基于PLC MCGS PPU的船舶电站的设计

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　　摘要：AHTS多用途工作船具有动力定位功能，主要用于海上打捞救助、海洋石油平台供应、散液货供应及远洋拖带功能等。基于船舶作业的安全需要和多功能化发展，一个可靠性高、功能齐全的船舶电站自动化控制系统是很有必要的。本文以具有DP2定位的AHTS船舶的电力系统（440V/60Hz）为平台，详细地阐述了船舶电站的设计过程和实现方法，采用西门子公司S7-200型可编程控制器和丹麦DEIF公司生产的多功能控制器（Paralleling and Protection Unit， PPU）模块以及MC-GS组态模块组成的电站自动化管理单元，设计了电站自动化程序控制流程，对其他船型的设计和研究提供了参考意义。
　　关键词：船舶电站;PLC;PPU：MCGS
　　中图分类号：TP311 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）35-0240-03
　　船舶电站是船舶最重要的组成部分。PLC作为电气自动化控制系统的主要组成部分，现已成为电气领域最具发展潜力的高新技术产品之一。而现代PLC具有使用范围广、抗干扰能力强及操作简单这三大优势，那么一个可靠性高、功能齐全的电站自动化控制系统通常采用PLC控制技术对船舶进行自动化控制。在这个前提下，对PLC的电站自动化控制系统的研究显得尤为重要。
　　1 船舶电站控制系统主要功能
　　该船舶在设计的过程中，结合了S7-200PLC、MCGS触摸屏以及PPU的优势，使电站坚固耐用、安全可靠。
　　本船设2台柴油发电机组，每台机组功率约为425KW，两台轴带发电机，每台机组为1200KW，一台应急发电机，功率为122KW。见图1船舶电站系统图。
　　1.1控制系统
　　控制系统具有可以自发处理电站在常规工作模式以及在DP特殊模式发生一系列故障的功能，并且能自动对电站功率、電压以及频率进行调节，还可以自动对各发电机组进行自启动、并车、解列等控制。
　　1.2自动监控报警系统
　　报警系统可以对电站其他设备的运行状态及各项参数进行实时的监控，监控对象主要包括：原动机、发电机、配电系统等，这些设备监控所产生的开关量、模拟量与报警系统所预设好的报警阀值进行比较，若超过报警阀值，报警器将会发出声光报警，提醒值班人员注意。报警系统还应在出现报警时，对报警项目进行醒目显示并进行记录、汇总。
　　1.3安全保护系统
　　安全系统是整个系统的关键，其作用是：在电站的运行过程中若发生严重危及电站运行的故障或其他危及DP工况模式时，安全保护系统可立即采取措施，进行相应控制或调节，以保护设备安全或人身安全。
　　2 船舶电站自动化主要硬件配置
　　该系统采用PC上位机、PLC控制器（西门子S7-200型）、MCGS触摸屏结合丹麦DEIF的PPU多功能控制器实现发电机组的保护、并联运行和功率分配功能等。PC上位机通过网络访问触摸屏监控软件，也可直接操作触摸屏控制PLC实现对下位机的控制。监控界面可实时通过触摸屏显示各发电机工作状态以及状态参数、报警指示以及报警记录的查询等操作。系统结构框图如图2所示：
　　S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-200选用的是型号CPU 226CN DC/DC/DC，24输入/16输出，2个RS485通讯/编程口，在本系统设计中，需要对PLC的I/O口进行扩展。可通过自带编程软件将S7-200组态作为MODBUS RTU主站设备工作，并与1个或多个MODBUS从站设备通讯，且可与机舱监测报警系统的数据进行交互。
　　PPU是整个船舶电站的核心，该系统选用丹麦DEIF生产的发电机并联保护控制单元PPU。PPU可被作为S7-200的从站工作。在船舶电站正常工作时，PPU可以保持动、静两种状态运行，对发电机关键参数进行动态监控与调节并、保护。同时，PPU与PLC之间的相互交互作用，可以实现对发电机运行状态的动态控制，在这种情况下可以省去上位机的数据传输，减少了系统中数据的传输量，提高了监控系统运行的稳定性。PPU可通过开关量和模拟量输入输出或串口通讯与PLC连接。PPU的主要功能如下：
　　（1）发电机的同步并车、负载分配与调节、频率控制、逆功率保护等功能
　　（2）发电机的电压、电流监测与实时保护
　　（3）发电机的起动停止控制
　　（4）根据油压、冷却水温度的模拟量值和交流频率的测量值来进行发动机保护。
　　MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司生产的一款用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。本船舶电站系统非常适合采用这款组态软件作为上位机，能够实时动态地显示船舶电站的工作状态并进行适当的人为控制。操作人员可以轻易地了解到整个系统中各个设备的运行状态及安全状况，各个设备的运行开关、仪器仪表以及一些报警设备都可以直观地显示在上位机的操作界面上，使得操作者可以轻易地操作船舶电站的监控系统，同时可视化的操作界面也可以很好地避免出现误操作。
　　3 船舶电站的自动化程序设计
　　3.1电站手动模式
　　两台主发电柴油机之间的手动并车以及主发柴油机与轴带发电机之间的手动并车（在特定工况下，需要将主发电机与轴带发电机进行短暂并车，将主发电机所带负载转移至轴带发电机或将轴带发电机所带负载转移至主柴油发电机）：当任意发电机对电网供电，需要并另一台发电机时，将模式开关打到“手动”，并将同步选择开关选择到相应的待并发电机，手动调节待并机转速并观察同步表指针或同步指示灯，在满足条件时，手动合上待并机组同时断开同步表，并手动调节负载分配。 　　3.2电站半自动模式
　　3.2.1柴油发电机组之间的半自动并车
　　当柴油发电机对电网供电，需要另一台柴油发电机并网时，只需要启动该发电机，同时将该发电机的模式开关置于“自动”模式，待电压建立成功后，发电机绿色指示灯亮，电站将自动调节待并机的转速（如有需要，可随时将模式开关置于手动位置，自动并车功能取消），满足同步并车条件时，PLC发出自动合闸指令，合闸成功发电机并联运行，自动调节负载分配。或者直接按下柴油发电机的“自动启动/并车”按钮，发电机将自行启动并完成并车功能等相关操作。
　　3.2.2柴油发电机的半自动解列
　　无论是置于手动模式还是自动模式，只需直接按下“自动解列”按钮，发电机红色指示灯亮，自动电站自动降低解列机组负载，当解列机组负载功率低于5%额定值时，自动分断解列机组主开关，解列成功，经过3min延时冷却后，自动停止柴油机。
　　3.2.3轴带发电机与柴油发电机组之间的半自动并车
　　当任一柴油发电机对电网供电，需要切换到轴带发电机时，当主机正常运转并发出速度恒定信号，将轴带发电机的模式开关置于“自动”模式，PLC将对轴带发电机自动励磁并待电压建立成功后自动调节主机的转速，满足同步并车条件，自动发出轴带发电机合闸指令，合闸成功两台发电机并联运行。但由于轴带发电机与柴油发电机的额定功率不一致，只能短时间并联运行以作转移负荷之需。此时需要手动按下柴油发电机的“自动负荷转移”按钮，柴油发电机将自动解列，在解列成功后并延时3分钟停车。
　　3.3电站自动模式
　　根据功能要求，简单的I/O地址分配如表1所示。DG1与DG2为柴油发电机，SG1与SG2为轴带发电机，BT1与BT2为两台艏侧推，ST为一台尾侧推。ST1 ACB与ST2 ACB能够在失电的时候进行自动切换。
　　3.3.1汇流排失电（DP工况）
　　两台轴带发电机独立工作，各自向汇流排A1与B、A2与C供电。见图1。DG1和DG2均设置在自动模式，当BUS BAR A1或BUS BAR A2任一汇流排因故障失电时，PLC将发送控制命令给相应的柴油发电机，启动柴油发电机自动合闸并投入运行，快速恢复汇流排A1或A2的供电，为及时恢复船舶动力减少所耗费的时间。当汇流排B或C失电时，PLC将发送合闸命令给ST2 ACB或ST1 ACB，自动进行供电切换操作，切换完成后尾侧推自动启动并投入运行，保持了侧推的冗余性。DP因故继续保持工作，确保了船舶的可操作性与安全性。
　　3.3.2汇流排失电
　　当一台柴油发电机在网运行，主机速度恒定，轴带发电机设为第一第二备用时，当电网因故失电，自动电站对第一备用轴带发电机发出合上励磁开关指令，对轴带发电机进行励磁，电压建立成功后发出合闸指令，轴带发电机主开关自动合闸并投入电网运行。若第一备用投入失败，自动转入第二备用。
　　當一台轴带发电机在网运行，另两台柴油发电机设为第一第二备用时，当主电网失电，第一备用柴油发电机将自行启动，启动成功并建立电压后将发出合闸指令，备用发电机主开关自动合闸恢复供电。若启动失败或者合闸失败，均发出报警提醒值班人员注意。若第一备用投入失败，自动转入第二备用。
　　当一台柴油发电机在网运行，另一台柴油发电机设为第一备用且轴带发电机不投入运行时，当电网因故失电，第一备用柴油发电机将自行启动并投入运行，恢复电网供电。若启动失败，将发出失败报警。
　　3.3.3超载
　　当在网柴油发电机功率不小于85%，另一柴油发电机设为第一备用模式，发电机将自行启动并自动并车投入运行。
　　3.3.4轻载解列
　　当两台柴油发电机并网运行并均设为自动模式，发电机电网总功率不大于总功率的30%即250KW，经过30分钟延时，电站发出DG1自动解列指令，待DG1负载低于额定负载的10%时，发出分闸指令，并经过3分钟的延时，停止DG1柴油机的运行。见程序设计图3。
　　3.3.5重载询问
　　当轴带发电机投入运行，驾驶台发出启动侧推信号时，PLC会给出一个允许启动信号，侧推器将被允许启动并投入运行。若轴带发电机未能投入运行，则发出启动失败信号并报警。
　　4 结束语
　　综上所述，本船舶电站系统功能完善，工作可靠，设计符合DP2对船舶电站系统的要求。本文的研究不仅是为三用工程船开发的船舶电站设计，更重要的是对船舶电站监控系统的基本构成进行了分析，并设计了基于PLC的船舶电站监控系统，基本实现了对于船舶电站工作状态的自动化监控，并能更为直观地让工作人员了解到船舶电站各设备的运行数据变化趋势。
　　参考文献：
　　[1]崔守娟，蔡婷婷，栾荣华.基于PLC和PPU的船舶电站自动化系统设计[J].江苏船舶，2016，33（05）：23-25+43.
　　[2]张桂臣，任光.基于PLC的船舶主机遥控系统设计与实现[J].船舶工程，2007（04）：65-68.
　　[3]杜一民.基于PLC的船舶电站控制系统设计与应用[J].电子世界，2018（16）：137.
　　[4]蒋晓峰，施伟锋，刘以建，等.基于触摸屏和PLC的船舶电站监控系统设计[J].电力自动化设备，2011，31（1）：122-125.
　　[5]潘俊宇.船舶发电机组自动准同步并车的保护系统设计[J].内燃机与配件，2018（7）：212-213.
　　【通联编辑：光文玲】
　　收稿日期：2019-08-27
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