基于PLC和PPM的船舶功率管理系统设计

陆炳良, 池波



基于PLC和PPM的船舶功率管理系统设计

陆炳良, 池波

(中海油田服务股份有限公司，北京 101149 )

本文首先根据某船的实际工程应用需求，分析了系统的组成结构。然后选用西门子公司的热冗余S7-400H系列工业PLC作为主控制单元，配合DIEF公司的PPM机组控制器，进行了该船的功率管理系统设计。重点进行了系统的配置说明以及基本功能设计。冗余的系统设计、透明的监控管理以及完善的功能设计，有利于操作人员的使用和提高本船的安全、可靠运行。

功率管理系统 PPM 电力推进

0 引言

随着变频调速技术、大容量电机制造技术、自动控制等技术的发展，电力推进船舶的可靠性、机动性和推进效率等各项性能指标日趋完善。电力推进船舶具有机动性好、噪声小、振动小、机组配置和布置灵活等优点，已成为柴油机直接推进方式的强有力的竞争者。

功率管理系统实现电力推进船舶的机组启动并车、解列停机的控制管理，并对全船电力负荷进行总体协调控制，合理分配利用有限的能量，确保船舶发电、配电、用电设备的安全。

目前，功率管理系统成了电力推进船舶不可或缺的系统，特别是具有动力定位要求的船舶。国外SIEMENS、ABB等各大系统提供商、集成商均有系列化产品。

1 系统组成

根据某船舶的实际要求，该船的主电站主要有4台1000 kW发电机组组成。主配电板主要将全船的电能统一分配并启动各种现场保护功能。主配电板馈电给2套主推进变频驱动装置、2套艏侧推装置，并通过690 V/400 V变压器给400 V负载供电。

本船功率管理系统（简称PMS）不仅具有对船舶电站的监视、控制、保护功能，还将实现主推进变频器、船舶电站、DP系统之间的协调运行。功率管理系统根据功率的实时需求对每台主发电机及推进控制系统进行监控并协调各发电机的工作，并可以对供电系统进行故障报警和处理，为推进系统和其它用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。在供电系统出现故障时，功率管理系统会采取各种措施，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电，确保船舶的安全性。

PMS的监控对象为主发电机组及停泊/应急发电机组及主配电板内的主断路器、690 V母联开关和400 V母联开关。

2 系统设计

2.1 系统配置

本船采用热冗余设计功率管理系统（简称PMS），PMS主控制器采用SIEMENS公司的热冗余S7-400H系列工业PLC，配置有2个同步模块，通过光纤进行实时同步通讯，两套S7-400H独立运行并互为备用。一套S7-400H将在电站功率管理系统中发挥主控制站的功能，另一套则运行在备用控制站的状态。一旦主用S7-400H出现故障，备用S7-400H将被自动切换成主用控制器。

每台主发电机均配置独立的机组管理模块（PPM3-DG），为发电机提供保护。汇流排与发电机的电压和频率等参数均独立监测。任意一套保护和功率管理模块（PPM）故障不会影响整个电网的正常运行。如果并车运行的某台发电机出现高压、低压、高频、低频等故障时，相应的故障发电机自动脱扣。

母联开关配置有联络开关管理模块（PPM3-BTB），为母联开关提供保护、同步合闸、分闸控制等。

变压器副端开关配置有联络开关管理模块（PPM3-BTB）,为变压器副端开关提供保护、同步合闸、分闸控制等。停泊/应急机组停泊/应急发电机组能和4 台主发电机组当中的任意一台进行短时并车做不断电负荷转移。

停泊/应急机组配置独立的应急机组管理模块（PPM3-EDG），为停泊/应急发电机提供控制、保护。

为确保电网异常情况确保供电连续性，为每段母线配置功率适配模块（PAM）1个，实时监测机组负荷率和主开关状态，并按照机组负荷率和开关状态对推进系统功率进行稳态功率限制及暂态快速降低推进功率，以防止负荷突变引起发电机过载，防止出现全船停电而影响船舶安全。

2.2 系统监控网络组成

为了确保供电连续性和系统可靠性，PMS采用两级控制网络完成，如图1所示。上层采用冗余的PROFIBUS控制网络，PLC控制器采用西门子的两套S7-400H热冗余控制器。

上层PROFIBUS通过Y-link连接DEIF公司的PPM。PPM是一个真正的多主站系统，其功率管理功能是依靠PPM计算实现的。系统内部选定一个控制单元为“命令单元”。该控制单元负责发电机保护、起动优先级和其它相关功率管理功能的计算。

下层网络采用冗余的CANbus连接各个PPM，命令单元一旦出现故障，另一个正常工作的PPM会自动接替命令单元的计算功能。

与机舱监测报警系统的接口采用冗余的双路工业以太网，采用TCP协议发送PMS系统状态及相关参数。

PMS配置两个12寸触摸屏（MP377）作为人机界面交互，互为备用，分别布置在配电板和机舱集控台，可进行相关PMS控制操作、参数设置、运行状态及报警显示。

3 系统工作模式与功能

3.1 工作模式

PMS设置有手动模式、半自动模式以及自动模式三种控制模式，可通过安装于功率管理屏面板的模式选择开关进行切换。

“手动模式”下，电站控制功能由主配电板中独立电路完成，主控制器不参与操作，仅与机舱监测报警系统通讯，不执行任何控制功能，HMI面板只显示供电系统的运行状态及参数。

“半自动模式”下，船员可在主配电板上或PPM面板对PMS进行发电机组的起动或停止、主断路器合闸或分断操作。在船员给出合闸指令后，发电机起动后自动投入与电网自动同步并车运行。只有在船员给出分闸指令后，运行在网的机组才会自动卸载且分闸运行。在半自动模式下，PMS的自动化功能会被封锁，但是发电机的功率管理模块PPM均起作用。

“自动模式”下，PMS自动对供电系统进行管理。发电机组根据负荷情况将自动起动或停止；发电机起动后也将自动投入同步并车运行；在主控制器发出停止指令后，发电机将执行自动卸载、分闸和停机运行程序。

3.2 功能

1) 机组的自动起动

供电系统在网机组功率总和达到设定值，在经过一个设定的延迟时间后自动启动备用机组。

当在网运行机组出现报警时，经延时后能自动起动备用机组，备用机组并入电网成功后，逐步卸去故障机组负荷并对故障机组发出停机指令，发出报警信号。

当运行机组发生严重故障停机时，备用机组自动启动后自动并网。

在发出机组启动命令后，如果在三次起动尝试次数后没有收到“柴油机运行”或发电机电压大于85%的信号，该故障机组将停机，并启动备用机组。

能对每台机组的自动和遥控启动予以闭锁，以便能安全地进行维修。机组的启动和运行在发电机控制屏和PMS及同步屏有指示。

当电网失电时，所有机组自动启动，最先启动成功的机组自动投网供电。

2) 机组投入和并联运行

母线无电时，待并机组在达到一定电压和频率后立即投入。

母线有电时，待并机组自动同步，自动合闸。

有预防措施，以避免两个或两个以上发电机组开关同时合闸。

自动并联后，具备有功功率、无功功率自动分配功能。保证任意主发电机组长期并联运行，保证有功分配差度满足要求。

非对称功率分配模式，每条独立母线可选择一台机组处于基本负载模式。

3) 机组的解列和停机

若指定机组解列后，实时负载功率仍小于剩余在网机组可用功率的60%（可设定）时，则指定机组自动解列、停机。

自动工况下，因负载减少而执行自动减机时，PMS自动根据设定顺序减少机组。

进出港及靠离平台时，在自动工况下，PMS控制电站只增机不减机。

除严重故障之外，解列过程中PMS均能平滑地自动转移负荷。当解列发电机组的负荷低于该发电机组额定功率的10%（可设定），电流低于额定电流的30%（可设定）时PMS发出分闸指令。

4) 机组和断路器的监测、控制、保护功能

5) 发电机组起、停序列设定功能

通过PMS及并车屏柜门上的HMI可设定各发电机组的自动起、停的优先级。

1) 重载问询功能

2) 功率较大的负载（如艏侧推）在启动时需进行重载问询，电站满足要求后方可启动，否则不能启动。重载询问的应答有自动和手动两种方式。

3) 分级卸载功能（优先脱扣功能）

4) 应急/停泊发电机组功能

5) 应急切断功能

6) 功率限制及快速降负荷功能

7) 机舱监测报警系统接口功能

8) DP接口功能

9) 人机界面监测功能

通过HMI对电力系统重要参数的实时监控是实现PMS功能的前提保障。PMS可以根据电网的运行状况、每台发电机组的运行情况，动态调整对机组的控制指令。

4 结束语

船舶功率管理系统主要完成船舶发电、配电以及负载的管理，完善的功率管理系统设计对提高电力推进船舶的可靠性、机动性以及减少燃料消耗有重要作用。

[1] 罗成汉，陈辉. 船舶能量管理系统PMS对策[J].中国航海, 2007, 73(4): 87-91.

[2] 柯常国，王劲. 基于PLC和PPU的舰船功率管理系统设计[J]. 船电技术, 2007, 73(4):15-19.

[3] Designer’s Reference Handbook: PROTECTION AND POWER ANAGEMENT, PPM-3, DIEF, Denmark, 2012.

Design of Shipboard PMS Based on PLC and PPM

Lu Binliang , Chi Bo

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China）

U664.14

A

1003-4862（2014）09-0025-03

2014-08-25

陆炳良（1955-），男，高级工程师。研究方向：舰船电力推进系统。