基于PLC和工控机的船舶电力系统故障诊断装置设计

2016-10-13候云飞施伟锋

船电技术 2016年9期

候云飞，施伟锋

候云飞，施伟锋

（上海海事大学电气自动化系，上海 201306）

为保证船舶的安全航行，故提高船舶电力系统的安全性和可靠性十分重要。文中设计了一套基于施耐德M340 PLC、XBTG7340触摸屏和工控机的电力系统故障诊断装置。该套故障诊断装置主要由施耐德M340 PLC、电力系统参数测量装置、XBTG7340触摸屏、工控机、NI数据采集仪、以太网等器件所组成，本诊断装置通过施耐德M340PLC、电力参数测量仪PM800、7个与互感器相连的模拟仪表和NI数据采集仪对船舶电力系统的参数进行相应的采集，将采集到的数据信息通过Modbus现场总线、工业以太网进行数据共享，实现对船舶电力系统装置的监视与检测，并将实时数据导入工控机matlab中进行故障程度与故障类别的判断。

PLC 触摸屏船舶电力系统故障诊断

0 引言

船舶电力系统主要由电源装置、配电装置、电力网和负载四个部分组成，是船舶上电能产生、输送、分配和使用等网络和装置的总称。因此，船舶电力系统是船舶的一个重要组成部分。随着船舶向大型化、自动化方向发展，船舶电力系统容量不断增大，其在船舶中的重要性越来越高。

船舶电力系统通过实时监视装置并掌握其运行情况，在故障发生前可根据故障症状大致判断出故障类型，在故障发生时可通过蜂鸣报警器发出报警提示，有助于操作人员排除电力系统故障，尽最大可能地减少电力系统因故障所带来的影响和损失，并且能为船舶工作与管理人员提供故障所在及其原因，为今后从事船舶工作的人员提供合理的建议。本文设计了一套基于施耐德M340 PLC、XBTGT7340触摸屏和工控机的船舶电力系统故障诊断装置。

1 船舶电力系统诊断装置结构设计

船舶电力系统是指在多台柴油发电机组联合运行情况下所组成的系统，系统主要包括：数台船用发电机组、供配电装置与电网、负载电机等；为了增加电力系统故障诊断装置诊断的准确性，将装置设计成为自动化电站相对独立的系统，并且利用单元组合式仪表来实现集中监视功能，实现船舶电力系统运行状况的实时监视，提高系统安全性与诊断的准确性。其故障诊断装置系统结构，如图1所示。

本文设计了船舶电力系统故障诊断装置采用施耐德M340 PLC、工控机和XBTGT7650触摸屏作为核心控制器和上位监控设备，搭配EGX300网关、电力参数测量仪PM800及带灯按钮、旋钮、钥匙开关等执行器，搭建船舶电力系统故障诊断的硬件系统，其故障诊断装置设计如图2所示。

硬件系统结构基于现场监控层结合远程监控层两层网络进行设计，网络之间有通讯接口连接。

1）现场监控层：监控部位将实体按钮、旋钮和状态指示灯作为监控指令发送和状态显示元件。通过电力参数测量仪表PM800和NI数据采集仪采集电力系统的电力数据。

2）远程监控层：远程监控部位以XBTGT7340触摸屏为主要设备。在触摸屏中设计上位人机界面，实现电力系统的远程监控功能，提高信息集成度和自动化水平。主要功能包括电力系统参数与运行状态的集中监视、故障的监测报警与处理及其他安全功能。

3）通信接口层：装置通信接口层采用两层通信结构，分别是Modbus现场层和工业以太网。现场级设备采用RS485串行通信，远程监控设备采用基于TCP/IP的工业以太网通信，以确保高密度数据传输的准确性和实时性。装置采用分布式现场总线，将电能质量参数的监控功能下放到现场设备PM800，充分利用现场信息，增加系统可靠性，降低成本。通信接口通过EGX300以太网关转换现场级设备与远程监控设备之间的通信协议，并利用交换机建立以太局域网。

2 船舶电力系统故障诊断

船舶电力系统在运行的过程中，诊断系统应该能够对在线运行的发电机组进行实时的监控，如果发电机组发生了故障，例如三相不平衡、短时过电流等，应该能够及时发出声光报警，来提醒操作人员及时对故障设备进行确认、检修、维护，尽快恢复电力系统，达到安全航行的目的。

本文通过施耐德PLC等相关软件进行了故障诊断程序的编写，故障诊断系统可以对电力系统电压、电流、频率、功率进行实时的监控，如果发电机出现三相不平衡、短时过电流等故障时，PLC应能够输出与报警相对应的数字信号，使得蜂鸣报警器发出声响，报警指示灯亮。随后，系统会利用RBF神经网络对系统采集到的数据进行故障类型的判别。其中，故障类型分为：三相不平衡故障报警与短时过电流故障报警。故障诊断流程图，如图3所示。

图3 故障诊断流程图

1)三相不平衡故障

三相不平衡是指在电力系统中三线电压（或电流）幅值不一致，而且幅值差超过了规定的范围，造成三相不平衡的原因主要是三相电源负载分配不平衡，三相负荷分配不平衡，会引起线路压降和功率损失增加，三相电压不平衡，会引起电动机逆扭矩增加，从而使电动机温度上升，影响设备的正常使用寿命。

2)短时过电流故障

短时过电流是指电力供电设备短时间超过了额定电流数倍或者数十倍，引起短时过电流的原因有很多，例如电网过载、发电机短路等。

电网过载所引起的短时过电流，一般指大功率的用电设备从电网上卸载时所产生的短时过电流现象。

发电机短路所引起的短时过电流情况比较复杂，但是一般出现发电机电流增加、电压下降、机体发热、短路保护动作等现象。

在确定完故障诊断PLC报警流程图后，使用UnityPro软件对上述流程图进行相对应的编写，故障诊断PLC控制程序。

在确定完故障诊断PLC控制程序后，要将整个故障诊断报警系统整合到一块面板中，在设计布局时，既要使硬件位置与实际船舶电站系统结构相符合，又要考虑到实际操作和数据读取的简便，最终设计了故障诊断指示灯控制面板，如图4所示。

图 4 故障诊断指示灯控制面板

3 故障诊断实验装置设计

船舶电力系统故障诊断导航界面是远程监控最重要的界面，可以显示电力系统的基本运行参数和报警信息，点击参数后，相关的图形仪表、文字信息等会显示出来，同时在不同界面之间能够通过软件进行切换与导航。

本触摸屏监控界面软件采用Vijeo-Designer软件设计。它是一款功能齐全的触摸屏人机界面交互的设计软件，使用该软件可以为人机界面设备创建操作面板并配置相关的操作参数。Vijeo-Designer提供了设计人机界面项目所需的基本设计工具。根据故障诊断装置需要实现监控等具体功能，本软件设计了船舶电力系统远程监视界面，如图5所示。

图 5 船舶电力系统远程监视界面

导航界面可以根据不同用户的需求引导用户进入不同的监视界面，主要包括：系统结构，供用户了解船舶电网监视系统的结构；电网参数显示，向用户提供电网运行工况；报警显示，用于非正常运行情况报警及事件记录；历史数据，以趋势图的方式记录船舶电力系统的运行工况和历史数据。

在确定完整个船舶电力系统故障诊断装置后，将整个系统整合设计至一个机柜当中。诊断装置如图6所示。

船舶电力系统故障诊断装置能够实时地对数据进行采集，同时能够在触摸屏、工控机中进行发电机侧和负载侧参数的显示，使用户及时并有效地了解系统的当前的运行状态。

4 结论

船舶电力系统故障诊断装置作为电力系统控制的关键设备之一，其研究与应用主要涉及电力参数检测仪表的应用、故障诊断PLC控制、诊断控制面板实现、人机交互界面设计和诊断装置的实现等关键技术。在监视方面，装置实现了船舶电力系统本地和远程监控、故障报警功能和故障诊断功能。实验表明，船舶电力系统故障诊断装置能够对船舶常见的故障进行报警与诊断功能，具有一定的实际应用价值。