基于 PLC 的船舶电站自动化 系统方案设计与实现

山东交通学院2013届毕业生毕业论文（设计）题目：基于PLC的船舶电站自动化 系统方案设计与实现院(系)别 信息科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 二一三年六月原 创 声 明本人李枝贺郑重声明：所呈交的论文“基于PLC的船舶电站自动化系统方案设计与实现”，是本人在导师刘洋的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。 论文作者(签字)： 日期： 年 月 摘 要本文以两台发电机组的船舶电站为例，在论述自动化电站功能和要求的基础上，设计了集散控制式系统。下位机以PLC作为主要控制装置，上位机用工业PC机作为管理装置。本文将电站的控制功能模块化，再设计出各模块的流程，然后将各模块有机的结合，以实现电站的综合自动控制。在这种点对点的控制系统中，下位机可以完成发电机组的起动、停机控制、调频调载以及机、电故障处理等；上位机进行机组的并联运行、解列、重载询问等。同时，上位机的人机界面可以显示、记录机组的运行状态和主要参数。这种集散式控制系统充分体现了分散控制和集中管理的优点。关键词：船舶电站，自动控制系统，PLCAbstractThis thesis take marine electric power plant which base on two generators for an example and designed a distributed control system after discussed the function and requirement of automatic ship power station. The station uses PLC as main control device and industrial computer as management device. This thesis make the control function modular firstly, and then designed each module control process, combined the modules organic finally in order to realize the synthetic automatic control function. In this point-to-point control system, the PLC can accomplish the function which including automatic start and stop the generator, the frequency and load regulation, and treatment of machine or electric fault, etc. The upper computer realized automatic paralleling, disengaging, and asking overload, etc. Meanwhile Human-Machine Interaction can display and record the generators state and various parameters. This distribution control system fully embodies the advantages of distributed control and central management.Key Words: Ship Power Station, Automatic Control System, PLC目 录前 言11 课题的组成及背景31.1 船舶电站自动化系统的定义、组成和特点31.2 船舶电站自动化的发展与展望31.3 PLC在船舶电站自动化系统中的应用41.3.1 PLC 概述41.3.2 PLC 的工作原理51.3.3 PLC 在船舶电站自动化系统中应用的优势51.4 本课题背景及选题意义51.5 本文的主要内容和结构安排62 船舶电站自动化管理系统72.1 船舶电站自动化管理系统的总体构成72.2 船舶电站自动化管理系统主要功能72.3 集散式船舶电站管理系统92.3.1 集散式电站92.3.2 信号的采集及处理102.3.3 检测单元的设计123 集散式船舶电站管理系统的功能流程133.1 机组的自动起动模块及流程图133.2 并车运行模块及流程图143.3 调频调载模块及流程图173.4 重载询问模块及流程图183.5 自动解列和自动停机模块及流程图193.6 电力管理系统参数在线监视与在线修改203.6.1 OP393的连接与登录223.6.2 定时器的在线监视与在线修改233.6.3 数据块的在线监视与在线修改253.7 船舶电站管理系统的监控单元设计263.7.1 上位机监控系统功能263.7.2 工业PC机控制软件和监测软件结构273.7.3 监控界面简介283.8 安全保护系统293.8.1 欠压保护293.8.2 过流保护293.8.3 逆功率保护303.8.4 故障报警的设置304 系统联调与测试314.1 系统仿真314.2 系统调试32总 结33致 谢34参考文献35附 录36III山东交通学院毕业设计(论文)前 言为实现船舶电站自动化的各种功能，船舶电站自动化技术经历了由继电器、接触器组成的有触点控制系统到有分立元件和集成元件组成的无触点控制系统。大规模集成电路的结构化、模块化，还可以使微机控制系统的体积、重量大大减少，工作可靠性提高。控制方式由硬件控制变为软件控制为主，使功能的组合、扩展或修改变得容易：模块化、通用性好。计算机控制由大型机集中控制方式发展到多微机分散控制方式，工作可靠性提高；进而出现由多级计算机构成的分布式控制系统，应用光纤通讯和网络技术等。国外船舶自动化一开始大多是从电气部分着手，从最原始的手动本地操纵进化成手动遥控操纵，再进一步发展成半自动控制，最后发展到目前的最高水平电站全自动控制的无人值班机舱。早在60年代初期，日本、德国、英国等国就有电站单元自动化装置，如：英国的MMF自动并车装置，日本的XET自动并车装置和XPT自动负荷分配装置。到70年代中后期，人们在单元自动化装置的基础上，把它们系统地组合成成套电站自动化设备，系统可在集控室进行集中控制，如“里言斯顿”号船上的SEPA电站自动化控制系统，日本“星光”号船上电站自动化系统。随着微型计算机的发展和推广应用，在80年代初期国外研制成功了微型计算机单机控制系统，如：用在我国“德大”轮上的日本大发公司配套的电站自动化控制系统，广州远洋公司15000吨上使用的丹麦SEMCO公司的APM电动自动化系统。到80年代中后期，随着微机网络技术的日趋成熟，国外众多国家相继开发研制多微机分布式网络型自动化控制系统，如：西门子、AEG等国际著名的大公司近期的产品，是目前国际上最新技术产品。目前我国船舶电站自动化装置的研制和生产水平相对较低，船用电站管理系统国产化率很低，大约有90%来自国外，而国外采用PLC控制技术研制的船舶电站自动化系统，功能完善，技术先进，但是技术垄断严重。随着计算机信息处理技术的发展，船舶电站自动化系统正朝着集散型控制系统(网络式或分布式控制系统)的方向发展 。船舶自动化电站是集自动控制、报警和监测于一体化的监控系统，涉及到现代控制技术、通讯、信息处理、数字化信息技术、计算机网络等多学科和技术。这就需要研究控制技术、网络通讯技术等，船舶电站正以标准化、模块化、集成化、网络化等方式向船舶电站综合自动化这样高级阶段发展。随着工业自动化产业的高速发展，自电气自动化控制领域的重要组成部分PLC问世以来，引起了国内外电气行业的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。现代PLC控制技术因其可靠性高、耐恶劣环境、使用极为灵活方便三大特点，广泛应用在自动化控制系统领域，船舶自动化控制系统更是如此。众所周知，PLC适用于多种场合中的检测、监控自动化。S7-200 PLC具有丰富的指令集成和内置集成功能，如高速计数器HSC、自整定PID和脉冲输出PTO/PWN等，实时特性和通讯能力强，扩展模块丰富，可靠性高。基于PLC的船舶电站系统采用模块化设计，结构紧凑，便于在线故障诊断。基于PLC技术设计的人机界面，组态调试方便，用S7-200 PLC开发的船舶电站控制系统，性价比高，在远洋船舶得到了成功应用，表明PLC技术值得在轮机自动化中推广。目前我国的船舶电站自动化系统还处于研究阶段，只有在局部的环节取得成果，尚不能投入全面使用，所以研究船舶电站自动化，早日实现国产化意义重大。1课题的组成及背景1.1 船舶电站自动化系统的定义、组成和特点船舶电力系统是孤立于陆地的独立电网，它是产生、输送、分配、使用电能的装置和用电网络的总称，它由用电设备、装配电装置、发电装置和电缆等组成。其中船舶电站是船舶所需的全部电能的来源，处于船舶电力系统的核心地位。船舶电站由原动机、发电机和附属设备(组合成发电机组)及配电装置组成。发电机组是把机械能转化成电能的发电设备；配电装置是接收船舶发电机组所产生的电能，并对所有电力负载进行配电的开关和控制设备的组合装置，也是对电力系统进行测量、监视、保护的控制装置。船舶电站的主要特点是容量相对较小。当起动某些大容量负载起动时，发电机转速下降，从而使发电频率和电压大幅波动，同时将冲击电网，使电网电压、频率大幅度下降，因此，要求发电机组要具有较大的承载能力和维持电站稳定运行的能力。1.2 船舶电站自动化的发展与展望随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化由局部控制发展到了综合控制，由就地的控制发展到集中的控制。集散式系统就是集计算机、通信、显示和控制技术于一体的系统。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，下位机分散到现场进行分布式控制。所以，这种集散式的管理系统体系结构有很高的可靠性，且易于扩展，上位机根据需要增减下位机台数。船舶电气自动化系统发展的趋势：(1)系统监控的综合化由于电气设备已经日趋通用化、模块化、系列化，组态灵活；上位控制机所有功能可通过屏幕软件按钮来完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。另外，采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。(2)系统的网络化如今，数字化技术和网络技术应用已经相当成熟。现场控制设备和控制系统之间的双向网络通信靠现场总线来实现。使用双层网络，第一层网络采集与传送数据，第二层网络是控制网。从分散危险的原则上，设置独立的控制子网。各子系统的功能由系统网络结合，把数据采集和控制系统分散功能结合，但每个系统又是一个独立的系统，在某系统局部受损时不影响其他系统独立完成工作，采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，增强系统控制能力。利用图像控制功能，在人机界面实现良好的对话效果。这种网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，它有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。船舶电气自动化领域展望，在计算机、通信、显示和控制技术迅速发展且互相交叉渗透，还有人工智能和模糊技术的应用将会给船舶电站自动化带来重大的变革。未来船舶电站的自动化系统会向着自动故障预测、自诊断的方向发展，上位机将会实现专家系统等智能连接。计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控系统分散型微机监控系统集散型(分布式)多级、多微机监控系统网络型(智能式)计算机监控系统。而这些技术的发展会使船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸得更深。1.3 PLC在船舶电站自动化系统中的应用1.3.1 PLC 概述国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器的标准及其定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计，它采用可编程序的储存器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，是一种工业控制器件。它是微机技术和继电器常规控制结合的产物。PLC这种专用的工业控制机，它的组成与计算机基本相同，也是由硬件和软件系统两部分组成。PLC的硬件系统由主机、输入输出扩展设备及外部设备三部分组成。主机由中央控制单元、存储器、输入输出单元、输入输出扩展总线接口、外部设备接口以及电源等组成，各部件通过由电源总线、控制总线、地址总线和数据总线构成的内部系统总线进行连接；输入输出扩展机是输入输出单元的扩展部件；外部设备主要是编程器、图形显示器等。PLC软件由系统程序、和用户程序两大部分组成。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和系统调用的标准程序模块等。用户程序包括各类画面的操作显示程序，也有人机界面的有关软件，用户可以根据制造商提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。1.3.2 PLC 的工作原理PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本相似，它通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上PLC执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同，PLC整个工作过程是以循环扫描的方式进行。循环扫描方式是指在执行程序的过程中，对各个过程输入信号进行收集，对收集信号进行处理和计算，并把计算结果输出到生产过程的执行机构去。这种循环扫描的方式，不断地对输入和输出变量进行收集、计算和输出，使得变量满足程序条件，并且相应的输出使执行结构动作。随着PLC技术的发展，其集成度越来越高，网络及通信功能越来越强，可靠性和控制功能越来越好，这些都使PLC更广泛的应用于工业自动化领域当中。1.3.3 PLC 在船舶电站自动化系统中应用的优势船舶电站控制有控制动作复杂、频繁的特点，且有较多的接触器作为执行器。一般的PLC都有几百个内部辅助继电器，而且还有多种专用的内部继电器，可以满足一般的控制要求，唯一需要做的就是对PLC进行编程。同时，PLC在船舶电站抗干扰方面也有其极大的优越性。另外，PLC与继电器控制比较有运行速度快、可靠性和寿命高的优点。PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：(1)更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件做改动；(2)程序可以复制，批量生产容易；(3)电气硬件设计大大简化；(4)由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；(5)可靠性高；(6)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多的I/O时可以方便的扩展。1.4 本课题背景及选题意义随着新航运要求的出现，对船舶要求也有所提高。作为船舶上重要的装备，船舶电站有着极其重要的作用；除了为船舶提供日常用电之外，还关系着船舶日常工作的顺利进行。为解决船舶电站自动控制系统中的继电器系统和电子电路控制系统的线路复杂、可靠性差、维修工作量大等缺点，甚至在情况严重下，会造成系统处于瘫痪状态，因此开发一套稳定、高效、实时的基于PLC的船舶电站自动化系统，是迫切需要的。为解决船舶电站自动控制系统中的继电器系统和电子电路控制系统的线路复杂、可靠性差、维修工作量大等缺点，给出了解决方案。阐述了基于S7-200 PLC的船舶电站自动控制系统的设计和实现，自动电力管理系统参数的在线监视与在线修改1。由于PLC可靠性高、耐恶劣环境、使用极为灵活，功能扩展方便。在船舶电站自动控制系统中应用S7-200PLC实现船舶电站的逻辑控制和总体控制，替代继电器系统和电子电路控制系统，故障率大大减少。在PLC内部实现自整定PID算法控制转速调节环节，驱动直流伺服电动机执行，负荷分配及时均衡。PLC船舶电站控制系统便于系统参数的在线监视与在线修改。1.5 本文的主要内容和结构安排本文主要内容是以两台发电机组的电站为例，采用PLC的工业控制技术和工业PC机，设计了基于PLC控制的船舶电站自动化的集散式管理系统。设计电站以两台发电机组为例，下位机PLC可通过输入输出接口与发电机组和现场仪表相连接，与上位PC机通过网络连接。上位机的人机界面设计机各种界面，在设计的界面上可以显示机组的状态和各主要参数，轮机员通过各种界面能观察和操作机组。结构的安排：(1)首先充分论述自动化电站的组成、原理、功能、要求，在了解控制器功能和监测技术的基础上，选择了集散式船舶管理系统。(2)在集散式系统下，设计实现了PLC控制的发电机组的自动起动、自动并车运行、自动频率和负载调节，重载询问、自动解列以及自动停车的流程。(3)在上位机上提出几种设计界面设计，实现对电站的分散控制和集中管理功能。(4)通过实际操作，发现设计中的不足之处，对不足之处进行改正。2 船舶电站自动化管理系统2.1 船舶电站自动化管理系统的总体构成船舶电站的自动化管理系统一般由电站自动控制、监测报警和安全系统组成：(1)控制系统：能实现发电机组的自动起动、并车和解列，还可以实现电站功率的自动管理及电压、频率的稳定，且可处理电站中出现的故障。如果系统出现故障，控制系统可自动地使处于备用状态的机组迅速起动(不超过45s)，自动准同步投入电网运行；并网成功后，故障机组将负荷降低至不大于额定功率的10%时，自动脱离电网。(2)自动检测报警系统：此系统的主要功能是自动地实施监测电站各设备运行状态和参数，有原动机、发电机、配电系统的电气参数、机械参数和运行状态，检测量包括开关量和模拟量。其次，系统会将监测量实时与设定的限制值进行比较，若被测量超限，将发出相应的声光报警信号。最后，系统可以对监测结果进行记录、打印，并对超限参数进行记录。(3)安全系统：自动化电站应设安全系统。如果电站控制和监测系统在运行过程中发生危及电站系统的各主要设备安全的严重故障时，安全系统能自动产生保护动作，避免事故的进一步扩大。自动化管理系统组成结构如下图：图2.1 自动化系统的组成Fig.2.1 Composition of automation system2.2 船舶电站自动化管理系统主要功能自动化电站管理的主要内容包括2：(1)发电机组起动前的准备工作:中国船级社对自动化船舶的有关规定是船舶电网失电应在45s(国外有些是30s)内恢复供电，所以自动化电站停车状态下的备用机组应事先做好准备工作。关键的准备工作是发电柴油机的预热和预润滑。(2)发电机组的自动起动：当电网负荷增加使运行机组重载时、运行机组发生机电故障和某机组起动失败或不能合闸时，电站管理系统能自动地发出起动指令使备用机组迅速自动起动，在起动成功后建立压力后投入电网供电。(3)发电机组的自动并车：通过采集电压、频率的基本参数，经过一定的计算发出调频及合闸指令，使待并机与电网上的机组并联运行。(4)并联运行中的功率分配与频率调整：两台机组并联运行供电时，通过原动机调速器和自动调频调载装置配合工作，使电网维持在稳定频率，且使并联运行机组按容量成比例的承担负载。(5)运行机组台数的管理：在完全满足船舶电站供电质量的前提下，使机组以经济的管理模式运行，充分利用每台机组的功率，降低发电成本。(6)重载询问：大功率负荷起动大，管理系统将判断电网负荷与起动的大功率负荷是否超过运行机组的最大允许负荷率。若满足，则允许其启动，否则，应先起动另一台备用发电机，使之并网，然后允许其起动。(7)机组故障的自动处理与报警及负载自动分级：系统设有故障处理模式与对应的故障相匹配。自动分级卸载：确保重要设备连续供电，在过载的情况时将非重要负载自动切断。(8)机组自动、故障状态下解列、停机控制：轻载或故障需要停机时，并网运行机组先自动转移负载，再按顺序使运行机组逐台退出电网，然后停车。(9)机组的保护：自动化电站除了设有和基本电站一样的过载、短路、欠压和逆功率保护外，还设有欠频保护、高压保护、次要负荷的分级卸载等，进一步的提高了供电质量和电网的连续供电。(10)运行状态显示及故障监视：现代电子触摸屏通过编程可以在屏幕上以画出主配电板、发电机组、主开关等电器元件的状况，除此之外也有开关、按钮等指令开关。总之，触摸屏不仅有显示功能，而且还有操作功能。(11)运行系统给定参数的监视与修改：系统支持参数的监视与在线修改，PLC技术可将设计编制的程序及各种参数存放在随机存储器RAM中，方便在线修改。自动化系统的方框图如下：图2.2 电站自动化系统方框图Fig.2.2 Power plant automation system block diagram2.3 集散式船舶电站管理系统集散控制形式是每台发电机组配置PLC(或微机)控制装置，主要控制发电机组的起动、停机以及处理机电故障等，上面有一套PLC(或微机)控制装置主要进行并联运行、功率管理及信息通信等管理控制。此外，系统的通讯接口可以与个人电脑相连，在电脑显示屏用文字和图形来显示各种参数及相关机组、主开关等电器状态。2.3.1 集散式电站集散式管理系统3由PLC控制机组，然后再把信息与工业PC机共享，它们共同来完成电站运行的自动控制和自动管理。工业PC控制机置于集控中，作为操作系统的操作管理装置。电站系统各下位机的监测控制和信息管理由工业PC控制机来完成，除此，亦可显示电站系统任何运行过程的全部信息，并存储在存储器中，必要时可以被其它系统调用。在上位机上可以修改系统某些设置参数，并能以指令的形式传递到下位机中，来对电站运行过程进行控制。系统操作站是系统的人机接口，是控制系统与操作管理人员的接口界面。本文所设计的集散式电站管理系统将各台发电机组的控制功能分散化。两台PLC的控制作用由工业PC机进行协调，来完成整个电站的监控任务。总体框图如下图所示：图2.3 电站管理系统的总体功能框图Fig.2.3 Plant overall management system functional block diagram集散式船舶电站管理系统的主要优点是以数据通信为纽带，完成过程的分散控制、监控和信息集中管理等一系列工作。另外，本系统还具有如下优点：(1)改善了系统的运行可靠性，单元故障只影响局部，而且具有自诊断、报警功能；(2)构成灵活，扩展方便。采用了标准的硬件模块和软件模块，可以灵活组建，而且采用了局域网，系统扩展十分方便。2.3.2 信号的采集及处理PLC与发电机组之间的信号传输与电网、发电机和柴油机之间传递的信号如下图所示：图2.4 PLC与发电机组之间的信号传递图Fig.2.4 Signal transmission between PLC and generating set figure(1)关于电网的信号电网电压、总电流、总电网频率、频率和有功功率及各空气开关线圈的开关状态。(2)关于发电机的信号发电机端电压、电流、频率、有功功率、发电机电压与电网电压的相位差和发电机绕组温度。(3)关于柴油机的信号起动空气瓶压力、滑油温度和压力、各缸排烟温度、排烟总管温度、冷却水压力和温度和柴油机飞轮转速。(4)PLC测控单元的控制信号(模拟量和开关量)柴油机组升速和减速脉冲、柴油机组起动和停机、发电机并网合闸和脱网。2.3.3 检测单元的设计机组的测量控制单元包括模拟量输出输入、开关量输出输入、键盘输入、声光报警等。测量控制单元原理框图如图下所示：图2.5 测量控制单元原理图Fig.2.5 The principle diagram of the measurement control unit数据采集单元主要采集信息有：电压、频率、相位、温度、压力、液位、转速和功率等，及时反映控制对象的状态，发出必要的调节指令，以满足控制要求。上位的工业控制机可以实现控制、显示、记录和打印的功能。3 集散式船舶电站管理系统的功能流程本文首先把集散式船舶电站管理系统的功能划分为不同的模块，并把它们作为子程序，设计实现这些子程序的流程图，然后，主程序将这些子程序有机结合，来完成对电站的自动化管理。设计的各主要模块有：自动起动模块、并车运行模块、调频调载模块、重载询问模块、自动解列模块和自动停机模块。系统主程序的工作原理：自动巡回检测电站的主要参数和工作状态，针对不同的参数和状态做出逻辑分析和综合计算，判断当前需要完成哪些工作，从而决定调用哪一个功能子程序来完成该工作，被调用的功能子程序一旦执行完毕，又返回主程序中继续巡回检测，整个系统就如此反复地运行。3.1 机组的自动起动模块及流程图要起动发电机机组的情况有：电站储备功率不足需要增加机组时、运行机组故障需要换机时、或者电网失去电时。对自动化系统的电站就会自动发出起动指令。当系统检测到电站储备功率不够时，就会产生增机指令，与此同时需起动机组起动的逻辑条件也应被检测，只有起动的逻辑条件满足，才发出起动指令。当检测到机、电故障时，根据故障的级别进行处理，若是严重故障，先停故障机，在起动备用机；若是较严重故障，先起动备用机组，并网后解列故障机。在自动起动过程中，还必须对机组是否成功起动进行检测，若不是三次起动，在一定时间间隔后，重新起动；若机组起动三次仍不成功，则向上位机报告，联系另一台PLC，起动其相应的机组。同时，发出“起动失败”的声光报警。下图为具有三次起动功能的起动流程：图3.1 发电机组起动程序流程图Fig.3.1 Generator set start program flow chart在起动备用机组用完的情况下，发出“备用机组用完”的指示报警。机组起动成功后，在一定时间未建立电压，则停机和发出声光报警。若电压成功建立，则转入单机调频程序或自动并联程序。3.2 并车运行模块及流程图投入电网并联运行的发电机，不能与电网立即接通，否则将导致并车失败，严重时会导致全船失电，机组也会受到电磁的和机械的有害冲击。因此，并车时应使合闸冲击电流最小，合闸后能迅速进入同步并联运行。为此并车必须满足的下列条件：(1)检测电网与待并发电机的电压差、频率差和相位差，当不符合并联运行要求时，继续巡回检测。(2)检测电网与待并发电机的电压频率差，并根据频差对待并机频率发出调节信号，使两者之间频率差减小，当其与电网频率接近设定要求时，就可满足合闸条件。(3)当相位差、电压差和频率差在系统设定范围内时，提前发出合闸指令，实现自动准同步并联运行。并车合闸流程图如下：图3.2 并车合闸流程图Fig.3.2 And closing operation flow chart从上图中可以看出，当接到并车指令时，系统分别先检测电网和待并机电压差、频率差和相角差，而实际操作电站要按船舶电站的规范要求设定。规范要求的并车条件：电压差整定范围为5额定；频率差整定范围为0.2HZ；相位差为15的电角度。主开关接到指令后，从开始动作到主触头闭合要经过一定的时间，考虑的这个问题，合闸指令应该提前发出。要根据主开关合闸时间来确定设定的提前时间，可用核定超前时间法。合闸时间越短则越有利于同步操作，而PLC按扫描的原理工作，因此PLC系统的运算周期就是PLC的扫描周期。而PLC控制器的运算数度都在每千步逻辑指令在1ms以内。用恒定超前时间法4发出合闸指令，先把电网和待并机的正弦电压通过波形变化变为同频方波，然后对电网电压和待并机的电压检测计算，来得到合闸指令提前时间。原理如图所示：图3.3 恒定时间的获取Fig.3.3 Constant time access若设主开关的设定值为t则有如下关系：t= t (电网待并机)/待并机从上式中可以看出，用算出的电网待并机和设定的主开关固有时间t，就可得出待并机滞后时间t。在待并机频率大于电网的频率的情况下，t值是不断的在减小的，所以测得t值小于计算出的t值时发出合闸脉冲。3.3 调频调载模块及流程图调频调载又叫自动负荷分配，它的基本功能是自动维持电网的频率恒定，按参与并联运行各机组的容量以既定的比例分配各机组的负荷。当接受到“解列”指令时，能自动控制负荷转移，待其负荷接近5%额定功率后，使其主开关跳闸脱网。船舶电站系统由于负载经常变化，特别是在大功率的起动和停止时,将引起运行机组的转速的变化，从而引起电网频率的变化。发电柴油机本身具有调速器，可以保证转速处于规范之内。现代船舶电站为提高供电质量，大多在电站中装有自动调频调在装置(简称频载调节器)，在调速去动作之后存在固定偏差时，再进行调解。频载调节器的控制信号是频率差与功率差的合成信号，经放大、判别后控制伺服电机，来调节发电机油门来调整转速。可见，频率的调整及有功功率的分配可以有调速器和调频载装置共同来完成。图中的A值由系统的调节精度决定，一般按并小于2%、功率差小于5%的标准来设定。电站供电质量由并联运行的机组频率的恒定和有功功率成比例分配所决定。维持电网频率恒定及有功功率转移可由原动机调速器改变油门的大小进行调节，也可另设调频调载单元。电站频率的调节分为单机调节和并机调节，其实质都是改变柴油机油门的开度的大小。单机调节比较简单，只是调用单机调频程序，在此不用再做讨论。并机调节比较复杂，要得到偏差值e (由电网和待并机的频率差和功率差组成)，偏差值e作为调节信号。当偏差值的绝对值小于设定值时，调节过程结束，若偏差值小于零时，开大柴油机油门，使柴油机加速；当偏差值大于零时，减小柴油机油门，使柴油机减速。在两台机组并联运行时，电站负荷的频繁变化会引起电站频率的变化，而且负荷的分配也要比例，否则会造成逆功率，危害电站稳定供电。恒频和成比例分功流程控制图如下：图3.4 恒频和成比例分功控制流程图Fig.3.4 Constant frequency and proportional to the work and control flow chart3.4 重载询问模块及流程图重载询问：大负载投入电网前，管理系统将判断电网负荷与起动的大功率负荷是否超过运行机组的最大负荷率。若满足，则允许其启动，否则，应先起动另一台备用发电机，使之并网，储备功率达到要求，则允许其起动，若达不到要求则禁止重载起动信号。其流程图如下：图3.5 重载询问流程图Fig.3.5 Overloading about flow chart重载询问模块的功能是合理的管理电站，防止重载起动的冲击对电网造成故障，从而达到电站稳定连续供电的要求。3.5 自动解列和自动停机模块及流程图发电机组可分为自动停机与故障应急停机。所谓自动停机，就是并网轻负荷时的自动减机，出现严重故障停机时处理方法是立即跳闸停电。解列和故障停车流程如下图：图3.6 解列和故障停机流程图Fig.3.6 Solution column and the flow chart of downtime在并联机组运行轻载的情况时，造成机组功率不能充分利用，所以，就要解列某台机组。解列机组时，退出电网的机组把负荷转移到运行机组上，当退出机组的功率小于10%额定功率时，主开关脱开，紧接着发出停机指令。机组停机电磁阀动作之前先空转运行10到20分钟，若故障停机则停机电磁阀立即动作。3.6 电力管理系统参数在线监视与在线修改为适合不同类型的柴油发电机组，及随着机组累计运行时问加大而致机组性能的变化，系统参数的在线监视以及机组当前运行工况的变化随时做出相应的修改是必要的。如调整脉冲的宽度：对于液压调速器来说，新建船舶大约可调整在0.52s之间的不同档次上，以匹配不同程度的频差与功差综合信号；当船舶陈旧时，调速器脉冲宽度可能要整定在15s；某些保养不当的船舶应调整在520s，调速器才会起作用。对发电机的过载、过流、失压、超速、逆功率保护的各项整定值，其中各项动作整定值可以允许用户调整，而从运行安全方面考虑时，通常在安装调试时设定，一般不允许用户修改。系统参数的在线监视与在线修改，一般数字在模拟集成电路构成的系统中做不到，有些较好的、经改良后的系统，通过数码拨盘也只能修改极少量的参数；微机控制的系统，船员一般做不到，对于PLC通过专用的通信模块才能实现。在本设计中，系统参数的在线监视与修改5是通过PMA52自动电力管理系统中的便携式用户操作器OP393实现的。OP393的液晶显示屏只能显示2行，每行16个字符的信息。其典型显示如图：图3.7 OP393液晶显示屏Fig.3.7 OP393Liquid crystal displayOP393的操作键盘如下图所示：图3.8 OP393键盘Fig.3.8 OP393Keyboard3.6.1 OP393的连接与登录将OP393的接插连接器插进S5-115U的编程口连接器，OP393液晶显示屏显示如下：OP393上电一会后，显示初始状态信息然后按下钥匙键，输入5位数字密码，再按ENT键。操作步骤及液晶显示如图所示：图3.9 OP393登录操作Fig.3.9 The login operation输入PASSWORD正确显示无误OK后，就可以进入监视、修改操作。3.6.2 定时器的在线监视与在线修改(1)在线监视在登录、显示初始信息状态后，按TMR键，输入定时器编号，按ENT键。液晶显示如下图所示。右上部分显示定时器编号；左上部分显示定时器当前值。图3.10 定时器典型显示格式Fig.3.10 Typical timer display format如该定时器未启动，则显示0，如起动则立即显示设定时间值，然后按倒计时进行计时，可看到时间数字按秒变化；左下部分显示设定时间数据，右下部分显示该定时器的文本信息。(2)在线修改首先进入在线监视显示方式，如需修改定时器的给定时间，可通过操作键盘上的数字键，按下新的给定时间数值，再按ENT键。下图为定时器的监控与修改操作流程。图3.11 定时器的操作流程Fig.3.11 The operation of the timer process如果修改时间数据时该定时器尚未启动，则该定时器一旦启动则按新的给定时间进行计时，如果修改时，该定时器已启动正在计时，则这次定时器仍按老的给定时间计时，该定时器下次启动时将启动新的给定时间。若需监视或修改相邻的定时器，可按键盘中的上下箭头即可，如需监视或修改的定时器编号与当前的定时器编号相差较远，则应重新按TMR键操作。计数器的有关操作与此类似，在此不做具体说明。3.6.3 数据块的在线监视与在线修改(1)在线监视在登录、显示初始信息状态后，按下DB键，输入数据字(DW)编号，若编程员只编制一个数据块提供用户现场监视与修改，则按ENT键，否则应输入需要显示的数据字所在的数据块编号。右上部分显示数据块编号DBxy；左上部分显示该数据字的当前内容；左下部分显示数据字设定内容；右下部分显示该数据字的文本信息。图3.12 数据块的操作流程Fig.3.12 Date block in the operation process(2)在线修改首先进入在线监视模式，如需修改该数据字的数据，可通过操作键盘上的数字键，按下新的数值，再按ENT键。上图为数据块数据的监视与修改操作流程。3.7 船舶电站管理系统的监控单元6设计本文的下位机PLC控制器控制现场设备即发电机组，通过数据线把现场测得的参数送到上位机，上位机利用人机界面把数据显示在屏幕上。上位机不断地从下位机读取数据，并判断数据是否在设定的范围内，从而完成远程监控任务。3.7.1 上位机监控系统功能现场PLC控制器对电站各设备运行状态和运行参数自动的进行实时监测，它的检测量可以是开关量即接通与断开所对应的值，也可以是模拟量如温度、压力等。上位PC机把下位机得到的数据进行计算，判断系统是否正常。如果出现故障及时显示信号并发出相应的声光报警信号，对超限数据可以存储，方便管理人员分析处理，通过外接打印机可以对存储数据进行打印。系统结构图如下:图3.13 系统结构简图Fig.3.13 System structure diagram自动控制系统和自动监测系统组成了电站自动化系统，集散式电站的上位PC监控系统与下位PLC控制系统一起同步工作，通过连线把彼此之间数据实现共享。上位工业PC机得监控系统为下位控制系统提供了友好的人机界面，它有强大的数据统计功能，方便了电站操作人员的操作、维护等。监控系统可以显示测量值、设定值、趋势曲线、故障状态、控制输出值等，还可以设置主监控界面、原理界面、并车界面、故障报警界面、数据报表界面，流程图画面。操作人员通过操作站，可以监视现场装置的情况；可以实现各种状态量的监视和组态，极大地方便了人员的操作，从而实现了集中的操作和监控管理。3.7.2 工业PC机控制软件和监测软件结构控制软件由三个层次构成：功能模块层，可以实现电站各种管理要求；数据传输层，采集各数字、模拟量的数据；管理层，通过对下两层之程序的调用，完成主程序的调度、管理功能。这三个层次的关系是，数据传输层进行数据采集，功能模块层在数据层之上是完成各种特定功能的子程序，管理层调用下两层程序，实现主程序的调度和管理功能。程序框图如下所示：图3.14 控制结构框图Fig.3.14 Control structure block diagram控制软件是一个实时性很强的软件，为了实现机组并车等特定功能，对计算速度要求严格。故在主体上采用模块化结构，部分功能子程序则尽量减少子程序的调用和中间结果的存放，采用直接操作输入输出板的方法，加快程序运行速度，提高效率。监测软件框图如下所示：图3.15 数据库模块图Fig.3.15 Database module figure整个监测软件以数据库为核心，各个功能模块围绕数据库，形成星型状态连接，这使软件有很强的可移值性和维护性，可独立对部分程序模块替换、修改，而不会影响其它模块。3.7.3 监控界面简介自动化的船舶电站，应该有用户操作的可视化界面，通过用户界面可以随时观察、了解并掌握整个系统的工作状态，也可设定参数和向控制系统发出控制信号。监控界面7包括：(1)主监控界面：用来监控每台机组并显示机组和电网的各项参数。可设有报警显示按钮，出现故障时可点击查看具体报警项，除此，也能限制某些用户的权限，禁止或允许其对系统的操作。(2)原理界面：在此界面可以很清楚的知道与机组相关设备的系统原理图，各处开关的分、合闸情况，和有各种重要参数的显示。(3)并车界面：监测各机组的频率和电压且设有同步指示灯，还有各机组并车、解列的功能按钮，实现监控界面的操作。(4)故障报警界面：设置各项报警指示灯，在故障时，指示灯由绿变红。除此在相应报警项里可以修改限制参数值。(5)数据报表界面：一个可以反应过程中的数据、状态等，并对数据进行记录。可对实时报表和历史报表进行打印，方便了管理人员的统计分析。通过与上位机连接的鼠标和键盘，可以查看各个界面，也可以在这些界面上实行操作，读数据在线修改以满足对系统新的要求。上位还要有自动/手动切换按钮来转换控制方式，自动状态时，自动起动、并机、解列和停车等控制功能由系统的功能模块程序自动执行；而手动状态时，需管理人员在配电板的控制面板上操作。上位机的这些界面使得整个电站系统处于管理人员的实时监管之下，也使得管理人员的工作更加便捷。3.8 安全保护系统为了保证船舶电力系统安全可靠的供电，需要在电力系统中设置安全检测及保护功能8，避免不正常运行或故障情况的发生。在本系统的安全监测及保护程序中，对各种参数进行监测，一旦发生参数越限，立即执行相应的保护动作并给出报警指示。系统设置了欠压、过流、逆功率继电保护和过压、欠频、频率预调故障报警。3.8.1 欠压保护当调压器失灵或电网中发生持续性短路故障等原因，都将出现欠压现象。发电机组在欠压情况下运行将引起电机的电流增加、电动机转矩下降、发电机过热、绝缘损坏，这对发电机组本身和异步电动机的运行等都是不利的。所以一旦出现欠压现象，立即采取保护措施。程序检测经A/D转换后的电压值如低于保护动作限值，进行一次延时确认，若仍欠压，则将主开关断开。但在某些情况下，如电网突加负载时，发电机电压可能下降很大，这时应视为正常，欠压保护不该动作。程序中通过适当整定欠压限值和主开关动作时限来回避欠压保护环节的误动作。根据船舶规范规定:“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”。本系统取70为动作保护限值，欠压延时确认时间为4秒。3.8.2 过流保护当电网负载过大或并联机组间负荷分配很不均匀等原因，可造成发电机过流。长时间过流会引起发电机组过热、绝缘老化及损坏等，这对电站运行的寿命影响很大。所以应设置保护环节，当电流参数越限时，延时确认后主开关跳闸。规范规定：“电流过载10-50之间，经少于2min的延时断路器应分断；建议整定在发电机额定电流的125-135，延时15-30秒断路器分断”。本系统取125为保护动作限值，延时确认时间为20秒。3.8.3 逆功率保护发电机组并网运行时，若其中一台发电机组因调速器故障使燃油供油中断，或调频调载功能发生故障，会造成发电机组的逆功率运行，该同步发电机组并不是发出有功功率，而是从电网吸收功率。发电机组在逆功情况下运行对原动机是不利的，也会造成另一台机组因过载而跳闸，引起全船供电中断。逆功超过限值，延时确认后将逆功机组切除。同时发出报警指示。本系统整定逆功限值为10，延时确认时间为5秒。3.8.4 故障报警的设置除了启动失败、并车失败和电站逆功率报警外，电站自动化系统还要设置过压、欠频和频率预调故障报警。(1)过压当电网电压过高时，给出过压报警指示。本系统整定过压报警限值为10。(2)欠频当电网频率过低时，给出欠频报警指示。本系统整定欠频报警限值为46Hz。(3)频率预调故障在进行自动并车操作时，倘若频差较大，首先应进行频率预调。频率预调应在一定的调节时间内完成，否则视为预调故障。本系统设置频率预调时间限为10秒。若出现以上报警，则通过报警复位开关复位后，程序重新运行，完成相应的功能操作。4 系统联调与测试为了对所设计硬件结构及所编程序的正确性进行检测，必须对系统进行联调与仿真测试9。船舶电力系统在运行中，可能出现各种不正常运行和故障情况，主要有过载、短路、过压、欠压、过频、欠频和逆功率故障等。这些不正常运行或故障发生以后，往往会造成重要设备损坏或供电中断，从而带来极大的损失。因此，在所设计成果投入使用之前，对本系统进行仿真与调试是非常必要的。4.1 系统仿真将PLC与计算机相连，打开系统软件，新建一个项目，并建立连接，确保数据能够顺利传输。将系统上电，把各个模拟报警器和开关、按钮准确无误的与PLC的I/O相连接。图4.1 系统的仿真界面Fig.4.1 The simulation interface of the system软件新建项目的初始界面如图所示，将程序语句准确无误的输入到该项目中，进行错误检测后运行。按照电机员使用此系统的步骤进行模拟测试，检验此系统是否实现了机组的自动起动，并车运行，调频调载，重载询问，自动解列和自动停车，自动检测报警，安全保护动作的产生等等问题，通过一次次的查错、修改，最终完成了的目标。初步完成了基于PLC的船舶电站及其自动化系统的各种功能。控制系统功能的实现：系统运行后，打开主控模块的电源主开关，系统可自动进行起动，并车等一系列的控制操作。如果系统出现故障，控制系统可自动地使处于备用状态的机组迅速起动(不超过45s)，自动准同步投入电网运行；并网成功后，故障机组将负荷降低至不大于额定功率的10%时，自动脱离电网。 自动检测报警系统10功能的实现：人为的设置机组故障，观察自动检测报警系统是否发出一系列的声光报警信号，并对监测结果进行记录、打印，对超限参数进行记录。安全系统功能的实现：在系统正常运行时，人工设置故障，在自动检测报警系统发出声光报警的同事，观察安全系统是否做出相应的安全保护动作。系统仿真的结果说明本设计基本实现了设计的目标，满足设计的要求。4.2 系统调试在仿真的基础上对系统进行调试时非常重要的一环，该环节能够针对系统仿真中出现的问题对系统进行完善和修改，从而逐步使本方案更能满足现实需要。系统调试基本包括系统功能调试、可靠性调试和环境适应性调试。功能测试主要测试系统是否实现设计功能，诸如能否实现自动控制，自动检测和报警以及在机组故障的时候产生保护动作等。可靠性测试主要测试系统的可靠性。一个是定时器的可靠性，另一个是报警信号的可靠性。本系统用到多种定时器，要确保该定时器能够在时间上准确无误的发出信号指令。另外，报警系统也起着至关重要的作用，当出现紧急情况时报警系统必须第一时间发出报警，以便及时对故障进行处理。环境适应性测试也是必不可少的一个重要测试。船舶在海上航行时，会受到各种恶劣环境的考验，必须确保该系统能够正常稳定的工作。由于长时间的颠簸或者是受到各种腐蚀，系统线路容易发生老化产生短路或断路，该系统必须要能够保证线路和各个器件的可靠性，确保系统能够长时