基于PLC的船舶电站监控系统研究

郑伟胜

(江西制造职业技术学院信息工程系,江西 南昌 330095)

基于PLC的船舶电站监控系统研究

郑伟胜

(江西制造职业技术学院信息工程系,江西 南昌 330095)

摘要：随着电子技术、计算机技术的迅猛发展，对船舶电站监控系统的需求越来越大。船舶电站监控系统负责对船舶上的电力设备进行控制和监视，是船舶中十分关键的设备。为提高船舶电站运行的可靠性及整个系统自动化程度，本文对基于PLC的船舶电站监控系统进行研究。

关键词：监控系统；PLC；船舶电站

0引言

目前，船舶电站朝着网络化智能监控的方向发展，通过把驾驶、导航、辅机和机舱等利用网络计算机技术形成一体化智能化的船舶电站监控系统，便于信息的高度整合和分享。据此，本文设计一种基于PLC独特控制系统的船舶电站监控系统[1]。

1系统总体设计方案

为满足船舶电站监控系统的功能需求，系统采用3层监控系统，即设备层、监控层和网络层。图1几乎包含了船舶电站监控系统应有的所有功能，各项功能通过PLC的控制相互配合，一起保证船舶电站监控系统的正确运行。

可编程逻辑控制器PLC的主要工作是对运行数据进行采集和对现场设备进行全程监控，其主要负责完成发电机组的起动、停止、调速、并联运行及机组的故障分析和故障排除等工作。计算机与PLC之间的通信方式选择串口RS-485方式。船舶主站与船舶各监控室之间的通信由工业控制组态软件MCGS来实现[6]。

系统中总共使用3台柴油发电机组，其中每台发电机组均由三菱公司生产的FX2N型号的PLC来监控。系统正常运行时一般仅需要起动1台柴油发电机组，但根据具体情况的不同需要启动运行的柴油发电机组台数也会变化。当负载过重时，并上1台柴油发电机组；某1台柴油发电机发生故障时，需要发电机组解除故障机，并且并上1台新的柴油发电机组；如果2台柴油发电机组都不能起动时，需要运行备用柴油发电。3台柴油发电机组分别由各自独立的PLC进行监控。三者各自独立工作，之间不进行数据交流，如果其中1台PLC出现故障，也不会对另外2台PLC产生任何影响，完全实现了分散控制。

图1　船舶电站监控系统框图Fig.1　The block diagram of ship power station monitoring system

上位机扮演着领导的角色，协调并分配每台PLC的工作。上位机的监控界面中可以显示柴油发电机组的各类运行参数。此外，上位机的监控系统可以通过鼠标直接控制各种设备的起动与停止，最终使船舶电站集中管理非常方便。

2测量和控制模块

1)测量和控制的方法

测控部分的主要功能是完成对主要数据的采集和接收，使系统按计划运行，并把处理结果传递给执行结构，原理如图2所示。

图2　测量和监控原理示意图Fig.2　Schematic principle of measuring and monitoring

测控模块包括输入模块、输出模块和报警模块等。如果船舶电站监控系统跟PLC之间的传输介质是“1”和“0”的数字量，可以直接传送至可编程逻辑控制器进行处理；如果传输介质是模拟量，则应先通过FX0N模块把模拟量处理成数字量方可继续传送[8]。

图3　检测的整体框架图Fig.3　The overall block diagram of the detection syetem

2)FX2N 控制信号

PLC是系统的主控制器，接收来自柴油机、发电机和电网的数据，然后把处理后的数据再发送出去。这些步骤要按规定的程序执行，之前要对一些条件进行判断，依据测得到的电压、电流、温度、压力等物理量进行判断并控制系统运行。

3上位机的定制

在自动化控制系统中，PLC具有通用性高的优点而被用作中心的控制器，但其也有不足，比如存储器的容量比较小、数据处理的速度不够快、不能打印报表，但这些缺点在Computer Link(例如工业控制组态软件MCGS)的利用下可以完美消除。

选用通用监控系统MCGS软件来定制上位机界面(亦称作人机交互界面)，使FX系列的PLC与PC机相连接的可视化界面进行集中控制。MCGS能够在微软公司开发的所有32位的Windows操作平台上运行，对数据进行采集和处理后，显示在上位机界面上，以扬声器的形式发出报警，以顺序选择循环的流程图方式进行控制以及以报表的形式输出等向用户在实际工程项目中提供实际问题的解决方案。

通过上位机上显示的信息，操纵者可以掌控和了解设备的运行状态，使系统的可观性和可操作性非常强。船舶上常见到如船舶的发电机、报警器等的一些控制开关及仪器仪表将可以形象地显示在上位机界面上，非常方便操作使用，因此上位机界面具有相当的人性化，使工作人员能一目了然地监控整个船舶电站监控系统。

整个监控系统选用1台总控PC和3台PLC来构成一个集中监控系统。PC机中的程序软件必须能够进行串口通信和控制，能在软件开发平台上编写程序和调试程序，能够布局可视化的图形界面，能够使用数据库进行管理等[2]。

4船舶自动化电站实现条件

1)发电机组可以自行运行。在系统控制下，在主发电站发生故障时，可以自行启动另外1台柴油发电机组。在大约44 s内，辅助发电机组也能在任何时候自动运行，对船舶电网提供电能。

2)在汇流排处于失电的情况下，发电机组会自动启动并入船舶电网中。不允许2台或2台以上的发电机组同时并入，不允许短路后仍然进行多次并入电网的尝试。

3)所有电气参数在PLC的控制下各个仪器仪表能够被自动检测，对电压电流频率等物理量数据进行实时的记录。当发生故障时，声光报警系统能够在最短的时间内显示和报警。

4)发电机组能够自动校准并网频率，进行并网。在已有1台发电机组在对船舶电网进行供电的情况下，如果负载太大，需要立即并上1台或多台备用发电机组。系统需要检测电网与柴油发电机组之间的频率差，直到频率差小于标准值时系统方会自动并入船舶电网提供电能。

5)能够自动进行分配有功功率和自动保持频率不变。如果仅是1只发电机组运行，那么就不用考虑功率分配，仅需要对发电的频率进行调节，频率的误差精度在±0.1 Hz内。多台发电机组并联运行时还需要进行有效的有功功率分配，柴油机调速模块和频率自动调节装置和负载的自动调整装置一起作用，使频率差值在±0.2 Hz的范围内。

6)负载能够自行按固定的顺序进行启动。主要包括以下2种情况：① 当发生自动的卸载情况时，备用柴油发电机组会随即并入电网并向电网提供电能，已经被卸载掉的非主要负荷不允许在同一时间内投入；② 船舶电网从断电状态进入正常供电状态时，负载不允许一次性全部并入，应按照等级顺序分别投入，值得注意的是尤其关键的负载需首先起动。

7)自动按等级卸掉负载。当柴油发电机组发生故障并停止运行后，监控系统会控制进行分级卸载，把非主要的负荷全部卸去，以确保船上的主要设备能够进行连续的正常供电。

8)能够实现无功功率的自我调节与自我补偿。其主要的实现方法包括均压线法以及安装环流补偿设备。

9)具备自我保护功能。当船舶自身的机械结构或者电气系统发生故障时，能够进行自我调节进行保护，避免造成设备的进一步甚至永久性的损坏。

10)主供电站与应急发电电站之间可以实现自动转换。

11)大负载运行时需提前申请。大的负载接入前，需要自动判断目前的柴油发电机组是有足够的功率，满足负载接入的条件。如果能够承载此大负载则可以直接接入，否则就要增大机组功率，再并入1台柴油机组，不能发生重载或超载情况。

12)机组需要具有自动解列的功能。当一个不必要的负荷设备停止工作后，就需要对柴油发电机组进行解列，确保留下来的机组摆脱轻载的形势。

13)机组能够自动停止运行。当接收到停机的命令时，即使发生故障时也要能够及时的自动停机[3]。

5监控系统的PLC软件设计方案

船舶电站监控系统的主要工作流程包括：采集各种物理量，分析和处理数据，把物理量转换成标准的信号让PLC能够接收。在特殊情况下，自动判断异常情况并处理执行。监控系统的主要子程序模块包括：发电机组的自行启动模块、自行并车子模块、重载咨询子模块和自动解列模块等。

如图4所示，PLC电站监控程序主要有以下7个部分：

图4　PLC电站监控程序流程图Fig.4　Flow chart of PLC power monitor program

1)首先进行初始化工作。给所有的起动参数设置初值并启动运行状态监测程序。

2)第1次起动发电机时，可以忽略并车的条件判断。首先进入第1台发电机的启动子程序，如果不能启动则转入第2台发电机组的启动子程序，如果第2台也无法启动时则转入启动第3台发电机组的子程序，如果3台发电机组都为能成功启动则进入系统启动失败的报警子程序功能模块[9]。每台发电机预设为进行3次起动。

3)当其中1台发电机启动成功后，通知主程序，并进入监测是否重载的子程序模块，判断是否发生重载，如发生重载主程序再调用并车子程序模块。

4)检测完待并发电机与电网的电压差、频率差、相位差等参数后立即调用频率调节的子程序模块。只有以上3个参数都满足后方可并入船舶电网，否则需要启用另1台发电机。

5)满足并车的条件后,调用并车子程序，并车子程序中再调用调频调载子程序，保证船舶电网的稳定运行。

6)主程序中循环扫描运行状态，不能有负荷不当或者故障等情况的发生。当轻载时，则需要调用解列子程序，停止发电机组的运行；当重载时，需调用自动并车子程序。

7)当发生故障需要停车或者是启动失败时则调用声光指示子程序模块[5]。

6监控管理系统关键部分设计

PC机是船舶电站监控系统的中心，能够实现对船舶电站中设备的运行状态进行实时在线监控，并在特殊情况下可报警警示工作人员进行干预。

1)监控系统的配置框架。船舶上的用电设备所处的环境比较恶劣，这与内陆的用电设备大不相同，因而对船用电气设备提出更加苛刻的硬性要求。船舶电站与PLC控制器之间连接框图如图5所示。

图5　船舶电站与PLC控制器之间连接框图Fig.5　The connection block diagram between the ship power　station and the PLC controller

2)监控子程序。包括对各个柴油发电机组的参数设置并控制、对所采集的物理量进行组态和对船舶电站进行监控。船舶电站与PLC控制器之间连接框图如图5所示，其中所要采集的物理量主要包括：电网的电压、电流、频率和功率等参数，并网发电机组的电压和频率等参数，柴油机各种压力参数以及柴油机的介质温度和转速等参数。

3)监控管理系统最重要的功能是把关键数据参数的走势实现在上位机界面绘制并显示，另外把以前的数据进行分析统计，并把结果存储起来，生成各种报表并把数据保持在数据库中，需要使用时可以由Excel等工具软件进行展示，便于以后的统计分析[4，7]。

图6　船舶电站监控管理系统结构图Fig.6　Structure diagram of ship power monitoring and　management system

7结语

可编程逻辑控制器PLC具有可靠性强、功能强大等优点，本文对基于PLC的船舶电站监控系统进行了设计与分析，系统基本能够满足船舶电站监控系统的自动化监控性能要求，实现对船舶电站工作状态的实时在线监控。如果监控系统提高更好的性能要求，则需采用智能控制的策略使其具备故障自动预测、自我诊断等的功能。

参考文献：

[1]罗文锋.基于LabVIEW与PLC的船舶电站监控系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[2]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.

[3]杨锦滨.基于MODBUS的船舶电站监控系统设计[J].科技风,2011(2);256-257.

[4]刘现强,施伟锋,李伟翔,等.基于PLC和触摸屏的船舶电力系统监控装置设计[J].通信电源技术,2014(4):89-91.

[5]叶继英.基于PLC的船舶电站自动化监控系统的设计[D].杭州：浙江工业大学,2011.

[6]庞科旺,梁博宁,刘维亭.现代船舶电站监控系统的设计研究[J].船舶工程,2010(5):27-29.

[7]李伟翔,施伟锋,张威,等.基于PLC和触摸屏的船舶电力推进监控装置设计[EB/OL].北京：中国科技论文在线，2014-04-25.

LI Wei-xiang,SHI Wei-feng,ZHANG Wei,et al.Design of shipboard electrical propulsion monitoring control device based on PLC and touch screen[EB/OL].Beijing: Sciencepaper Online,2014-04-25.

[8]李文华,邱志强,孙瑜,等.基于现场总线的船舶电站实时监控系统研究[J].舰船科学技术,2005,27(2):39-41,59.

LI Wen-hua,QIU Zhi-qiang,SUN Yu,et al.Study of the real-time monitor system of shipping power plant based of CAN fiel-dbus[J].Ship Science and Technology,2005,27(2)：39-41,59.

[9]杜晓滔.基于PLC和串行通信的船舶电站监控系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2008.

Research of ship power station monitoring system based on PLC

ZHENG Wei-sheng

(Jiangxi Manufacturing Polytechnic College Department of Information Engineering,Nanchang 330095,China)

Abstract：With the rapid development of electronic technology and computer technology and the need of ship power station monitoring system is growing. The ship power station monitoring system is responsible for controlling and monitoring electrical equipment on ships, which is crucial part of the ship. In order to improve the reliability and automation of the entire system of ship power station, so the paper does research on ship power station monitoring system based on PLC.

Key words：monitoring system;PLC;ship power station

作者简介：郑伟胜(1969-)，男，硕士，副教授，研究方向为电子技术应用及教学。

基金项目：江西省教育厅教改课题资助项目(JXJG-14-70-4)

收稿日期：2014-05-18； 修回日期： 2014-09-03

文章编号：1672-7649(2015)02-0148-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.032

中图分类号：TP29

文献标识码：A