基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計

寧波大學(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DesignofAutomaticControlSystemofMarineShipPowerStationBaseonPLC誠信承諾我謹在此承諾: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)(11.2PLC在船舶電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用(11.3本文的主要內(nèi)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)(53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致謝(20參考文獻:(21附錄附錄一、文獻綜述附錄二、外文翻譯基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)方案設(shè)計張恒(專業(yè):輪機工程學(xué)號:074120230指導(dǎo)老師:張剛摘要: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)。DesignofAutomaticControlSystemofMarineElectricPowerPlantBaseonPLCZhangHeng(Speciality:MarineEngineeringStudentID:074120230Supervisor:ZhangGangAbstract:Thisthesistakemarineelectricpowerplantwhichbaseontwogeneratorsforanexampleanddesignedadistributedcontrolsystemafterdiscussedthefunctionandrequirementofautomatcshippowerstation.ThestationusesPLCasmaincontroldeviceandindustrialcomputerasmanagementdevice.Thisthesismakethecontrolfunctionmodularfirstly,andthendesignedeachmodulecontrolprocess,combinedthemodulesorganicfinallyinordertorealizethesyntheticalautomaticcontrolfunction.Inthispoint-to-pointcontrolsystem,thePLCcanaccomplishthefunctionwhichincludingautomaticstartandstopthegenerator,thefrequencyandloadregulation,andtreatmentofmachineorelectricfault,etc.Theuppercomputerrealizedautomaticparalleling,disengaging,andaskingoverload,etc.MeanwhileHuman-MachineInteractioncandisplayandrecordthegeneratorsstateandvariousparameters.Thisdistributioncontrolsystemfullyembodiestheadvantagesofdistributedcontrolandcentralmanagement.KeyWords:ShipPowerStation;AutomaticControlSystem;ProgrammableLogicController;DistributedControl.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。其中船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。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,并對所有電力負載進行配電的開關(guān)和控制設(shè)備的組合裝置,也是對電力系統(tǒng)進行測量、監(jiān)視、保護的控制裝置[1]。船舶電站的主要特點是容量相對較小。當(dāng)起動某些大容量負載起動時,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站穩(wěn)定運行的能力。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,但是技術(shù)壟斷嚴重[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,用來在其內(nèi)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,控制各鐘類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(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,易于擴充功能的原則而設(shè)計”?？删幊炭刂破?ProgrammableLogicController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)成的內(nèi)部系統(tǒng)總線進行連接;輸入輸出擴展機是輸入輸出單元的擴展部件;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]。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)掃描的方式進行。循環(huán)掃描方式是指在執(zhí)行程序的過程中,對各個過程輸入信號進行收集,對收集信號進行處理和計算,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]。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都有幾百個內(nèi)部輔助繼電器,而且還有多種專用的內(nèi)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)某種程度上的智能化,并有可能使機構(gòu)簡化;(5可靠性高;(6具有擴展單元或擴展模塊,當(dāng)需要較多的I/O時可以方便的擴展。1.3本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本文主要內(nèi)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,系統(tǒng)會將監(jiān)測量實時與設(shè)定的限制值進行比較,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)果進行記錄、打印,并對超限參數(shù)進行記錄。(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)備安全的嚴重故障時,安全系統(tǒng)能自動產(chǎn)生保護動作,避免事故的進一步擴大。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內(nèi)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內(nèi)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)負荷增加使運行機組重載時、運行機組發(fā)生機電故障和某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)濟的管理模式運行,充分利用每臺機組的功率,降低發(fā)電成本。(6重載詢問:大功率負荷起動大,管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負荷與起動的大功率負荷是否超過運行機組的最大允許負荷率。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:自動化電站除了設(shè)有和基本電站一樣的過載、短路、欠壓和逆功率保護外,還設(shè)有欠頻保護、高壓保護、次要負荷的分級卸載等,進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)?？傊?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PLC(或微機控制裝置主要進行并聯(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)。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)某些設(shè)置參數(shù),并能以指令的形式傳遞到下位機中,來對電站運行過程進行控制。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)擴展十分方便。PLC與發(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5PLC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)。機組的測量控制單元包括模擬量輸出/輸入、開關(guān)量輸出/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)檢測到機、電故障時,根據(jù)故障的級別進行處理,若是嚴重故障,先停故障機,在起動備用機;若是較嚴重故障,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,嚴重時會導(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)定范圍內(nèi)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,而實際操作電站要按船舶電站的規(guī)范要求設(shè)定。規(guī)范要求的并車條件:電壓差整定范圍為±5%U額定;頻率差整定范圍為±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以內(nèi)。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]:若設(shè)主開關(guān)的設(shè)定值為t則有如下關(guān)系:△t=t2(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荷。當(dāng)接受到“解列”指令時,能自動控制負荷轉(zhuǎn)移,待其負荷接近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)范之內(nèi)?，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?？梢?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行調(diào)節(jié),也可另設(shè)調(diào)頻調(diào)載單元。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Δe(由電網(wǎng)和待并機的頻率差和功率差組成,偏差值Δe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,電站負荷的頻繁變化會引起電站頻率的變化,而且負荷的分配也要比例,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:大負載投入電網(wǎng)前,管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負荷與起動的大功率負荷是否超過運行機組的最大負荷率。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),儲備功率達到要求,則允許其起動,若達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)輕負荷時的自動減機,出現(xiàn)嚴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,就要解列某臺機組。解列機組時,退出電網(wǎng)的機組把負荷轉(zhuǎn)移到運行機組上,當(dāng)退出機組的功率小于10%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)定的范圍內(nèi),從而完成遠程監(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)進行計算,判斷系統(tǒng)是否正常。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)場裝置的情況;可以實現(xiàn)各種狀態(tài)量的監(jiān)視和組態(tài),極大地方便了人員的操作,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,也能限制某些用戶的權(quán)限,禁止或允許其對系統(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)進行記錄?？蓪崟r報表和歷史報表進行打印,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,且易于擴展,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,但每個系統(tǒng)又是一個獨立的系統(tǒng),