基于工控机和PLC的船舶电力系统故障报警装置设计

2017-10-13候云飞施伟锋杨义伟

船电技术 2017年6期

候云飞，施伟锋，杨义伟

候云飞，施伟锋，杨义伟

（上海海事大学电气自动化系，上海201306）

为了提高船舶电力系统安全性与稳定性，文中设计了一套基于施耐德M340 PLC和ACP-4000工控机的船舶电力系统故障报警装置。装置硬件方面，运用PM800电力参数测量仪和NI数据采集仪对电力系统现场级数据进行采集，运用ACP-4000工控机对采集数据进行分析并将数据在matlab中实时显示，运用施耐德M340 PLC对所发生的故障做出相应的故障判断、分类与报警。装置通信方面，运用3条网络通讯回路实现ACP-4000工控机、触摸屏、施耐德M340 PLC、PM800电力参数测量仪之间的数据传递与共享。装置实时数据在GUI界面上进行显示，并以.mat文件储存于电脑中供用户查看与使用。实验表明，其功能可以满足船舶电力电力系统监控的要求。

船舶电力系统故障报警装置工控机 PLC GUI界面

0 引言

随着船舶日趋大型化和自动化，船舶电力系统的容量日益增大，复杂性日益提高，船舶电力系统在船舶中的重要性越来越高[1,2]。

本文通过对船舶电力系统电网侧与负载侧电流、电压、功率等数据进行读取与监视，设计一套基于施耐德M340 PLC和ACP-4000工控机的船舶电力系统故障报警装置。该故障报警装置不仅能够对船舶电力系统中数据进行集中监控，而且能对船舶电力系统中所发生的故障做出相应的故障判断与分类，最终报警面板上相应的报警器动作、工控机中记录报警数据为研究人员提供借鉴。

1 装置硬件结构设计

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[3]；船舶电力系统结构图如图1所示。

图1 船舶电力系统

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[4]。

本文设计的船舶电力系统故障报警装置硬件主要由施耐德M340 PLC、ACP-4000工控机、报警指示灯面板、电力系统参数测量装置PM800、EGX300以太网关等器件所组成。该装置分为两层：现场监控层和远程监控层。现场监控层与远程监控层是通过网络协议交换与路由器数据共享来实现的数据传递与共享。船舶电力系统故障报警装置硬件结构图如图2所示。

1）现场监控层，又称为下位机。主要是由7个模拟仪表、电力系统参数测量装置PM800、电流互感器、电压变送器、NI数据采集仪、本地控制按钮及指示灯所组成[5]。测量仪表面板分为上下两部分：

面板上层部分适用于测量负载侧电力参数的数值，负载侧电力参数即变频器到推进电机之间的电力参数。

面板下层部分适用于测量电网侧电力参数的数值，电网侧电力参数即柴油发电机组到变频器之间的电力参数。

图2 船舶电力系统故障报警装置硬件结构图

2）远程监控层，又称为上位机。主要是由XBTGT7340触摸屏、ACP-4000工控机屏幕等组成。上位机显示屏有不同功能，如下：

XBTGT7340触摸屏主要是对下位机传递上来的数据进行集中显示，并将实时数据以曲线的形式在上位机中进行相应的显示。

ACP-4000工控机屏幕主要是对路由器、NI数据采集仪的数据进行读取，通过特殊的数据传输线建立与施耐德M340 PLC中数据传输模块联系，ACP-4000工控机中通过matlab编写m文件读取施耐德M340 PLC中寄存器地址中数据，在GUI界面中进行数据的实时显示。

2 装置网络通讯设计

该套故障报警装置数据采集与共享、装置的网络通讯是通过3条网络通讯回路实现的。如图3所示。

电力系统参数测量装置PM800对电压、电流、功率等现场级数据进行采集，并将现场级数据传递至EGX300网关进行协议转换，将转换后的数据传递至路由器中进行数据共享，ACP-4000工控机机箱通过网线与路由器进行交互使数据能够在ACP-4000工控机显示器上进行相应的显示，此为装置通讯一回路[6,7]。

施耐德M340 PLC中通讯模块通过网线与路由器进行交互，读取现场级数据并对数据做出相应的判断，最终控制报警指示灯面板进行相应的报警指示灯动作，此为装置通讯二回路。

图3 船舶电力系统故障报警装置网络通讯图

施耐德M340 PLC中数据传输模块通过特殊的数据传输线与ACP-4000工控机机箱相连接，ACP-4000工控机中通过matlab编写m文件读取施耐德M340 PLC中寄存器地址中数据，在GUI界面中进行数据的实时显示，此为装置通讯三回路。

远程Web监视界面可以使用户通过访问相应硬件装置的IP地址来读取、控制、监控电力系统当前的状态。该监视界面主要分为2个部分：第一部分是对电网侧数据进行采集与读取；第二部分是对负载侧数据进行相应的采集与读取。这2部分可以在监视界面上切换[8]。

在监视界面中可实现对PM800电力参数测量仪性能的集中显示、电力系统运行趋势显示以及对电力系统的历史数据进行相关记录。

在监视选项卡中选择若干项电力参数进入趋势记录界面，两个功能区域分别以趋势图和数据表的形式向用户提供直观数据及其变化过程。如图4所示。

3 装置报警程序设计

本文设计故障监测报警系统信息处理、功能、轮机员值班三个大方面进行了报警程序的设计。报警流程图，如图5所示。

1）报警系统分组，分为分组报警与延伸报警[9]。延伸报警是专为无人机舱设置的。在机舱无人值班的情况下，必须将机舱的故障报警分组后延伸到驾驶室、公共场所、轮机长和轮机值班员住处。延伸报警通常按故障的严重性，将故障分为：①重要故障报警；②一般故障报警。分组报警则是将具体的故障报警类型按照船舶上故障的重要程度划分进延伸报警中。

图4 Web趋势记录界面

2）报警系统信息处理，分为短时故障报警与长时故障报警[10]。短时故障报警是指在系统发出故障报警后，值班轮机员尚未来得及作出应答操作，参数已自动恢复正常，这时报警声应继续保持，同时报警指示灯转为慢闪，以记忆报警状态。值班轮机员在获悉后，首先应在集控室进行消声。使声响报警停止，同时恢复3 min计时，以免系统发出失职报警。然后根据闪光灯确认报警设备进行消闪，报警指示灯从慢闪切换成熄灭。长时故障报警是指在系统发出故障报警后，值班轮机员尚未来得及作出应答操作，而参数未能自动恢复正常，此时故障报警指示灯常亮。

3）轮机员值班，是指失职报警[9,10]。失职报警是指故障已经产生并且传到值班员住处，但值班人员在3 min内未能做出相应的应答操作所设置的报警，报警系统发出失职报警后，失职报警灯常亮，轮机员只能在集控室消声应答，复位3 min失职报警计时后方能撤销。

4 装置GUI界面设计

随着现代船舶通信技术的不断发展，自动化水平的不断进步，信息集成度要求越来越高，对推进电机的当前状态和重要参数进行集中监控与管理在船舶电力系统监控中至关重要。

图5 船舶电力系统故障报警流程图

图6 故障报警GUI界面

本装置针对船舶电力系统故障报警装置的要求，利用ACP-4000工控机中matlab编写了m文件，设计了故障报警GUI界面，实现了ACP-4000工控机与施耐德M340 PLC之间的实时数据通讯、数据读取与相应故障报警程序。如图6所示。

1）过压故障GUI界面

故障报警装置设置过电压的临界值为115 V，如果调压器电压高于115 V，诊断系统则判定电力系统存在过电压故障，如图7所示。

图7 过压故障GUI界面

2）欠压故障GUI界面

设置报警装置欠电压的临界值为95 V，如果调节器电压低于95 V，报警装置则判定电力系统存在欠电压故障，如图8所示。

3）正常工况GUI界面

当系统电压在95~115 V，并且无其他故障时，GUI界面上正常工况按钮则会亮起，此时报警指示灯面板工作正常，无报警灯亮，如图9所示。

4）A相断路故障GUI界面

本文以三相短路故障中A相断路为例，利用GUI界面采集了A相断路故障中电压、电流的整体变化过程，以及对应过程中故障类型的变化。如图10所示。

图8 欠压故障GUI界面

图9 正常工况GUI界面

5 结论

船舶电力系统故障报警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、故障报警PLC控制、报警控制面板实现、人机交互界面设计和报警装置网络通讯实现等关键技术。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，船舶电力系统故障报警装置能够实现对船舶常见的故障进行判别与报警功能，具有一定的实际应用价值。