船舶电站系统控制的流程设计

翁荣政

（江西铜业（铅山）光伏发电有限公司，江西 上饶 334000）

0 引 言

船舶技术在一定程度上可以衡量一个国家的经济发展水平，船舶的重要组成部分是船舶发电站，也是象征船舶技术的重要内容。自21世纪开始，造船市场繁荣，给社会提供了很多的就业岗位，也是造船业发展的重要契机。要求船舶越来越自动化是由于船舶的三大特点，大型化、高度化及自动化。此外，人工智能、网络通信以及控制理论在船舶的应用上也越来越频繁。

为完成自动化船舶的功能，已经有了继电器、联系人及不连接的综合部件组成的接触控制系统。大规模集成电路的结构和模块化也大大减少了微型计算机控制系统的数量和重量，提高了工作的可靠性[1]。控制模式从硬件控制转变为软件控制，便于组合、扩展或修改；模块化更利于通用。计算机控制是通过中央计算机控制形式开发的，并开发了一种分散的微波控制形式，提高了工作可靠性。然后产生了具有通信应用程序的多层次分布式控制系统。

1 船舶电站的整体框架和工作原理

1.1 电站自动化系统总体设计方案

网络检测系统是由设备、监测网及网格组成的。依据船舶电站越来越自动化的要求，该系统包括通过全面控制组织起来的船舶电站自动化所需的功能，每一种功能是各不相同的，但是各种功能也是相互联系的，如图1所示。

PLC的关键作用就是操作智能手机数据、控制现场的设备等。引擎组的启动和制动是其负责的，频率调制、对平行操作的控制、运行的机组数量及负荷大功率的管理也是其负责的。上至下之间的通信采用RS485方法进行，包括主站和控制室（工程师工作站）之间的通信。可使用工程控制配置软件，即所谓的“视频控制”来进行工控组态软件的操作

1.2 船舶电站控制系统的工作原理

1.2.1 船舶同步发电机并联运行原理

通常，由于船上的货物量大，装载能力大，满载要求一般无法通过一台机组来满足，船舶供电的电荷需求一般是由两个或者两个以上的机组提供。这种设计比一个装置更安全，且成本效益更高。两台发电机都挂接在母线上，将机组投入运行的过程称为并车操作。

1.2.2 船舶同步发电机并联运行的具体实现

第一，手动准同步并车。这种拉近方式是通过操作员观察测量仪，然后将车辆拉近。它要求操作人员观察电压计的大小，以便比较网络电压，并在相同情况下，能够进行合闸并车操作。但在某些情况下，不可以进行并车行驶。例如，有较少的大功率负荷进入船舶电厂网络时，并车操作是不被允许的。如果电压网络连接到过大的功率负载，会在一瞬间拉低电压，如果此时操作并车，会造成系统电压波动、各个子系统电压不等以及损坏电站设备。并车运行应该在负荷不变的情况下进行。手动准同步并车步骤如图2所示。

图1 电站总体框图

图2 手动准同步并车步骤框图

第二，自动准同步并车。自动准同步并车几乎完全取决于相应的设备测试，自动并车装置基本组成如图3所示。这些装置的基本功能具体如下。

（1）检测频差方向，比较待并发电机频率和电网的频率，若两者相等就发出合闸信号，若不等，则启动调速的装备，并调整并发电机，然后改变并发电机的频率，直到两者的频率相同为止。这有利于为合闸提供优越的条件。

（2）综合校验电压、相位以及频率，合闸信号会在三者都满足条件时发出。如果有一种条件没有被满足，就会闭锁信号，造成禁止合闸并车。

（3）可以预先发出合闸信号，合闸信号会在满足条件的那一瞬间发出，有利于减少误差，特别是仪器设备造成的误差。

图3中，±Δf代表系统可以承受的最大频率差的环节，Δf代表小幅度的调节频率，ΔU表示系统能够最大承担的电压的波动量，Δf允表示系统能够最大承受的频率差。

图3 自动并车装置基本组成框图

2 设计电站控制系统的硬件

2.1 设计测量控制单元

2.1.1 测控单元原理

正常地对测量仪器的输出电压和输入电压进行测量是测量仪器的重要工作，也可以测量电压差和网格之间的单位电压，并车时测控单元需要得到机组与电压间的电压差、频率差以及相位差。这些量都需要相应的转换电路才能得到。测控单位直接跟柴油发电机、继电器及变送器等相连，完成数据的采集，管理系统接收这些数据，按照事先的程序运行，将运行结果输出给执行结构。这些测控模块包括模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块及报警系统等[3]。

2.1.2 57-300 PLC控制信号

柴油机、电网以及发电机均由PLC控制，PLC在接收数据后将数据进行处理后发送给设备。这就是PLC控制的流程。机组启动、并车及解列是船舶电站的大致工作。船舶电站应按规定的程序进行操作，操作前要检查一些数据，如电压、电流、温度及压力等。

2.1.3 控制屏

为了更好地观测数据，还需要大量的控制屏。控制屏主要包括岸电控制屏、发电机控制屏、同步控制屏及负载控制屏等。

2.2 控制器的选择

该设计选择可编程控制器（PLC）作为主控制器，可以很好地执行船舶发电站的控制功能，实现发动机自动启动、自动并车和解列、自动停车、询问以及重载等功能。此外，PLC可以有效地执行保护功能。使用电流转换器和电压变压器主要是用来测量轮胎的电流和电压变压器。通过软件设计和计算，可以成功地执行电压保护、电流保护及反向功率保护等操作。

2.3 编程软件

降级使用STEP7软件培训课程，符合国际标准和适用技术条件。因此，此课程不仅可以作为软件工具，而且可以用来组成工业控制参数。SIMATICSTEP 7具有这样功能的参数配置和硬件配置，启动和维护通信、文件建档、编程、测试等功能，可以在网上公开或使用鼠标选择对象时，F1键可以了解在线帮助对象。

2.4 具体功能模块的编写

2.4.1 柴油发电机自动启动控制

一般柴油机的启动有两种方式，分别是电启动和压缩空气启动。设计中，电机采用的是压缩空气启动，启动时需注意如下问题。

（1）需要选择一个更好的预润滑系统，以确保润滑系统运行良好，并减少柴油内部摩擦损失。

（2）当柴油启动时，应该保持谨慎，因为柴油在发射时是由手柄控制的。调节器是在工作状态。

（3）机组的正常、快捷起动需要柴油机系统具备良好的暖缸和冷却的循环系统。

（4）当对柴油机进行制动时，不可以骤然停止。

本项目将工作条件设为考虑范围，因此启动了3次发电设备。船舶电站自动启动程序流程如图4所示。

2.4.2 自动准同步并车控制

准同步并车条件的判定

由于等效电压、频率及相位通过并车来实现，因此PLC的管理需要运行3个单独的模块。电压模块用来调节电压，频率模块用来调节频率，相位模块用来调节相位，最终实现相同的电压、频率以及相位，然后发出合闸信号[4]。

2.4.3 PLC接口通道的实现过程

自动并车模块硬件连接原理如图5所示。

（1）电压的检测是通过电压互感器进行的，发电机和电网都配备了电压互感器来选择通过PLC传输的电压信号来决定其等价性。

（2）频率的相等是通过光电编码器、PLC及高速计数器相互配合来判断，也可以判断信号是否相等。

（3）发电机速度的调节是PLC的输出接口通过连接调速器进行调节。这样可以调节发电机的频率和电压。

（4）合闸装置是通过PLC输出接口进行连接，以便发出合闸信号并控制合闸。

（5）机组设备的运行状况和报警信号的发出是通过PLC的指示灯以及故障显示装置反映。

图4 船舶电站自动启动程序流程图

图5 准同步自动并车原理框图

3 结 论

本文根据相关理论对船舶控制器的整体进行了原理设计，对于一些技术选型也给予说明。此外，文章对电子系统设计进行了相对比较完善的说明，并在自启动控制柴油发电机、自控制准同步并车控制及接口通道的实现等方面进行了较为细致的研究。