微型船舶电站仿真操作系统设计

王 瑞 王宗涛 韩廷选 胡亚辉

（天津理工大学海运学院，天津 300384）

0 引言

船舶电站是安装在船舶上用于为船舶提供电力的系统，船舶电站对发电机发出来的电能进行管理分配，使其更好地供应到设备上。由于船舶电力系统独立于岸上的电力系统，船舶电站单独为船舶电力设备供电，因此，其功能的重要性显得尤为突出[1]。

我国每年都有大量的航海类院校毕业生选择从事航海事业，船员培训市场的前景非常可观。船舶电站的相关知识在电子电气员适任考试中所占比例较大，包括对理论和实操2个部分的内容进行考核，系统性较强，学习难度较大[2]。

针对上述问题，该文设计了一种基于PLC与组态王Kingview的微型船舶电站仿真操作系统。该系统配有硬件操作按钮、油门调速开关、同步表选择转换开关以及指示灯等，并集成在船舶电站仿真操纵面板上；还配有由组态软件开发的船舶电站仿真仪表显示界面。当操作者在操纵面板上进行操纵时，上位机的模拟仿真显示仪表会动态显示相关参数的变化。利用PLC进行控制，并通过RS-232接口与上位机进行通信，能够实现3台发电机的并车、均衡负载和解列等功能，并且可以在“手动、半自动和自动”3种控制模式下稳定运行。

1 船舶电站仿真操作系统的软件设计

1.1 组态界面的建模与仿真

选用组态王Kingview对该系统的组态界面进行设计，使系统的人机界面更加友好，增加操作的真实感，满足操作者的视觉习惯。

船舶电站的建模主要包括控制屏、负载屏、并车屏、仪表（电压表、功率表、频率表、电流表和同步表等）以及指示灯、合闸和分闸按钮等状态量的构建。

主操作界面如图1所示。在该界面内，操作者可以进行“手动、半自动和自动”3种控制模式下的并车、均衡负载以及解列等仿真操作。

图1 主操作界面的人机显示屏

该仿真操作系统对3台发电机进行仿真。操作界面包括1号发电机控制屏、2号发电机控制屏、3号发电机控制屏以及并车屏。发电机控制屏有4块仪表：电流表、功率表、频率表和电压表。在并车屏上也有4块仪表，分别是电压表、待并发电机频率表、在网发电机频率表和同步表。在并车屏下方均匀分布有用于并车、解列操作的相关按钮和转换开关。页脚中独特地设计了7个功能按钮：前三个按钮可以实现3台发电机之间在操作时切换界面的功能；“负载屏”按钮用于弹出负载屏界面，监控负载工作状态；按下“变量监控”按钮后会弹出含有所有变量的监控界面，便于在开发和维护系统时了解变量状态；“开始／复位”按钮的功能是在初始进入组态软件的主界面时，通过按动该按钮进入仪表仿真界面，并初始化所有变量，还可以在系统任意运行过程中按动该按钮实现对软件和硬件中所有变量的复位；在系统任意运行状态下按动“退出”按钮都将使组态软件退出运行状态，变为编辑状态。

另外，在仿真装置的操纵面板上设计了“NO.1仪表、NO.2仪表和NO.3仪表”3个按钮，用于对发电机的仪表进行放大显示。

1.2 组态软件程序设计

1.2.1 并车程序设计

该系统可以对船舶电站同步表法并车操作进行仿真设计。手动与半自动控制模式下的并车操作都是根据在网发电机的运行状态及负载情况人为地判断是否需要并车。手动并车操作流程如图2所示，该过程中油门调速开关的调节和合闸时刻的选取均由操作者来完成；而半自动并车操作则是由系统自动完成的。在全自动控制模式中，由系统自动判断是否需要并车；当需要并车时，系统自动判断合闸条件并做出相应调整。并车过程最重要的是对合闸时刻的把握，如果合闸失败，就会导致原本在网运行的发电机组跳电，从而造成全船失电。在开发该系统时专门为合闸失败设计了报警窗口，如果操作者合闸时机把握不当就会弹出报警窗口；此时，按下“开始/复位”按钮即可进行复位。

图2 手动并车操作流程图

1号发电机和2号发电机完成并车后的仪表状态如图3、图4所示。

图3 1号发电机并车后仪表运行状态图

图4 2号发电机并车后仪表运行状态图

1.2.2 解列程序设计

与并车过程相似，手动和半自动控制模式下是否需要解列也是由人工来决定的，而全自动模式则是由系统自动判断的。在进行手动解列操作时，操作者同时向相反方向调节2台发电机对应原动机的油门调速开关；为了防止逆功率，要注意观察被解列发电机的功率表，当功率表指针低于额定功率的5% 时，按下并车屏上面的分闸按钮，该发电机解列完成，功率降为0 kW。半自动和全自动控制模式下的解列操作均由系统自动完成，当被解列发电机的功率低于额定功率的5% 时，自动分闸。

在解列过程中，如果出现逆功率现象，就会弹出报警窗口，按下“开始/复位”按钮即可复位。

2 船舶 电站仿真操作系统的硬件设计

2.1 PLC的I/O点数分配

在该系统中，PLC与组态软件之间传递的参数均为开关量，而仪表显示的模拟量则在组态软件中进行定义及运算，不在PLC中进行运算，PLC只采集仿真装置操纵面板上的开关状态，并通过传输线缆将其传送给组态软件，进而控制组态软件操作界面中的仪表动作。

在设计该系统时，需要给操纵面板上的每个带灯按钮分配1个输入点和1个输出点；给每个不带灯的负载开关均分配1个输入点；选择同步表开关时，因为该系统模拟3台发电机的仿真操作，所以要满足选择3台发电机的功能，就需要给其分配3个输入点；每个调速开关均有2个功能：加速和减速，因此每个调速开关分配2个输入点；手/自动选择开关在编程设计时用MANU=1表示进行手动操作，用MANU=0表示进行自动操作，显然只需要给每个手/自动选择开关分配1个变量即可。

综上所述，系统操作面板总共需要45个开关量输入点和29个开关量输出点，具体I/O点数分配情况见表1。

表1 PLC I/O点数分配表

2.2 PLC程序设计

在该系统中，PLC程序的主要功能是将仿真装置操纵面板上的按钮等开关量与组态王中相应的变量一一对应起来。由于在不同操作界面下每个按钮所实现的功能会发生变化，因此共设计了10个子程序来实现全部功能。

另外，在组态王数据词典中，需要定义PLC和组态王之间进行参数传递的变量，从而将PLC中I/O端口的状态实时地传送到组态界面，进而控制相关仪表的动作。

3 船舶电站仿真操作系统的功能

基于组态王开发的船舶电站仿真操作系统仪表显示界面几乎可以模拟船舶电站所具备的所有功能；但是由于硬件资源及成本限制，因此，设计该系统时，只对船舶电站常用功能以及海事部门对船舶电站实操评估考试中要求的重点、难点操作进行了仿真。具体可实现的功能如下：1）发电机及其原动机的启停。2）手动、半自动和自动3种控制模式下3台发电机组之间并车、解列以及均衡负载等功能。3）并车、解列失败报警功能。4）系统一键复位功能。

4 结语

船舶电站是船舶的重要设备，它单独为船舶电力设备供电。该文基于PLC和组态王Kingview开发的微型船舶电站仿真操作系统能够模拟3台发电机在“手动、半自动和自动”3种控制模式下的并车、均衡负载以及解列等功能，符合船舶电站的相关操作要求；可以用于航海类院校、船员培训机构教学以及电子电气员适任实操评估模拟考试等场合。系统具有微型化、可视化等优点，有利于学员更好地理解和掌握船舶电站的操作过程，可以提高课堂教学效率，达到良好的训练效果，同时降低训练风险，节约训练成本。