基于PLC S7-1200的船舶电站综合保护装置的设计与实现

2017-05-24吴志良

船电技术 2017年4期

劳山，吴志良

劳山，吴志良

(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026)

船舶电站综合保护装置是为保证船舶电站乃至船舶的安全运行而设置的。本文根据船舶电站综合保护的基本原理，选用西门子公司的S7-1200 系列PLC作为核心控制器，设计了船舶电站综合保护装置。为了提高可靠性，本文还设计了船舶电站综合保护装置的后备保护环节。经实验室试验验证，该船舶电站综合保护装置可以稳定、可靠地完成设计的功能，实现船舶电站的综合保护。

船舶电站综合保护装置信号采集后备保护

0 引言

随着船舶技术的发展，船舶对于电站的自动化程度要求也越来越高，船舶电站自动化是船舶机舱自动化的重要组成部分。船舶电站的安全、可靠运行关系到船舶的安全航行和经济运行。船舶电站的综合保护装置就是为了保证船舶电站安全、可靠运行而设置的[1]。船舶电站的综合保护装置主要功能是实现对船舶同步发电机的过载、短路、欠压和逆功率四种保护。

本文设计的船舶电站综合保护装置采用西门子公司生产的S7-1200系列PLC作为核心控制器。S7-1200 PLC将逻辑控制、网络控制以及人机界面集成于一体，具有模块化、结构紧凑、功能全面、组态灵活、集成工业以太网通信接口和指令集功能强大等特点[2]。其强大的功能以及高的可靠性适合应用在工作环境恶劣的船舶上[3]。

1 信号采集

信号采集包括数字量信号（如发电机主开关的合闸状态和分闸状态等）的采集和模拟量信号（如发电机和汇流排的电压、电流等参数）的采集。

1.1 数字量信号的采集

数字量信号的采集由CPU1214C DC/DC/DC模块和SM 1223DC/DC模块完成，这两个模块可接收的数字量信号为DC 24V。

1.2 模拟量信号的采集

模拟量信号的采集由CPU1214C DC/DC/DC模块和SM 1234 AI/AQ模块完成，S7-1200 PLC可接收的模拟量信号为DC 0-5V。本文设计中发电机电压信号的获取方法是，通过电压互感器将发电机的电压变换成AC 0-100V信号，然后将电压互感器的二次侧信号送到电压变送器变换成PLC模拟量模块可接收的DC 0-5V信号。发电机电流信号的获取方法同发电机电压信号的获取。其中电压变送器和电流变送器采用的是北京敬业电工集团生产的电量变送器，其参数如表1所示。

2 综合保护装置的设计与实现

我国《钢制海船入级规范2012》规定，针对船舶低压同步发电机不正常运行或故障情况，主要应该设置过载、短路、欠压和逆功率四种保护[4]。本文主要设计完成了上述的四种保护，整定值依据我国《钢制海船入级规范2012》设定。船舶电站综合保护装置的基本组成框图如图1所示。

2.1过载保护的设计与实现

对于过载保护，船舶同步发电机都设置有自动调压器，其作用是维持发电机电压维持在额定值。由于船舶发电机的电压基本维持恒定，当出现过载故障时，发电机的电流会超出正常值，所以通过检测发电机的过电流就可以实现过载保护[5]。

本文根据所使用试验平台的实际情况设置如下：当发电机电流超过其额定电流的10%，经过延时2 min发出声光报警信号，值班人员可以根据实际情况进行增加发电机组数或者切断次要负载来保证船舶的安全航行；当发电机电流超过其额定电流的30%，经过延时25 s自动发出断开发电机主开关命令并发出声光报警。如图2所示为发电机过载保护的流程图。

2.2短路保护的设计与实现

如果出现短路故障，船舶发电机定子绕组到故障点会产生非常大的短路电流，该短路电流的机械和热效应会对船舶发电机造成毁灭性的伤害。短路保护也是通过检测发电机的电流来实现的。

在短路保护的设计中，既要保护发电机又要尽可能保证不中断供电。因此本文短路保护的设计有短路短延时保护和短路瞬时保护两种保护来兼顾保护的选择性和快速性。

实现保护选择性的两个原则是时间原则和电流原则。时间原则要求从发电机端到负载端逐级减小各保护延时的整定，电流原则要求从发电机端到负载端逐级减小各保护动作电流值的整定。

图2 发电机过载保护流程图

本文根据上述两个原则，结合我国《钢质海船入级规范2012》以及试验平台的实际情况，确定短路短延时保护的启动电流整定在发电机额定电流的200%，延时时间为0.6 s。

在短路短延时保护的设计中，越靠近发电机端的延时时间越长，而实际情况中越靠近发电机端的短路电流越大，要求保护装置能够迅速动作。这是相互矛盾的，因此引入短路瞬时保护进行补充，从而减小发电机端短路给发电机造成的伤害。根据我国《钢质海船入级规范2012》以及试验平台的实际情况，确定短路瞬时保护的启动电流整定在发电机额定电流的600%，瞬时跳闸。

2.3欠压保护的设计与实现

对于欠压保护可以通过检测发电机的电压来实现。设计欠压保护的目的是分断在网运行的低电压发电机，不允许低电压的发电机并网。

发电机欠压保护值在整定时要躲过大负载启动时造成的电压下降。根据我国《钢质海船入级规范2012》以及试验平台的实际情况，发电机电压降到额定值60%时延时2.5 s断开发电机的主开关，发电机的电压降到额定值的30%时瞬时断开发电机的主开关，从而保护发电机。另外，当电压低于80%的额定值时，本文设计不允许该发电机进行合闸操作。

2.4逆功率保护的设计与实现

本文设计通过功率检测单元进行逆功率的检测，其原理图如图3所示。将功率检测单元输出的逆功率信号传送给PLC，由PLC控制发电机主开关的分断。图3中的场效应管Q1为功率检测器件，A相电压信号加在Q1的栅极上，控制Q1的导通，而A相电流信号加在Q1的源、漏极之间。这样，电容C1上的电压平均值比例于发电机的有功功率，证明如下：

令：

（2）

当Q1导通时，，此时，则C1上的电压平均值U为：

(3)

由（3）式可以得出U与有功功率成正比，当出现逆功率时，> 0。图3的运放YB为逆功率保护启动器件，YB的5点电位为逆功率的实测值，4点电位为逆功率保护整定值（通过R11可以调节整定值，本文逆功率保护的整定值调整在10%Pe）。当逆功率的实际值大于整定值时，YB输出高电位信号给PLC，PLC延时5 s断开发电机主开关。

3 后备保护环节的设计与实现

上述综合保护装置由一台PLC实现，但是当PLC直流电源发生故障或PLC的硬件发生故障时，发电机的保护环节便失去了作用。对此，设计了发电机后备保护环节。

3.1 硬件设计

本文后备保护环节的设计实现了在主保护PLC发生故障不能工作后，由另一台后备保护PLC取代实现发电机的保护功能，以提高保护环节的高可靠性。主保护PLC与后备保护PLC并联运行，当主保护PLC运行良好时，后备保护PLC屏蔽自身输出。当主保护PLC因为故障而无法继续工作时，后备保护PLC接管控制权为发电机继续提供保护，提高了船舶发电机保护的可靠性。

本设计主保护PLC和后备保护PLC均为S7-1200 PLC，其CPU为1214CDC/DC/DC，如图4为主保护PLC在编程软件中Portal视图的硬件组态情况。

船舶电站所有的保护动作指令都由主保护PLC发出，后备保护PLC在硬件方面需与主保护PLC硬件保持向下兼容，也就是说后备保护PLC的硬件部分（如信号模块）要比主保护PLC全面或者至少要保证相同，才能保证当主保护PLC因故障失效后，后备保护PLC能够完全接任控制权对发电机实行保护。本设计的后备保护PLC的硬件部分与主保护PLC完全相同，两者同时采集需要检测的所有信号，输出端也短接后连接到同一第三方设备（如继电器）。由于S7-1200 PLC只支持从组态软件中更改CPU的工作状态，不支持由外部硬件改变CPU工作状态，也就是说后备保护PLC必须处于热备状态，只要船舶电站投入运行，两者同时处于工作状态。为了防止出现误动作，当主保护PLC处于正常状态时，将给后备保护PLC一个输入信号，此时后备保护PLC根据收到的信号来判断主保护PLC的状态，若此时主保护PLC处于良好运行，后备保护PLC会屏蔽掉自身的输出，以免对第三方设备造成干扰。若判断出此时主保护PLC处于故障状态，后备保护PLC接管保护控制权，同时发出后备保护PLC在网的提示信号，提醒值班人员检修主保护PLC。为保证设计的可靠性，主保护PLC和后备保护PLC应采用两个不同的直流电源进行供电，以防止当直流电源出现故障两个PLC都无法工作。

3.2 软件设计

发电机后备保护的软件设计主要包括以下几个部分：

1)主备状态确定及切换：当主保护 PLC运行出现故障，此时如果后备保护 PLC自检正常，通过主备切换，后备保护PLC将升级为主机，而故障设备退出运行，并报警提示。

2)数据同步：主保护PLC在运行过程中定时将实时数据信息备份到后备保护PLC，这样在主保护 PLC发生故障时后备保护PLC可以实现无扰动的接替工作。

3)故障自诊断：主保护 PLC以及后备保护PLC在运行过程中都必须定期对自身硬件进行检测，并判断是否出现故障，给出诊断信息。