基于S7-400H的功率管理系统在海洋平台中的应用

张 奇，金 奎



基于S7-400H的功率管理系统在海洋平台中的应用

张 奇，金 奎

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

为了实现350英尺自升式多功能服务平台项目中的电站功率管理功能，设计了满足系统功能要求的冗余功率管理系统，详细描述了该系统的功能、结构、接口、软件设计等内容。该系统结构以西门子S7-400H PLC和DEIF并车保护单元(PPU)为核心，并采用西门子TIA Portal进行软件设计。通过在项目中的实际应用证明，本系统功能完善，操作方便，满足项目使用要求。

S7-400H冗余 并车保护单元 功率管理系统

0 引言

350英尺自升式多功能服务平台是一款4桩腿多功能自升式服务平台，适用于无限航区航行，全船设有三台全回转的尾部推进器和三台管隧式首侧推，采用电力推进系统技术，为满足DP-2及电力推进需求，设计了冗余的功率管理系统(简称PMS)。PMS根据电力推进系统的功率需求，自动的管理发电机组的运行和电能的分配[1]。PMS适用于电力推进系统，模块化的设计使系统简洁、易于升级。PMS内置于配电板中，根据功率的需求对每台柴油发电机组进行监控并协调各柴油发电机组的工作，并可以对电站系统进行故障诊断和处理。

1 系统硬件设计

1.1系统功能

PMS主要由PMS控制主站、PMS后备控制站、触摸屏、柴油发电机组并车保护单元（PPU）组成。每套柴油发电机组配一套PPU，它可以控制柴油发电机组的调频调载、负载分配、并车解列，并提供机组的安全保护功能[2]。PPU通过通讯总线将信息送给PMS主控站，由PMS主控站完成PMS的其它功能和安全保护，并在触摸屏上进行工况显示。触摸屏可以监测柴油发电机组的运行工况及全船重要用电设备的工况，可以通过触摸屏手动控制机组的并网、解列以及更改控制参数。PMS主控站和后备控制站之间热备冗余。

1.2系统结构

PMS设置了一个PLC控制器作为主站，同样为每台发电机组设置了一个机组并车保护单元(PPU)作为从站。PLC控制器采用西门子公司PLC及辅件构成，机组控制器采用DEIF公司PPU3及辅件构成。 PMS自带触摸式操作面板（HMI），用以常用参数设置和重要参数及状态的指示。PMS基本结构如图1所示。

图1 PMS系统结构图

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。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，S7-400H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。控制器的切换时间小于100 ms。上层PROFIBUS通过Y-link连接DEIF公司的PPU3。与机舱监测报警系统的接口采用两路485，采用MODBUS RTU协议发送PMS系统状态及相关参数。PMS配置两个9寸触摸屏（TP900）作为人机界面交互，互为备用，分别布置在配电板同步屏上，可进行相关PMS控制操作、参数设置、运行状态及报警显示。触摸屏采用英文图形界面。

1.3硬件组成

PMS主要硬件组成如下：

1）西门子冗余PLC S7-412H 一套。主要包括：UR-2H机架、电源模块PS407、CPU412H、同步模块、同步光缆(1m)、MMC存储卡(4M)、电池。

2）YLink套件六套。主要包括：YLink有源背板、IM153-2有源背板、IM153-2接口模块、YLink模块。

3）ET200M分布式子站三套。主要包括：ET200M、IM153冗余连接模块、I/O冗余连接模块、I/O输入输出模块等。4）PPU3并车保护单元六套。5）TP900精智触摸屏两块。

2 系统接口设计

2.1电源接口

为满足DP2模式下的FMEA(故障模式分析)要求，外部电源采用三台在线式不间断电源UPS(DC24V/1.5kVA)分别为三个子站独立供电要求，各个子站电源故障情况下均不会对其他子站运行造成影响。同时，为提高PMS可靠性，另外接三路来自充放电板的DC24V作为备用电源，确保UPS故障时PMS仍然能够正常运行。

2.2控制及信号接口

PMS接口对象主要包括：柴油发电机组、配电板、重载设备、推进变频器、DP设备等，主要包含以下接口内容：

柴油发电机组：机组启动、机组停机、机组报警、机组故障、升/降速控制、升/降压控制、遥控状态、备车状态、急停控制等接口。

配电板：开关状态及合分闸控制、绝缘低报警、应急切断、优先脱扣、PMS模式转换开关等接口。

重载设备：重载询问、重载运行、允许启动等接口。

推进变频器：推进断路器合分闸及状态、机组功率信号、快速降负荷信号等接口。

DP设备：PMS提供与DP的接口，发送PMS开关状态、机组运行状态、实时功率等数据，并接收DP系统控制指令实现DP系统功率管理。

2.3网络通讯接口

PMS内部各分布式子站及PPU3间的通讯接口采用Profibus-DP通讯；通过PPU可以读取发电机电压、电流、功率、功率因数、频率等信息；

与机舱监测报警系统的通讯接口采用485 Modbus-Rtu通讯，可实时向机舱监测报警系统PMS实时功率、运行状态、断路器的状态和报警信号等；

与人机界面(TP900触摸屏)采用MPI通讯，通过触摸屏可以在线监测PMS实时功率、运行状态、断路器的状态和报警信号等。

3 软件设计

3.1程序描述

PMS采用SIEMENS公司S7-300 PLC控制器，控制程序采用SIEMENS公司的Step7V5.5编程工具开发，通过Step 7软件包可以实现程序编制、调试等功能。PLC控制程序可以采用语句表（STL）、梯形图（LAD）及功能图（CFC）来编写。Step 7编程语言与SIMATIC S7系列可编程序控制器PLC相结合，用以实现各种自动控制功能[3]。

PLC程序采用了典型的结构化程序设计思想，采用软件块来构造程序。各功能模块可以单独进行调试运行，对各种参数进行统一管理，这样使得程序结构清晰，易于调试和维护，可靠性强。软件块分组织块OB、功能块FB、功能FC、数据块DB。组织块OB是操作系统与用户的接口，用以管理用户程序，可用于循环、中断驱动或定时驱动。PLC系统在运行时循环调用组织块OB1，用户程序从OB1开始自顶向下构造。功能块FB是在逻辑操作块内的功能或功能组，在操作块内分配有存储器，并存储有变量，需要背景数据块。功能FC是类似于FB的逻辑操作块，但是不分配存储区，不需要背景数据块。数据块DB存贮用户数据。本系统控制程序主要使用了启动块OB100、OB101、OB102； I/O访问错误中断运行块OB122；周期循环运行的OB1；以及各种被OB1调用的功能块FB和功能FC。利用块调用把各个块组织在一起，组成一个完整的用户程序。

3.2软件功能

PMS根据功率的需求对每套机组进行功率管理并协调各机组的工作，对供电系统进行故障报警和处理，为电力推进系统及其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。

该系统的主要功能如下：

1)控制模式选择

PMS具有手动、自动控制模式选择，手动是指通过触摸屏手动控制发电机组的起停、并网、解列。自动控制是指PMS程序自动控制发电机组的相关功能。

2) PMS模式选择

PMS具有港口、航行模式、DP模式和升降平台模式。在港口模式，系统不再按照功率关系解列机组，而是只增机不减机；在航行模式，按照系统正常模式增减机；DP模式，配电板分区供电；升降平台模式，根据谐波计算的结果，保证在该模式下的发电机组在网数量。

3)发电机组手动遥控起停

当PMS工作在手动模式下，在PMS的触摸屏上可直接手动控制发电机组的起动、停止；当PMS工作在自动模式下，程序根据电站负载的状况自动控制发电机组的起动、停止。

4)机组备用/优先选择（用户可编程机组优先级顺序）

PMS对柴油发电机组的起/停顺序按照优先级管理，并可在线修改机组的优先级顺序。当柴油机起动成功之后，可以自动并网合闸。当系统发出停车指令后，可以自动解列/停车。

5)电站运行状态监测备用发电机组自动起动

系统监测到一台发电机组预报警，则立即起动备用机组投入电网，以预防单台发电机组故障对电网的影响。

6)自动同步、增机和解列、减机

推进负载不同，对电站的功率需求就不同，在网发电机数量应根据负载不同动态调整。可根据实际的使用情况及机动性能的要求，实现自动起动、同步并网备用机组，或者自动解列和停止在网的一台机组。

7)大功率负载起动询问

大功率设备启动前，需向全船功率管理系统申请，全船PMS将检测在网的可用功率，当在网可用功率满足该设备起动条件时，管理系统发出允许启动信号。否则首先锁止该设备的起动，同时增加在网功率，满足该设备的启动和运行条件。

9)过负载自动分级卸载

将船上各类负载分级，当故障发生或启动大负载，需对功率进行限制时，先将优先级低的或当时不重要的负载卸载，以保证推进系统的运行。

10)自动负荷分配

PMS系统实施采集每台发电机组的功率，通过PPU可以实现发电机组在并网、运行、解列过程的负荷自动分配。

11)功率限制功能

当在网功率不能满足推进功率和其他设备的需求是，PMS会发出功率限制指令给推进系统限制推进功率的增加。

12)触摸屏监测功能

彩色触摸屏的动态显示：在触摸屏上动态实时监测柴油发电机组的运行状态、汇流排电压、频率等运行参数、电能分配状况等；同时可以在线修改电网设置参数。

故障报警功能：对柴油发电机组进行动态实时故障报警监测，并对故障进行相应的处理。

13)最小发电机组数量功能

系统可以设定在网发电机组的最小数量，即使在实际功率比较低的情况下也不减机。

14）系统自检功能

系统在起动过程中进行自检，系统本身出现的问题通过屏幕故障报警。

3.3性能指标

CPU 循环处理OB1。并逐行地读取及执行程序命令。当CPU 返回到第一个程序行时，它已经完成一个循环处理。所需要的平均扫描循环时间不大于15 ms；

系统采用模块化设计，系统易于维护；

系统采用统一的组态、编程，数据管理；

PMS及发电子站子网采用Profi-Bus总线型电气网络，通讯速率1.5 Mbit/s；

功率管理系统技术指标：

1） 启动成功达到投网电压后自动投入的时间小于30 s。

2） 机组投入运行后，频率调节精度为50±0.5 Hz。

3） 任意发电机组长期并联运行，当总负荷率在20%～100%和功率因数在0.6～0.9(滞后)范围变化时，保证有功功率分配差度不大于5％。

4） 当解列发电机组经负荷转移后，负荷率低于10%（可调），电流不超过30%In（可调）时发出分闸指令。

3.4程序及画面设计

PMS控制程序按照模块化设计的思想，整个系统主要分为以下几个功能模块：母线失电处理功能模块，PMS重载增机处理功能模块，PMS轻载减机处理功能模块，分级卸载处理功能模块，禁止多台发电机主开关同时合闸功能模块。PMS总流程图如图2。

图2 PMS控制程序总流程图

MS中的触摸屏软件采用西门子TIA Portal进行软件设计，主要包含单线图、电气参数、机组状态、系统设置、报警列表等菜单等功能。

4 结束语

本文主要从系统结构、硬件组成、系统接口、软件功能和性能等方面阐述了350英尺自升式多功能服务平台项目中的功率管理系统(PMS)的系统。实际应用证明，本系统功能完善，操作方便。

参考文献：

[1] 尚安利, 张达宽. 电力推进船舶功率管理系统综述[J]. 船电技术, 2011, 31（10）.

[2] 柯常国, 王劲, 杨俊飞. 电力推进船舶功率管理系统设计和研究[J]. 船电技术, 2013, 33(9).

[3] 向晓汉. 西门子PLC工业通信完全精通教程. 北京:化学工业出版社, 2013.

Application of S7-400H-based Power Management System to Offshore Platform

Zhang Qi, Jin Kui

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM761

A

1003-4862（2016）08-0013-04

2015-12-15

张奇（1986-），男，硕士。研究方向：船舶电力推进系统设计与应用。