综合电力系统电力推进分系统集控台设计

刘芃澎，刘志刚

应用研究

综合电力系统电力推进分系统集控台设计

刘芃澎，刘志刚

（92196部队，山东青岛 266000）

针对舰船综合电力系统应用的推进分系统，设计了基于PLC和触摸屏的推进分系统集控台，该集控台主要用于推进电机和推进变频器运行状态机旁监控及综合电力系统能量管理推进显控台遥控间通讯。对集控台硬件、软件、通讯设计进行了详细说明，给出了PLC推进分系统启动、调速、停车流程；综合电力系统现场运行结果表明设计的集控台可以有效的监控推进分系统运行，提高了舰船综合电力系统的数字化、智能化、稳定性和可靠性，对舰船自动化管理以及远程监控水平的研究有一定的借鉴意义。

综合电力系统 PLC 集控台 监控

0 引言

舰船采用综合电力系统是舰船动力平台的一次跨越式发展，代表了舰船动力系统的发展方向，未来舰船采用综合电力系统是世界各国海军的共识[1]。作为船舶主动力的电力推进系统，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护，正成为大型水面船舶青睐的主推进系统。

随着舰船的电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理舰船系统各项参数指标在整个系统中占着极其重要的地位。良好的监控系统可以大大降低工作人员劳动强度，提高工作效率，提高整个舰船运行的稳定性、安全性、可靠性，增强舰船的战斗力[2]。

可编程控制器PLC（programmable logic control）和触摸屏在恶劣的舰船环境中，其稳定性及抗干扰性相对于计算机控制系统有较为明显的优势。触摸屏以其易于操作、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使其在工业控制领域得到了广泛的应用，解决了许多计算机所无法解决的问题。触摸屏软件具有功能强大、开发周期短、操作简单、维护简易等特点，它集显示、操作、调试、数据存储于一身，是其它显示设备所无法比拟的[3-4]。

本文针对电力推进分系统，设计了基于ABB 公司AC500系列PLC和步科自动化公司MT5620-T系列触摸屏的推进分系统集控台，对其软硬件进行详细介绍，尤其是其推进系统操作流程，该集控台主要采用基于Modbus TCP协议实现了推进电机和推进变频器运行状态机旁监控及综合电力系统能量管理推进显控台（遥控）间通讯。

1 推进分系统集控台硬件设计

推进分系统集控台采用触摸屏作上位机，PLC作下位机。触摸屏主要负责推进分系统运行状态的监测记录及控制，此外，设置了操作按钮，在触摸屏故障情况下，可通过按钮实现推进系统启动、调速、停车等控制。通过功率、转速表实现推进系统功率及转速显示，提高控制的冗余性。推进分系统集控台实物图如下图所示。

推进分系统集控台主要由步科触摸屏MT5620T、ABB的PLC模块（包括CPU模块PM592-ETH及CPU底板TB541-ETH、数字量输入输出模块DC532、DC522、模拟量输入输出模块AX522、CAN通讯模块CM578-CN、以太网通讯扩展模块CM577-ETH）、以太网集线器、若干继电器、按钮、指示灯等构成。

PM592-ETH是ABB公司AC500系列中配置较好的PLC，指令运行速度高0.002/0.006/0.006ms位/字/浮点运算确保了推进系统有较好的实时性，其自带闪存4G及支持扩展存储SD卡，可对通讯中的重要数据进行实时保存，PLC保存的数据可通过网络基于FTP方式进行访问，PM592-ETH支持各种通讯协议，通讯端口包括串口RS232、RS485及以太网口。

MT5620T触摸屏是步科公司中MT5000系列中10.4寸触摸屏，其CPU数据处理速度快，通讯端口包括串口RS232、RS485和以太网接口，支持Modbus ASCII、RTU、TCP/IP等协议，支持多串口同时通讯功能，多个触摸屏可以任意组网，支持扩展存储器SD卡。触摸屏中波形数据可保存至SD卡中或重要页面也可通过截屏保存至SD卡中。

2 推进分系统集控台软件设计

2.1 集控台软件功能设计

集控台监控软件以控制和实时监测推进分系统中设备参数为中心，具有功能完善、操作简单、可视性好的特点，具体功能如下：

1）推进电机、变频器运行状态监控及与推进显控台通讯

集控台与推进电机安保柜进行通讯，将推进电机相关参数集中显示，并能实现电磁阀开启、关闭控制；集控台与推进变频器主控制器进行通讯，显示推进变频器运行状态，设置变频器参数，控制变频器启停；集控台与能量管理推进显控台通讯，将推进电机、推进变频器所有数据上传及接收能量管理的控制指令。

2）故障检测、报警与处理

实时监测推进变频器、推进电机运行状态及参数，判断故障发生及类型，并根据故障类型报警或主开关分闸及发电机灭磁。

3）故障信息的显示、存储、打印

监控界面设置有故障信息显示页面，显示当前故障信息及历史故障信息，如故障类型、发生时间、持续时间等，并将故障信息保存至PLC外扩存储器SD卡和触摸屏SD卡中。触摸屏可通过USB端口连接打印设备，可以打印以上信息。

4）推进分系统控制功能

推进变频器控制方式有机旁和遥控两种方式，机旁则是集控台控制推进变频器的工作方式，而遥控则是能量管理推进显控台控制变频器的工作方式；推进电机也有机旁和集控台两种方式，机旁则是推进电机安保柜控制的工作方式，而集控台方式则是集控台控制推进电机的工作方式。

5）安全功能

为避免现场操作的任意性和无序性，防止因误操作干扰系统的正常运行或导致系统瘫痪，对操作进行了互锁，对系统参数、用户级别和权限均做了限制，严格规定各类操作的权限。每次操作指令增加了确认按钮，确保每次控制指令只发送1次，提高了控制的可靠性和通讯效率，大大减少了推进变频器主控制器因需实时响应控制指令对内存资源的占用频率。此外还对推进分系统机旁、遥控进行优先级设置，机旁优先于遥控，避免两种模式混合运行。

2.2 集控台软件程序设计

集控台软件分为PLC控制软件和触摸屏人机界面软件两部分。PLC程序实现与外部通讯、数据处理、逻辑判断、控制执行及存储等功能；触摸屏程序通过以太网直接访问和修改PLC变量，实现推进分系统状态的显示、控制和保存功能。

2.2.1集控台PLC程序设计

推进分系统集控台下位机PLC选用了ABB公司配套的编程软件Control Builder Plus，PLC程序基于最流行的编程系统CoDeSys，采用ST语言编程实现。ST语言是一种自由纯文本的编辑方式，没有固定的格式限制，与C语言类似，是一种高效的自动化程序开发语言。

PLC程序主要由逻辑互锁参数限幅子程序、推进电机通讯子程序、推进变频器正常数据收发子程序、推进变频器故障数据收发子程序、推进变频器故障急停子程序等5个程序。其中前4个程序为定周期模式，4个程序并行运行，运行周期为10 ms，而故障急停子程序为自由周期运行模式，自由周期运行模式下能实现故障或紧急情况下主开关以最快速度分闸。

推进分系统遥控或机旁控制可分为启动、调速、停机三步，流程图分别如图2~3所示。

2.2.2触摸屏监控界面设计

集控台上位机选用上海步科自动化有限公司开发的软件Kinco HMIware组态编程软件进行组态，该软件是为MT4000/5000系列HMI开发的专用人机界面组态编程软件，具有强大的集成开发环境，可以使用该软件为人机界面创建操作员面板并配置操作参数。该软件提供了设计人机界面项目从数据采集到创建并显示动画的各种所需的所有工具。根据监控软件具体功能，本软件设计了以下监控界面。

1）主监控界面

主监控界面直观的显示整个推进分系统工作状态，包括变频器各通道输入电压、输出电流、开关管状态、推进电机转速等。

2）推进变频器监测界面

推进变频器所有状态集中显示于该界面，便于操作人员全面掌握推进变频器的运行状态。

3）推进电机监测界面

推进电机所有状态集中显示于该界面，便于操作人员全面掌握推进电机的运行状态。

4）故障记录界面

自动将系统历史故障信息归档，显示故障发生的日期、时间、故障类型、结束时间等，便于故障分析。

5）数据趋势图

6）操作日志

记录机旁或遥控操作人员控制推进分系统的所有信息，便于查询人员操作情况。

图1 变频器启动流程

7）系统设置

设置系统参数，如语言、时间、本地IP等。

8）远程访问界面

触摸屏具有远程访问功能，用户输入触摸屏IP，即可通过PC机访问监控界面。

9）登陆界面

“越中山水之奇丽者，剡为之最。剡中山水之奇丽者，金庭洞天为之最。其洞在县之东南。循山趾而右去，凡七十里，得小香炉峰，其峰即洞天之北门也……真天下之绝境也……是以琅琊王羲之领右军将军，而家于此山。其书楼墨池，旧制犹在……其金庭洞天，即道门所谓赤城丹霞第六洞天者也……过此峰东南三十余里，有石窦牙为洞门，即洞天之便门也。人或入之者，必赢粮秉烛……莫臻其极也……登书楼，临墨池，但见其山水之异也，其险如崩，其耸如腾，其引如肱，其多如朋。不三四层，而谓天可升。”[3]7520

对于控制触摸屏设置了登陆密码，防止无关人员误操作。

图2 变频器调速流程

图4给出了推进分系统触摸屏主监测页面。页面最上方是标题栏，栏内包含页面标题、动态报警条和返回图标。根据推进分系统运行状况，报警条滚动显示“推进分系统运行正常”、“推进变频器故障”、“推进电机故障”三种状态中的一种。返回图标的作用是返回上一级页面，在一级页面内同导航图标一样，触控即返回导航页。页面最下端任务栏内添加了“截屏”图标和常用页面切换图标，触控“截屏”即可保存当前页面至SD卡，以当前日期时间命名。

图4 主监测页面

标题栏和任务栏之间是页面的主题部分，重点显示181个变频器参数、7个电机参数和15个备用端口参数。页面内推进分系统的构成、接线、布局与实际情况并不完全相符，采用图片形式的主要目的是为显示参数提供一个形象直观的平台。

变频器柜体上绿色的显示灯为变频器单元的报警显示灯，绿色表示本单元无故障，红色表示本单元有故障。

3 推进分系统集控台通讯设计

推进分系统下位机PLC主要与步科触摸屏、推进变频器主控制器、推进电机和能量管理推进显控台进行通讯。

3.1 触摸屏与PLC通讯

PLC与触摸屏通讯方式采用工业以太网基于Modbus TCP/IP方式，其具有协议开放，与不同厂家设备兼容，能实现远程访问、远程诊断、具有网络速度快、实时性强、系统安全性高成本低等特点。与串口RS485相比，Modbus TCP/IP 允许使用更多的地址，可以采用多主站架构、传送速率可达GB/s的水平，Modbus TCP网络的从站数量仅受限于网络物理层的能力，通常从站的数量一般在1024个。由于步科触摸屏暂还不支持与ABB公司PLC的以太网通讯协议，故在触摸屏组态时PLC是选用的是Modbus TCP Slave通用模块。

3.2 集控台PLC与推进电机通讯

PLC与推进电机安保柜采用以太网方式，基于Modbus TCP/IP协议下进行主从通讯。其中集控台作为主站，推进电机安保柜作为从站，主要实现推进电机温度、流量、压力、功率显示及电磁阀的开启、关闭控制。

由于PLC自带的以太网口已用于与上位机两触摸屏通讯，并作为从站，而PLC与推进电机安保柜以太网通讯要求PLC作为主站，故用以太网通讯扩展模块CM577-ETH对PLC以太网通讯口进行了扩展，CM577-ETH模块有两个以太网通讯口，选用其中一个以太网通讯口用于与推进电机安保柜基于Modbus TCP/IP通讯，PLC作为主站。为了调试的方便，CM577-ETH模块另一个以太网通讯口连接到以太网集线器，便于个人PC机基于以太网方式对推进电机安保柜访问。

3.3 集控台PLC与推进变频器通讯

PLC与推进变频器主控制器采用串口RS232/Modbus RTU和CAN2.0B通讯方式，RS2332主要实现控制指令下发，而CAN2.0B实现主控制器待监控数据快速上传，最终实现变频器每个开关器件和系统运行状态、故障状态、输入电压、输出电流监控及转速设置与显示、开/关机控制、充放电控制以及相关控制参数的设置等。Modbus RTU通讯具有简单、硬件便宜、通用性强、使用方便的优点，容易开发和实现，16位的CRC校验，确保了通讯正确性，Modbus RTU几乎成国产PLC首选的串行通讯协议，在同样的波特率下，Modbus RTU通讯方式相比Modbus ASCII效率更高。

3.4 集控台PLC与能量管理推进显控台通讯

PLC与能量管理显控台之间采用CAN2.0B通讯方式。考虑到距离比较远，采用CAN转光纤方式通讯，主要实现推进变频器、推进电机变频器调速和开关机功能。推进系统状态显示则通过以太网Modbus TCP协议通讯，能实现远程访问、远程诊断，具有网络速度快，成本低等特点。

3.5 集控台PLC与其它通讯

PLC程序或触摸屏工程在线调试及上传下载均通过以太网实现，个人PC能够通过网络很方便快速的访问PLC和触摸屏，非常实用。比如，一个触摸屏工程若通过串口下载将耗时约10分钟，而通过以太网将不到半分钟，PLC工程下载也类似。PLC保存的数据也可通过以太网基于FTP方式远程访问。

比较重要的控制指令直接通过硬件与PLC数字量输入输出模块相连。其中集控台与能量管理推进显控台、中压配电板、变频器柜体之间分别有硬线连接。

4 试验结果

将研制的推进分系统集控台用于推进电机和推进变频器控制，以验证设计的集控台正确性、可行性。推进电机同轴联接水力测功机，水力测功机用来模拟螺旋桨负载（螺旋桨负载与转速三次方成线性关系），从而推进电机输出轴功率与推进电机转速成三次方关系。图5~6为推进电机带水力测功机试验时，推进分系统集控台触摸屏画面截图。

推进分系统集控台控制界面主要设定推进电机转速、转速升速率、转速降速率、推进电机转子电阻和磁链等参数及推进电机转速和推进变频器励磁转速电流显示等。

综合电力系统原动机为燃气轮机，要求负载线性加载，而水力测功机负载与推进电机转速三次方成线性关系。为满足负载线性加载，推进变频器给定推进电机转速为时间的开三次方关系。从图6可以看出在推进电机转速范围为-nmax~ +nmax转时，推进电机实际测量转速与给定转速吻合良好，较好的与时间成开三次方关系。

图5 推进分系统集控台控制界面

图6 集控台推进电机给定、测量转速显示

通过图5~6试验截图分析表明，推进分系统集控台较好的实现对推进电机和推进变频器的数字化控制，集控台设计正确、合理。

5 结论

本文采用基于Modbus TCP/IP、Modbus RTU CAN2.0B通讯等协议，设计了基于PLC和触摸屏的推进分系统集控台。集控台通过以太网将推进电机、PLC、触摸屏及编程调试接口形成网络，非常便于初期调试。综合电力系统现场运行验证表明集控台设计的正确性、可行性。推进分系统集控台的设计方法和思想可以为将来舰船自动化、智能化提供一定的借鉴。

[1] 马伟明. 舰船动力发展的方向－综合电力系统[J]. 海军工程大学学报, 2002, 14(6): 1-5,9.

[2] 蒋晓峰, 施伟锋, 刘以建等. 基于触摸屏和PLC的船舶电站监控系统设计[J]. 电力自动化设备, 2011, 31(1): 122-125.

[3] 谭威. 基于PLC的工业控制系统的设计与实现[D]. 华中科技大学, 2007.

[4] 黄永红, 吉裕晖, 杨东. PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J]. 电机与控制应用, 2007, 34(10): 40-43.

Design of Centralized Control Console for IPS Electric Propulsion Subsystem

Liu Pengpeng, Liu Zhigang

(Unit 92196, Qingdao 266000, China)

TM612

A

1003-4862（2021）02-0060-05

2020-09-15

刘芃澎(1985-)，男，助理工程师。研究方向：潜艇动力装备技术应用。E-mail: 330267277@qq.com