基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)設(shè)計方案及對策設(shè)計精

1、-. z.大學(xué)海運學(xué)院2011屆本科畢業(yè)論文(設(shè)計基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計Design of Automatic Control System of Marine Ship Power Station Base on PLC誠信承諾我謹(jǐn)在此承諾:本人所寫的畢業(yè)論文基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計均系本人獨立完成,沒有抄襲行為,凡涉及其他作者的觀點和材料,均作了注釋,若有不實,后果由本人承擔(dān)。承諾人(簽名:年月日目錄1緒論 (11.1船舶電站自動化系統(tǒng) (11.1.1 船舶電站的組成及特點 (11.1.2 船舶電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀 (11.2 PLC在船舶電站自動化系統(tǒng)

2、中的應(yīng)用 (11.2.1 PLC概述 (11.2.2 PLC的工作原理 (21.2.3 PLC在船舶電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢 (21.3 本文的主要容和結(jié)構(gòu)安排 (32船舶電站自動化管理系統(tǒng) (42.1船舶電站自動化管理系統(tǒng)的總體構(gòu)成 (42.2船舶電站自動化管理系統(tǒng)主要功能 (42.3集散式船舶電站管理系統(tǒng) (52.3.1 集散式電站 (52.3.2 信號的采集及處理 (62.3.3 檢測單元的設(shè)計 (73集散式船舶電站管理系統(tǒng)的功能流程 (93.1機組的自動起動模塊及流程圖 (93.2并車運行模塊及流程圖 (103.3調(diào)頻調(diào)載模塊及流程圖 (113.4重載詢問模塊及流程圖 (123.5自

3、動解列和自動停機模塊及流程圖 (134船舶電站管理系統(tǒng)的監(jiān)控單元設(shè)計 (154.1上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能 (154.2工業(yè)PC機控制軟件和監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu) (154.3設(shè)計監(jiān)控界面 (164.4船舶電站自動化的發(fā)展展望 (175總結(jié) (19致 (20參考文獻(xiàn): (21附錄附錄一、文獻(xiàn)綜述附錄二、外文翻譯基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計恒(專業(yè):輪機工程*:074120230指導(dǎo)老師:剛摘要:本文以兩臺發(fā)電機組的船舶電站為例,在論述自動化電站功能和要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計了集散控制式系統(tǒng)。下位機以PLC做為主要控制裝置,上位機用工業(yè)PC機作為管理裝置。本文將電站的控制功能模塊化,再設(shè)計出各模塊的流程,然

4、后將各模塊有機的結(jié)合,以實現(xiàn)電站的綜合自動控制。在這種點對點的控制系統(tǒng)中,下位機可以完成發(fā)電機組的起動、停機控制、調(diào)頻調(diào)載及機、電故障處理等;上位機進(jìn)行機組的并聯(lián)運行、解列和重在詢問等。同時,上位機的人機界面可以顯示、記錄機組的運行狀態(tài)和主要參數(shù)。這種集散式控制系統(tǒng)充分體現(xiàn)了分散控制和集中管理的優(yōu)點。關(guān)鍵詞:船舶電站;自動控制系統(tǒng);PLC;集散式控制系統(tǒng)。Design of Automatic Control System of Marine Electric PowerPlant Base on PLCZhang Heng(Speciality:Marine Engineering Stud

5、ent ID: 074120230Supervisor:Zhang GangAbstract:This thesis take marine electric power plant which base on two generators for an e*ample and designed a distributed control system after discussed the function and requirement of automatc ship power station.The station uses PLC as main control device an

6、d industrial puter as management device.This thesis make the control function modular firstly,and then designed each module control process,bined the modules organic finally in order to realize the synthetical automatic control function. In this point-to-point control system,the PLC can acplish the

7、function which including automatic start and stop the generator,the frequency and load regulation, and treatment of machine or electric fault,etc.The upper puter realized automatic paralleling,disengaging,and asking overload,etc.Meanwhile Human-Machine Interaction can display and record the generato

8、rs 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;Programmable Logic Controller;Distributed Control.1緒論1.1船舶電站自動化系統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)是孤立于陸地的獨立電網(wǎng),它是產(chǎn)生、輸送、分配、使用電能的裝置和用電

9、網(wǎng)絡(luò)的總稱,它由用電設(shè)備、裝配電裝置、發(fā)電裝置和電纜等組成。其舶電站是船舶所需的全部電能的來源,處于船舶電力系統(tǒng)的核心地位。1.1.1 船舶電站的組成及特點船舶電站由原動機、發(fā)電機和附屬設(shè)備(組合成發(fā)電機組及配電裝置組成。發(fā)電機組是把機械能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電設(shè)備;配電裝置是接收船舶發(fā)電機組所產(chǎn)生的電能,并對所有電力負(fù)載進(jìn)行配電的開關(guān)和控制設(shè)備的組合裝置,也是對電力系統(tǒng)進(jìn)行測量、監(jiān)視、保護(hù)的控制裝置1。船舶電站的主要特點是容量相對較小。當(dāng)起動*些大容量負(fù)載起動時,發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降,從而使發(fā)電頻率和電壓大幅波動,同時將沖擊電網(wǎng),使電網(wǎng)電壓、頻率大幅度下降,因此,要求發(fā)電機組要具有較大的承載能力和維持電

10、站穩(wěn)定運行的能力。1.1.2 船舶電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀船舶電站自動化裝置經(jīng)歷了采用繼電器控制技術(shù)、晶體管分立元件控制技術(shù)、集成數(shù)字電路、模擬電路控制技術(shù)、微處理機控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)。目前我國船舶電站自動化裝置的研制和生產(chǎn)水平相對較低,船用電站管理系統(tǒng)國產(chǎn)化率很低,大約有90%來自國外,而國外采用PLC控制技術(shù)研制的船舶電站自動化系統(tǒng),功能完善,技術(shù)先進(jìn),但是技術(shù)壟斷嚴(yán)重2。隨著計算機信息處理技術(shù)的發(fā)展,船舶電站自動化系統(tǒng)正朝著集散型控制系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)式或分布式控制系統(tǒng)的方向發(fā)展3。船舶自動化電站是集自動控制、報警和監(jiān)測于一體化的監(jiān)控系統(tǒng),涉及到現(xiàn)代控制技術(shù)、通訊、信息處理、數(shù)字化信息技

11、術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科和技術(shù)。這就需要研究控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等,船舶電站正以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等方式向船舶電站綜合自動化這樣高級階段發(fā)展4。目前我國的船電自動化系統(tǒng)還處于研究階段,只有在局部的環(huán)節(jié)取得成果,尚不能投入全面使用,所以研究船舶電站自動化,早日實現(xiàn)國產(chǎn)化意義重大。1.2PLC在船舶電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用1.2.1 PLC概述國際電工委員會(IEC頒布的可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)及其定義:可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計,它采用可編程序的儲存器,用來在其部存儲程序,執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)等操作的命令,并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出,

12、控制各鐘類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備,都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體,易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計”?？删幊炭刂破?Programmable Logic Controller簡稱PLC,是一種工業(yè)控制器件。它是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制結(jié)合的產(chǎn)物。PLC這種專用的工業(yè)控制機,它的組成與計算機基本相同,也是由硬件和軟件系統(tǒng)兩部分組成。PLC的組成方框圖如下圖所示:PLC的硬件系統(tǒng)由主機、輸入輸出擴(kuò)展機及外部設(shè)備三部分組成。主機由中央控制單元、存儲器、輸入輸出單元、輸入輸出擴(kuò)展總線接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成,各部件通過由電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成的部系統(tǒng)總線

13、進(jìn)行連接;輸入輸出擴(kuò)展機是輸入輸出單元的擴(kuò)展部件;外部設(shè)備主要是編程器、圖形顯示器等。PLC軟件由系統(tǒng)程序、和用戶程序兩大部分組成。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。用戶程序包括各類畫面的操作顯示程序,也有人機界面的有關(guān)軟件,用戶可以根據(jù)制造商提供的軟件使用說明進(jìn)行操作站的系統(tǒng)畫面組態(tài)和編制相應(yīng)的應(yīng)用程序5。1.2.2 PLC的工作原理PLC的工作原理與計算機的工作原理是基本相似,它通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制任務(wù)。但是,在時間上PLC執(zhí)行的任務(wù)是串行的,與繼電器邏輯控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的執(zhí)行有所不同,PLC整個工作過程是以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行。循環(huán)掃描方式是指在

14、執(zhí)行程序的過程中,對各個過程輸入信號進(jìn)行收集,對收集信號進(jìn)行處理和計算,并把計算結(jié)果輸出到生產(chǎn)過程的執(zhí)行機構(gòu)去。這種循環(huán)掃描的方式,不斷地對輸入和輸出變量進(jìn)行收集、計算和輸出,使得變量滿足程序條件,并且相應(yīng)的輸出使執(zhí)行結(jié)構(gòu)動作。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展,其集成度越來越高,網(wǎng)絡(luò)及通信功能越來越強,可靠性和控制功能越來越好,這些都使PLC更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域當(dāng)中6。1.2.3 PLC在船舶電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢船舶電站控制有控制動作復(fù)雜、頻繁的特點,且有較多的接觸器作為執(zhí)行器。一般的PLC都有幾百個部輔助繼電器,而且還有多種專用的部繼電器,可以滿足一般的控制要求,唯一需要做的就是對PLC進(jìn)

15、行編程。同時,PLC在船舶電站抗干擾方面也有其極大的優(yōu)越性。另外,PLC與繼電器控制比較有運行速度快、可靠性和壽命高的優(yōu)點。PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點7:(1更改控制邏輯只需修改軟件,無需對硬件做改動;(2程序可以復(fù)制,批量生產(chǎn)容易;(3電氣硬件設(shè)計大大簡化;(4由于PLC除有繼電器功能外,尚有多種其他功能,可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能,實現(xiàn)*種程度上的智能化,并有可能使機構(gòu)簡化;(5可靠性高;(6具有擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊,當(dāng)需要較多的I/O時可以方便的擴(kuò)展。1.3本文的主要容和結(jié)構(gòu)安排本文主要容是以兩臺發(fā)電機組的電站為例,采用PLC的工業(yè)控制技術(shù)和工業(yè)PC機,設(shè)計了基于PLC

16、控制的船舶電站自動化的集散式管理系統(tǒng)。設(shè)計電站以兩臺發(fā)電機組為例,下位機PLC 可通過輸入輸出接口與發(fā)電機組和現(xiàn)場儀表相連接,與上位PC機通過網(wǎng)絡(luò)連接。上位機的人機界面設(shè)計機各種界面,在設(shè)計的界面上可以顯示機組的狀態(tài)和各主要參數(shù),輪機員通過各種界面能觀察和操作機組。結(jié)構(gòu)的安排:(1首先充分論述自動化電站的組成、原理、功能、要求,在了解控制器功能和監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上,選擇了集散式船舶管理系統(tǒng)。(2在集散式系統(tǒng)下,設(shè)計實現(xiàn)了PLC控制的發(fā)電機組的自動起動、自動并車運行、自動頻率和負(fù)載調(diào)節(jié),重載詢問、自動解列以及自動停車的流程。(3在上位機上提出幾種設(shè)計界面設(shè)計,實現(xiàn)對電站的分散控制和集中管理功能。2

17、船舶電站自動化管理系統(tǒng)2.1船舶電站自動化管理系統(tǒng)的總體構(gòu)成船舶電站的自動化管理系統(tǒng)一般由電站自動控制、監(jiān)測報警和安全系統(tǒng)組成8:(1控制系統(tǒng):能實現(xiàn)發(fā)電機組的自動起動、并車和解列,還可以實現(xiàn)電站功率的自動管理及電壓、頻率的穩(wěn)定,且可處理電站中出現(xiàn)的故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障,控制系統(tǒng)可自動地使處于備用狀態(tài)的機組迅速起動(不超過45s,自動準(zhǔn)同步投入電網(wǎng)運行;并網(wǎng)成功后,故障機組將負(fù)荷降低至不大于額定功率的10%時,自動脫離電網(wǎng)。(2自動檢測報警系統(tǒng):此系統(tǒng)的主要功能是自動地實施監(jiān)測電站各設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù),有原動機、發(fā)電機、配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)、機械參數(shù)和運行狀態(tài),檢測量包括開關(guān)量和模擬量。其次,

18、系統(tǒng)會將監(jiān)測量實時與設(shè)定的限制值進(jìn)行比較,若被測量超限,將發(fā)出相應(yīng)的聲光報警信號。最后,系統(tǒng)可以對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行記錄、打印,并對超限參數(shù)進(jìn)行記錄。(3安全系統(tǒng):自動化電站應(yīng)設(shè)安全系統(tǒng)。如果電站控制和監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生危及電站系統(tǒng)的各主要設(shè)備安全的嚴(yán)重故障時,安全系統(tǒng)能自動產(chǎn)生保護(hù)動作,避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。自動化管理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖:2.2船舶電站自動化管理系統(tǒng)主要功能自動化電站管理的主要容包括錯誤!未定義書簽。:(1發(fā)電機組起動前的準(zhǔn)備工作:中國船級社對自動化船舶的有關(guān)規(guī)定是船舶電網(wǎng)失電應(yīng)在45s (國外有些是30s恢復(fù)供電,所以自動化電站停車狀態(tài)下的備用機組應(yīng)事先做好準(zhǔn)備工作。關(guān)鍵的

19、準(zhǔn)備工作是發(fā)電柴油機的預(yù)熱和預(yù)潤滑。(2發(fā)電機組的自動起動:當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加使運行機組重載時、運行機組發(fā)生機電故障和*機組起動失敗或不能合閘時,電站管理系統(tǒng)能自動地發(fā)出起動指令使備用機組迅速自動起動,在起動成功后建立壓力后投入電網(wǎng)供電。(3發(fā)電機組的自動并車:通過采集電壓、頻率的基本參數(shù),經(jīng)過一定的計算發(fā)出調(diào)頻及合閘指令,使待并機與電網(wǎng)上的機組并聯(lián)運行。(4并聯(lián)運行中的功率分配與頻率調(diào)整:兩臺機組并聯(lián)運行供電時,通過原動機調(diào)速器和自動調(diào)頻調(diào)載裝置配合工作,使電網(wǎng)維持在穩(wěn)定頻率,且使并聯(lián)運行機組按容量成比例的承擔(dān)負(fù)載。(5運行機組臺數(shù)的管理:在完全滿足船舶電站供電質(zhì)量的前提下,使機組以最經(jīng)濟(jì)的管理

20、模式運行,充分利用每臺機組的功率,降低發(fā)電成本。(6重載詢問:大功率負(fù)荷起動大,管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負(fù)荷與起動的大功率負(fù)荷是否超過運行機組的最大允許負(fù)荷率。若滿足,則允許其啟動,否則,應(yīng)先起動另一臺備用發(fā)電機,使之并網(wǎng),然后允許其起動。(7機組故障的自動處理與報警及負(fù)載自動分級:系統(tǒng)設(shè)有故障處理模式與對應(yīng)的故障相匹配。自動分級卸載:確保重要設(shè)備連續(xù)供電,在過載的情況時將非重要負(fù)載自動切斷。(8機組自動、故障狀態(tài)下解列、停機控制:輕載或故障需要停機時,并網(wǎng)運行機組先自動轉(zhuǎn)移負(fù)載,再按順序使運行機組逐臺退出電網(wǎng),然后停車。(9機組的保護(hù):自動化電站除了設(shè)有和基本電站一樣的過載、短路、欠壓和逆功率保護(hù)

21、外,還設(shè)有欠頻保護(hù)、高壓保護(hù)、次要負(fù)荷的分級卸載等,進(jìn)一步的提高了供電質(zhì)量和電網(wǎng)的連續(xù)供電。(10運行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視:現(xiàn)代電子觸摸屏通過編程可以在屏幕上以畫出主配電板、發(fā)電機組、主開關(guān)等電器元件的狀況,除此之外也有開關(guān)、按鈕等指令開關(guān)。總之,觸摸屏不僅有顯示功能,而且還有操作功能。(11運行系統(tǒng)給定參數(shù)的監(jiān)視與修改:系統(tǒng)支持參數(shù)的監(jiān)視與在線修改,PLC技術(shù)可將設(shè)計編制的程序及各種參數(shù)存放在隨機存儲器RAM中,方便在線修改。自動化系統(tǒng)的方框圖如下9:2.3集散式船舶電站管理系統(tǒng)集散控制形式是每臺發(fā)電機組配置PLC(或微機控制裝置,主要控制發(fā)電機組的起動、停機以及處理機電故障等,上面有一套PL

22、C(或微機控制裝置主要進(jìn)行并聯(lián)運行、功率管理及信息通信等管理控制。此外,系統(tǒng)的通訊接口可以與個人電腦相連,在電腦顯示屏用文字和圖形來顯示各種參數(shù)及相關(guān)機組、主開關(guān)等電器狀態(tài)。2.3.1集散式電站集散式管理系統(tǒng)由PLC控制機組,然后再把信息與工業(yè)PC機共享,它們共同來完成電站運行的自動控制和自動管理?？傮w框圖如下圖所示:圖4 電站管理系統(tǒng)的總體功能框圖工業(yè)PC控制機置于集控中,作為操作系統(tǒng)的操作管理裝置。電站系統(tǒng)各下位機的監(jiān)測控制和信息管理由工業(yè)PC控制機來完成,除此,亦可顯示電站系統(tǒng)任何運行過程的全部信息,并存儲在存儲器中,必要時可以被其它系統(tǒng)調(diào)用。在上位機上可以修改系統(tǒng)*些設(shè)置參數(shù),并能以指

23、令的形式傳遞到下位機中,來對電站運行過程進(jìn)行控制。系統(tǒng)操作站是系統(tǒng)的人機接口,是控制系統(tǒng)與操作管理人員的接口界面10。本文所設(shè)計的集散式電站管理系統(tǒng)將各臺發(fā)電機組的控制功能分散化。兩臺PLC的控制作用由工業(yè)PC機進(jìn)行協(xié)調(diào),來完成整個電站的監(jiān)控任務(wù)。集散式船舶電站管理系統(tǒng)的主要優(yōu)點是以數(shù)據(jù)通信為紐帶,完成過程的分散控制、監(jiān)控和信息集中管理等一系列工作。另外,本系統(tǒng)還具有如下優(yōu)點11:(1改善了系統(tǒng)的運行可靠性,單元故障只影響局部,而且具有自診斷、報警功能;(2構(gòu)成靈活,擴(kuò)展方便。采用了標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊和軟件模塊,可以靈活組建,而且采用了局域網(wǎng),系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便。2.3.2 信號的采集及處理PLC與

24、發(fā)電機組之間的信號傳輸與電網(wǎng)、發(fā)電機和柴油機之間傳遞的信號如下圖所示9:圖5 PLC與發(fā)電機組之間的信號傳遞圖(1關(guān)于電網(wǎng)的信號電網(wǎng)電壓、總電流、總電網(wǎng)頻率、頻率和有功功率及各空氣開關(guān)線圈的開關(guān)狀態(tài)。(2關(guān)于發(fā)電機的信號發(fā)電機端電壓、電流、頻率、有功功率、發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓的相位差和發(fā)電機繞組溫度。(3關(guān)于柴油機的信號起動空氣瓶壓力、滑油溫度和壓力、各缸排煙溫度、排煙總管溫度、冷卻水壓力和溫度和柴油機飛輪轉(zhuǎn)速。(4PLC測控單元的控制信號(模擬量和開關(guān)量柴油機組升速和減速脈沖、柴油機組起動和停機、發(fā)電機并網(wǎng)合閘和脫網(wǎng)。2.3.3 檢測單元的設(shè)計機組的測量控制單元包括模擬量輸出/輸入、開關(guān)量輸

25、出/輸入、鍵盤輸入、聲光報警等。測量控制單元原理框圖如圖下所示12:數(shù)據(jù)采集單元主要采集信息有:電壓、頻率、相位、溫度、壓力、液位、轉(zhuǎn)速和功率等,及時反映控制對象的狀態(tài),發(fā)出必要的調(diào)節(jié)指令,以滿足控制要求。上位的工業(yè)控制機可以實現(xiàn)控制、顯示、記錄和打印的功能。3集散式船舶電站管理系統(tǒng)的功能流程本文首先把集散式船舶電站管理系統(tǒng)的功能劃分為不同的模塊,并把它們作為子程序,設(shè)計實現(xiàn)這些子程序的流程圖,然后,主程序?qū)⑦@些子程序有機結(jié)合,來完成對電站的自動化管理。設(shè)計的各主要模塊有:自動起動模塊、并車運行模塊、調(diào)頻調(diào)載模塊、重載詢問模塊、自動解列模塊和自動停機模塊。系統(tǒng)主程序的工作原理:自動巡回檢測電站

26、的主要參數(shù)和工作狀態(tài),針對不同的參數(shù)和狀態(tài)做出邏輯分析和綜合計算,判斷當(dāng)前需要完成哪些工作,從而決定調(diào)用哪一個功能子程序來完成該工作,被調(diào)用的功能子程序一旦執(zhí)行完畢,又返回主程序中繼續(xù)巡回檢測,整個系統(tǒng)就如此反復(fù)地運行13。3.1機組的自動起動模塊及流程圖要起動發(fā)電機機組的情況有:電站儲備功率不足需要增加機組時、運行機組故障需要換機時、或者電網(wǎng)失去電時。對自動化系統(tǒng)的電站就會自動發(fā)出起動指令。下圖為具有三次起動功能的起動流程2:圖7 發(fā)電機組起動程序流程當(dāng)系統(tǒng)檢測到電站儲備功率不夠時,就會產(chǎn)生增機指令,與此同時需起動機組起動的邏輯條件也應(yīng)被檢測,只有起動的邏輯條件滿足,才發(fā)出起動指令。當(dāng)檢測到

27、機、電故障時,根據(jù)故障的級別進(jìn)行處理,若是嚴(yán)重故障,先停故障機,在起動備用機;若是較嚴(yán)重故障,先起動臺備用機組,并網(wǎng)后解列故障機。在自動起動過程中,還必須對機組是否成功起動進(jìn)行檢測,若不是三次起動,在一定時間間隔后,重新起動;若機組起動三次仍不成功,則向上位機報告,聯(lián)系另一臺PLC,起動其相應(yīng)的機組。同時,發(fā)出起動失敗”的聲光報警。在起動備用機組用完的情況下,發(fā)出備用機組用完”的指示報警。機組起動成功后,在一定時間未建立電壓,則停機和發(fā)出聲光報警。若電壓成功建立,則轉(zhuǎn)入單機調(diào)頻程序或自動并聯(lián)程序。3.2并車運行模塊及流程圖投入電網(wǎng)并聯(lián)運行的發(fā)電機,不能與電網(wǎng)立即接通,否則將導(dǎo)致并車失敗,嚴(yán)重時

28、會導(dǎo)致全船失電,機組也會受到電磁的和機械的有害沖擊。因此,并車時應(yīng)使合閘沖擊電流最小,合閘后能迅速進(jìn)入同步并聯(lián)運行14。為此并車必須滿足的下列條件:(1檢測電網(wǎng)與待并發(fā)電機的電壓差、頻率差和相位差,當(dāng)不符合并聯(lián)運行要求時,繼續(xù)巡回檢測。(2檢測電網(wǎng)與待并發(fā)電機的電壓頻率差,并根據(jù)頻差對待并機頻率發(fā)出調(diào)節(jié)信號,使兩者之間頻率差減小,當(dāng)其與電網(wǎng)頻率接近設(shè)定要求時,就可滿足合閘條件。(3當(dāng)相位差、電壓差和頻率差在系統(tǒng)設(shè)定圍時,提前發(fā)出合閘指令,實現(xiàn)自動準(zhǔn)同步并聯(lián)運行。并車合閘流程圖如下:圖8 并車合閘流程從上圖中可以看出,當(dāng)接到并車指令時,系統(tǒng)分別先檢測電網(wǎng)和待并機電壓差、頻率差和相角差,而實際操作

29、電站要按船舶電站的規(guī)要求設(shè)定。規(guī)要求的并車條件:電壓差整定圍為5% U額定;頻率差整定圍為0.2Hz;相位差為15的電角度。主開關(guān)接到指令后,從開始動作到主觸頭閉合要經(jīng)過一定的時間,考慮的這個問題,合閘指令應(yīng)該提前發(fā)出。要根據(jù)主開關(guān)合閘時間來確定設(shè)定的提前時間,可用核定超前時間法。合閘時間越短越有利于同步操作,而PLC按掃描的原理工作,因此PLC系統(tǒng)的運算周期就是PLC的掃描周期。而PLC控制器的運算數(shù)度都在每千步邏輯指令在1ms以。用恒定超前時間法發(fā)出合閘指令,先把電網(wǎng)和待并機的正弦電壓通過波形變化變?yōu)橥l方波,然后對電網(wǎng)電壓和待并機的電壓檢測計算,來得到合閘指令提前時間。原理如圖所示15:

30、若設(shè)主開關(guān)的設(shè)定值為t則有如下關(guān)系:t=t(T電網(wǎng)-T待并機/ T待并機從上式中可以看出,用算出的T電網(wǎng)-T待并機和設(shè)定的主開關(guān)固有時間t,就可得出待并機滯后時間t。在待并機頻率大于電網(wǎng)的頻率的情況下,t值是不斷的在減小的,所以測得t值小于計算出的t值時發(fā)出合閘脈沖。3.3調(diào)頻調(diào)載模塊及流程圖調(diào)頻調(diào)載又叫自動負(fù)荷分配,它的基本功能是自動維持電網(wǎng)的頻率恒定,按參與并聯(lián)運行各機組的容量以既定的比例分配各機組的負(fù)荷。當(dāng)接受到解列”指令時,能自動控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移,待其負(fù)荷接近5%額定功率后,使其主開關(guān)跳閘脫網(wǎng)16。船舶電站系統(tǒng)由于負(fù)載經(jīng)常變化,特別是在大功率的起動和停止時,將引起運行機組的轉(zhuǎn)速的變化,從而

31、引起電網(wǎng)頻率的變化。發(fā)電柴油機本身具有調(diào)速器,可以保證轉(zhuǎn)速處于規(guī)之?，F(xiàn)代船舶電站為提高供電質(zhì)量,大多在電站中裝有自動調(diào)頻調(diào)在裝置(簡稱頻載調(diào)節(jié)器,在調(diào)速去動作之后存在固定偏差時,在進(jìn)行調(diào)解。頻載調(diào)節(jié)器的控制信號是頻率差與功率差的合成信號,經(jīng)放大、判別后控制伺服電機,來調(diào)節(jié)發(fā)電機油門來調(diào)整轉(zhuǎn)速。可見,頻率的調(diào)整及有功功率的分配可以有調(diào)速器和頻載調(diào)節(jié)裝置共同來完成。圖中的A值由系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度決定,一般按并小于2%、功率差小于5%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定。電站供電質(zhì)量由并聯(lián)運行的機組頻率的恒定和有功功率成比例分配所決定。維持電網(wǎng)頻率恒定及有功功率轉(zhuǎn)移可由原動機調(diào)速器改變油門的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),也可另設(shè)調(diào)頻調(diào)載單元。

32、恒頻和成比例分功流程控制圖如下2:電站頻率的調(diào)節(jié)分為單機調(diào)節(jié)和并機調(diào)節(jié),其實質(zhì)都是改變柴油機油門的開度的大小。單機調(diào)節(jié)比較簡單,只是調(diào)用單機調(diào)頻程序,在此不用再做討論。并機調(diào)節(jié)較復(fù)雜,要得到偏差值e(由電網(wǎng)和待并機的頻率差和功率差組成,偏差值e作為調(diào)節(jié)信號。當(dāng)偏差值的絕對值小于設(shè)定值時,調(diào)節(jié)過程結(jié)束,若偏差值小于零時,開大柴油機油門,使柴油機加速;當(dāng)偏差值大于零時,減小柴油機油門,使柴油機減速。在兩臺機組并聯(lián)運行時,電站負(fù)荷的頻繁變化會引起電站頻率的變化,而且負(fù)荷的分配也要比例,否則會造成逆功率,危害電站穩(wěn)定供電。3.4重載詢問模塊及流程圖重載詢問:大負(fù)載投入電網(wǎng)前,管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負(fù)荷與起

33、動的大功率負(fù)荷是否超過運行機組的最大負(fù)荷率。若滿足,則允許其啟動,否則,應(yīng)先起動另一臺備用發(fā)電機,使之并網(wǎng),儲備功率達(dá)到要求,則允許其起動,若達(dá)不到要求則禁止重載起動信號。重載詢問模塊的功能是合理的管理電站,防止重載起動的沖擊對電網(wǎng)造成故障,從而達(dá)到電站穩(wěn)定連續(xù)供電的要求。其流程圖如下:3.5自動解列和自動停機模塊及流程圖發(fā)電機組可分為自動停機與故障應(yīng)急停機。所謂自動停機,就是并網(wǎng)輕負(fù)荷時的自動減機,出現(xiàn)嚴(yán)重故障停機時處理方法是立即跳閘停電。在并聯(lián)機組運行輕載的情況時,造成機組功率不能充分利用,所以,就要解列*臺機組。解列機組時,退出電網(wǎng)的機組把負(fù)荷轉(zhuǎn)移到運行機組上,當(dāng)退出機組的功率小于10%

34、額定功率時,主開關(guān)脫開,緊接著發(fā)出停機指令。機組停機電磁閥動作之前先空轉(zhuǎn)運行10到20分鐘,若故障停機則停機電磁閥立即動作。解列和故障停車流程如下圖:4船舶電站管理系統(tǒng)的監(jiān)控單元設(shè)計本文的下位機PLC控制器控制現(xiàn)場設(shè)備即發(fā)電機組,通過數(shù)據(jù)線把現(xiàn)場測得的參數(shù)送到上位機,上位機利用人機界面把數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。上位機不斷地從下位機讀取數(shù)據(jù),并判斷數(shù)據(jù)是否在設(shè)定的圍,從而完成遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)。4.1上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能現(xiàn)場PLC控制器對電站各設(shè)備運行狀態(tài)和運行參數(shù)自動的進(jìn)行實時監(jiān)測,它的檢測量可以是開關(guān)量即接通與斷開所對應(yīng)的值,也可以是模擬量如溫度、壓力等。上位PC機把下位機得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,判斷系統(tǒng)是否

35、正常。如果出現(xiàn)故障及時顯示信號并發(fā)出相應(yīng)的聲光報警信號,對超限數(shù)據(jù)可以存儲,方便管理人員分析處理,通過外接打印機可以對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下:自動控制系統(tǒng)和自動監(jiān)測系統(tǒng)組成了電站自動化系統(tǒng),集散式電站的上位PC監(jiān)控系統(tǒng)與下位PLC控制系統(tǒng)一起同步工作,通過連線把彼此之間數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享。上位工業(yè)PC機得監(jiān)控系統(tǒng)為下位控制系統(tǒng)提供了友好的人機界面,它有強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能,方便了電站操作人員的操作、維護(hù)等。監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示測量值、設(shè)定值、趨勢曲線、故障狀態(tài)、控制輸出值等,還可以設(shè)置主監(jiān)控界面、原理界面、并車界面、故障報警界面、數(shù)據(jù)報表界面,流程圖畫面。操作人員通過操作站,可以監(jiān)視現(xiàn)場裝置的情

36、況;可以實現(xiàn)各種狀態(tài)量的監(jiān)視和組態(tài),極方便了人員的操作,從而實現(xiàn)了集中的操作和監(jiān)控管理17。4.2工業(yè)PC機控制軟件和監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)控制軟件由三個層次構(gòu)成:功能模塊層,可以實現(xiàn)電站各種管理要求;數(shù)據(jù)傳輸層,采集各數(shù)字、模擬量的數(shù)據(jù);管理層,通過對下兩層之程序的調(diào)用,完成主程序的調(diào)度、管理功能。這三個層次的關(guān)系是,數(shù)據(jù)傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,功能模塊層在數(shù)據(jù)層之上是完成各種特定功能的子程序,管理層調(diào)用下兩層程序,實現(xiàn)主程序的調(diào)度和管理功能18。程序框圖如下所示:圖14 控制結(jié)構(gòu)框圖控制軟件是一個實時性很強的軟件,為了實現(xiàn)并車等特定功能,對計算速度要求嚴(yán)格。故在主體上采用模塊化結(jié)構(gòu),部分功能子程序則盡量

37、減少子程序的調(diào)用和中間結(jié)果的存放,采用直接向輸入輸出板操作的方法,加快程序運行速度,提高效率。監(jiān)測軟件:整個監(jiān)測軟件以數(shù)據(jù)庫為核心,各個功能模塊圍繞數(shù)據(jù)庫,形成星型狀態(tài)連接,這使軟件有很強的可移值性和維護(hù)性,可獨立對部分程序模塊替換、修改,而不會影響其它模塊?？驁D如下所示:4.3設(shè)計監(jiān)控界面自動化的船舶電站,應(yīng)該有用戶操作的可視化界面,通過用戶界面可以隨時觀察、了解并掌握整個系統(tǒng)的工作狀態(tài),也可設(shè)定參數(shù)和向控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號。監(jiān)控界面包括19:(1主監(jiān)控界面:用來監(jiān)控每臺機組并顯示機組和電網(wǎng)的各項參數(shù)?？稍O(shè)有報警顯示按鈕,出現(xiàn)故障時可點擊查看具體報警項,除此,也能限制*些用戶的權(quán)限,禁止或允

38、許其對系統(tǒng)的操作。(2原理界面:在此界面可以很清楚的知道與機組相關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)原理圖,各處開關(guān)的分、合閘情況,和有各種重要參數(shù)的顯示。(3并車界面:監(jiān)測各機組的頻率和電壓且設(shè)有同步指示燈,還有各機組并車、解列的功能按鈕,實現(xiàn)監(jiān)控界面的操作。(4故障報警界面:設(shè)置各項報警指示燈,在故障時,指示燈由綠變紅。除此在相應(yīng)報警項里可以修改限制參數(shù)值。(5數(shù)據(jù)報表界面:一個可以反應(yīng)過程中的的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄?？蓪崟r報表和歷史報表進(jìn)行打印,方便了管理人員的統(tǒng)計分析。通過與上位機連接的鼠標(biāo)和鍵盤,可以查看各個界面,也可以在這些界面上實行操作,讀數(shù)據(jù)在線修改以滿足對系統(tǒng)新的要求。上位還要有自動/手

39、動切換按鈕來轉(zhuǎn)換控制方式,自動狀態(tài)時,自動起動、并機、解列和停車等控制功能由系統(tǒng)的功能模塊程序自動執(zhí)行;而手動狀態(tài)時,需管理人員在配電板的控制面板上操作。上位機的這些界面使得整個電站系統(tǒng)處于管理人員的實時監(jiān)管之下,也使得管理人員的工作更加便捷。4.4船舶電站自動化的發(fā)展展望隨著船舶自動化程度的不斷提高,電站自動化由局部控制發(fā)展到了綜合控制,由就地的控制發(fā)集中的控制。集散式系統(tǒng)就是集計算機、通信、顯示和控制技術(shù)于一體的系統(tǒng)。其核心思想是集中管理、分散控制,即管理與控制相分離,上位機用于集中監(jiān)視管理功能,下位機分散到現(xiàn)場進(jìn)行分布式控制。所以,這種集散式的管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有很高的可靠性,且易于擴(kuò)展,

40、上位機根據(jù)需要增減下位機臺數(shù)。船舶電氣自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢20:(1系統(tǒng)監(jiān)控的綜合化由于電氣設(shè)備已經(jīng)日趨通用化、模塊化、系列化,組態(tài)靈活;上位控制機所有功能可通過屏幕軟件按鈕來完成,為系統(tǒng)監(jiān)控的綜合化提供了必要的基礎(chǔ)。另外,采用綜合監(jiān)控的形式,可以構(gòu)成雙重或多重冗余,對提高系統(tǒng)或者全船整體可靠性是有積極意義的。(2系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化如今,數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟?，F(xiàn)場控制設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的雙向網(wǎng)絡(luò)通信靠現(xiàn)場總線來實現(xiàn)。使用雙層網(wǎng)絡(luò),第一層網(wǎng)絡(luò)采集與傳送數(shù)據(jù),第二層網(wǎng)絡(luò)是控制網(wǎng)。從分散危險的原則上,設(shè)置獨立的控制子網(wǎng)。各子系統(tǒng)的功能由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,把數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)分散功能結(jié)合,但每個

41、系統(tǒng)又是一個獨立的系統(tǒng),在*系統(tǒng)局部受損時不影響其他系統(tǒng)獨立完成工作,采用網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余設(shè)計及不間斷后備電源,增強系統(tǒng)控制能力。利用圖像控制功能,在人機界面實現(xiàn)良好的對話效果。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于采用數(shù)字化和高層次的自動化技術(shù)代替大量繁瑣的人工操作,它有助于減少頻繁操作和減輕人員疲勞,把船員從環(huán)境惡劣的工作場合中解放出來21。船舶電氣自動化領(lǐng)域展望,在計算機、通信、顯示和控制技術(shù)迅速發(fā)展且互相交叉滲透,還有人工智能和模糊技術(shù)的應(yīng)用將會給船舶電站自動化帶來重大的變革。未來船舶電站的自動化系統(tǒng)會向著自動故障預(yù)測、自診斷的方向發(fā)展,上位機將會實現(xiàn)專家系統(tǒng)等智能連接。計算機監(jiān)控系統(tǒng)正在經(jīng)歷著從集

42、中型計算機監(jiān)控系統(tǒng)分散型微機監(jiān)控系統(tǒng)集散型(分布式多級、多微機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)型(智能式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。而這些技術(shù)的發(fā)展會使船舶工業(yè)向著智能大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文：基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計 綜合自動化、微機監(jiān)視、智能控制、衛(wèi)星通信導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)、船岸信息直接交流、全船自動 化領(lǐng)域延伸得更深22。 18 大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文：基于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計 5 總結(jié) 本文從船舶電站的組成、功能和特點以及 PLC 工作原理開始論述，同時也分析了船舶電站自動 化管理系統(tǒng)的構(gòu)成和自動管理系統(tǒng)的功能。在此基礎(chǔ)上，選擇在基于 PLC 控制的船舶電站集散式管 理系統(tǒng)。 集散式管理系統(tǒng)的特點是分散管理、集中控制，其中*控制模塊出現(xiàn)問題不會影響其他控制模 塊。本文設(shè)計了一兩臺發(fā)電機組為例的船舶電站，分別由 PLC 控制，以 PLC 為下位機與以工業(yè)電腦 為上位機通過組態(tài)軟件實現(xiàn)通信。此系統(tǒng)由 PLC 控制機組實現(xiàn)了機組自動起動、自動并車、調(diào)頻調(diào) 載、重載詢問、自動解列及自動停車等功能。作為上位機的工業(yè)電腦與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，在不同 的控制界面可以顯示和修改控制參數(shù)，在機組出現(xiàn)故障時，報警和相應(yīng)的處理，通過工業(yè)電腦也能 實施控制動作。機組運行時自動記錄數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，與打印機連接后，可以打印歷史和當(dāng)前的 數(shù)據(jù)，以便管理人員進(jìn)行