问操作；第二、三、 五屏分别为三台发电机组控制屏，控制对应发电机组的启停，预热等，显示对应发 电机组的运行状态及参数，指示灯有：运行指示灯、停机指示灯和合闸指示灯，测 量仪表有：电压表、电流表、频率表、功率因数表及运行时间表；中间第四面屏为 并车控制屏及报警控制屏，由并车控制按钮、负载转移及调速开关、模式选择按钮、 报警及状态指示灯及相应的显示仪表组成；第四面下部为岸电控制屏；第六面为触 摸屏控制屏；第七面为其它负载控制屏。上海海事大学硕士学位论文 19 3.2 主要设备选型及性能参数 3.2.1 Modicon M340PLC 介绍 施耐德 Modicon M340 系列 PLC 结构紧凑、外形精巧，具有热插拔功能，便于 维护；集成 USB、以太网、CANopen 及 Modbus 通讯接口，采用多任务操作系统， 处理高效，使毫秒级的处理变得非常简单，不管用什么语言编程，都不会影响处理 速度；存储容量大，拥有 4MB 内部 RAM ，可处理 70K 条指令；性能稳定可靠，符 合所有标准的海事认证 25 。 3.2.2 XBTGT5330 触摸屏介绍 本系统采用施耐德 XBTGT5330 触摸屏作为监控界面的主要载体。它体积小、 通用性强、功能全面、有较强的抗干扰性等特点 26 。其主要接口及功能如图 3-4 所 示。 AUX 辅助接口 电源 CF 卡插槽