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1、、，0 1 2 9 No 2 2 0 0 9 0 2 船 电技术2 0 0 9年第 2期 基于 P L C的船舶电站监控系统的设计 王闯 吴志 良(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 6)摘 要：监控系统以西门子可编程控制器 s 7 3 0 0为核心，实现发电机组与电能分配的管理功能，上位机 以 MC GS组态监控软件为平台，通过相对容易的组态编程工作，较好地实现可编程控制器系统的工作状态监 控的功能。通过船舶 电站监控系统，可以直接控制发 电机组的起停、加减速，并能为发电机提供常规保护 和故障报警。系统以两套机组为例，可以完成发电机组的 自动并联运行、有功功率的自动分配、
2、自动起动、自动解列等一系列功能。关键词：船舶电站可编程控制器 自动并车组态软件监控系统 中图分类号：T P 2 7 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 3 4 8 6 2(2 0 0 9)0 2 0 0 3 1-0 4 De s i g n o f M o n i t o r i n g a n d S h i p Po we r S t a t i o n Co n t r o l l i n g S y s t e m o f Ba s e d o n PLC Wa n g Ch ua n g，W u Zhi l i a n g (Ma r i n e E n g i n e e r
3、 Co l l e g e，Da l i a n Ma r i t i me Un i v e r s i t y,Da l i a n 1 1 6 0 2 6，L i a o n i n g，C h i n a)Ab s t r a c t：T a k i n g t h e S i e me n s P LC$7-3 0 0 a s t h e c o r e，t h e mo n i t o r i n g s y s t e m c o m p l e t e s t h e ma n a g e m e n t o f t h e g e n e r a t o r s e t s
4、a n d p o w e r d i s t r i b u t i o n T h r o u g h t h e r e l a t i v e l y e a s y p r o g r a m mi n g c o n fig u r a t i o n，t h e P C，w h i c h u s e d t h e c o n fig u r a t i o n s o f t w a r e a s t h e p l a tf o r m，C o l l d a c h i e v e the mo n i t o r i n g f u n c t i o n f o，t
5、he c o n d i t i o n of t h e p r o g r a m mi n g c o n t r o l l e r s y s t e m b e t t e r T h r o u g h t h e s y s t e m y o u c a n d i r e c t l y c o n t r o l t h e u n i t s s t a r t a n d s t o p，a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n Be s i d e s，i t c a n p r o v i d e
6、t h e g e n e r a l p r o t e c t i o n a n d f a u l t a l a r m 加r t h e g e n e r a t o r s T a k i n g two g e n e r a t o r s e t s a s a n e x a m p l e,t h i s s y s t e m c a n c o m p l e t e the u n i t s a u t o ma t i c a l l y p a r a l l e l o p e r a t i o n，t h e a u t o ma t i c d i
7、 s t r i b u t i o n o fa c t i v e p o we r,a u t o ma t i c s t a r t a n d s t op Ke y wo r d s：ma r i n e p o w e r s t a t i o n；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r；a u t o ma t i c p a r a l l e l i n g；c o n fi g u r a t i o n s o f t wa r e,mo n i t o r i n g a n d c o n t r
8、o l l i n g s y s t e m 1 引言 随着船舶的大型化和 自动化以及电子信息技 术和 自动控制技术 的不 断发展，船舶 自动化程度 越来越高，对船舶电站 自动化程度的要求也越来 越高。船舶电站 自动化近二十年来发展十分迅速，自动监控水平得到 了极大 的提高。船舶 电站监控 系统集成了船舶 电站的能量管理和状态监控显 示，使用 P L C与组态软件相配合来实现船舶 电站 的监控是一种 即方便有可靠 的方法。本系统 以西 门子 S 7 3 0 0系列 P L C为控制核心，配合组态软 件 MC G S来完成系统的设计。由于 MC G S内部 集成西 门子 S 7 3 0 0的设
9、备驱动，可 以方便地实现 P L C与 MC GS的通讯，不必另外搭建具体 电路和 编写通讯协议，因此不需有使用高级语言编程 开 发的经验，大大提高了系统可靠性，减少了开发 收稿 日期：2 0 0 8 0 7 1 7 作者简介：王闯(1 9 8 4-)，男，吉林农安人，硕士研究生。吴志良(1 9 6 3 一)，男，辽宁大连人，教授，硕士研究生导师。3l 船 电技术2 0 0 9年第 2期、，0 1 2 9 NO 2 2 0 0 9 0 2 周 期。2 船舶电站监控系统的组成 监控系统 的主要结构如图 1 所示，其 中选择 合适的中央处理单元至关重要，涉及到功能的完 成及成本 问题。本 系统涉及
10、的模拟量输入信号 比 较多，在综合考虑各方面的因素后确定 了以下的 硬件 选择方 案：电源模 块 P S 3 0 7、中央处理 器 C P U3 1 3、3 2通道数字量输入模块 S M3 2 1、1 6通 道数字量输 出模块 S M3 2 2、4入 2出模拟量输入 输 出模块 S M3 3 4、8通道模拟量输入模块 S M3 3 1。图 1船 舶 电站 监控系 统结 构图 实测值 和唯一理想合 闸点的 相 比较，当差值 非常小时发出合 闸脉冲。由于 P L C是按扫描方式 工作 的，程序执行的周期为毫秒级，计时精度难 以满足。因此，必须增加高速计数器、环形计数 器、与发电机 同轴相连 的光
11、电编码器等硬件装置，这样会增加成本并且降低系统可靠性。本系统采用 了一种新的获取合闸提前时间的 控制方法，此方法通过 比较待并机与 电网的电压 形成二者的差频三角波 电压，过零点即为同相点 时刻，再通过相似三角形的性质计算 出合 闸提前 时 间，从而发 出合闸脉冲。3 1差频三角波 电压的形成 待并机与 电网电压经变压器变压后分别通过 电压 比较器形成与之同频率 的方波信号。两组方 波信号送入异或 门进行异或，得到一组宽窄不等 的脉冲信号。再经过滤波 电路，得到与输入信号 相位差成 比例 的直流 电压信号。此 电压信号呈三 角形，故称差频三角波 电压。图 2为获得差频三 角波 电压的电路原理图
12、，图 3是实测波形 图，可 见，此信号比较理想。其他主要硬件有发 电机组(自带调压器)、变 频器、频率变送器、有功功率变送器等。通过西 门子 S I MA T I C Ma n a g e r管理软件实现对 S 7 3 0 0 的配置，采用结构化程序设计，有 自动起动和解 列、自动并车、自动调频调载、保护与报警等主 要 的程序模块。3 并车控制环节的设计 自动 并车是 自动 化船舶 电站功能实现 的难点 与关键所在。要将一 台机组并入 电网，保证该机 组 的电压、频率相近，相位一致时，才可 以将该 机组并入电网。如果电压、频率相差太大，或者 相位相差太大 时并网，很可能会烧毁机组。因此 主开关
13、合 闸信号的发出尤其重要。微机控制 的并 车系统，大 多采用恒 定超前 时间法来获得合 闸提 前 时间，即先把待并机和 电网的正弦波电压变换 成同频的方波，在对此方波进行检测和计算，分 别读取、上升沿对应的时间值，不断将 3 2 P 图 2 电路原 理 图 图 3差 频三角 波 电压 波形 3 2恒定超前时间的获取 系统进入并车程序后，P L C实时采 样差频三 角波 电压值，并运用相似三 角形性质计算到达点 的时间，从而获得恒定超前 时间。原理如图 4所、，o 1 2 9 No 2 2 0 0 9 0 2 船电技术2 0 0 9年第 2期 不o O 图 4恒 定超 前 时间获 得 原理 图
14、图中，A 点是 同相 点时刻，为当前采样 时 刻，一 为前一次采样 时刻，为两 次采样 的时间 间隔，t f 为从当前采 样时刻 到 同相 点时刻所需 的时间。根据相似三角形 的性质有：=上 ui一1一 Ui 式 中：U 为本次采样所得差频 电压值；U 为 上次采样所得差频 电压值。，由上述关系可知，当满足 t 等于主开关动作 时间 T A 体 系统取值 为 1 5 0 ms)时发 出合 闸脉 冲是最佳时刻。3-3合 闸信号 的发 出 实际中，待并机与 电网频率的波动加上信号 变换 电路的干扰，差频三 角波 并非完全光滑的折 线，实际 电压如图 5所示。O点为 同相点时刻，若采 样 A、B两
15、点，则经计算得到 的同相点是 Ol，合 闸时间误差 为At l=o1 O：若采样 A、C两 点值，则误差为At 2=O 2 O。因此，当采样周期很小时，可能出现的合闸误差会增大，而采样周期太长，又不 能精确 反映频差 的变化。自动 并车程序运 行 期间测得的 P L C扫描周期约 为 6 ms，在程序设计 中，采用 3 0 ms中断进行差频三角波 电压 的采样，相 当于每五个 P L C扫描周期采样一次，此 时可能 出现 的最大合 闸误 差约为 3 0 ms，即使频差达到 允许 的最大值 O 5 Hz，对应 的最 大合闸相位 差误 差仅 为 5 4。，能达 到足够 的合 闸精度。只有 差频三
16、角波到达 同相 点前 3 0。的范围 内 才进行恒定超前时间的运算，此条件是通过 P L C 读取 实际差频 电压值 并与 6=3 0。所对应 的差频 电 压值相比较来判定的。f T A C B=0是最佳的合闸时 刻，但是此条件很难恰好满足。本系统采样周期 为 3 0 ms，主开关 的固有动 作时间是 l 5 0 ms，因、一一 一!此在进入 并车程序后第一次 出现 t 5标志时 发合 闸脉冲。如果恰好接近 同相点时进入合闸程 序 t 0的条件也能满足，此 时发合 闸指令 会导致较大 的合 闸误差。为避免 出现这种情况，在程序 中，发合 闸指令 时还必须 同时满足 t T 3 的条件，即在满足
17、 3 t i T 5条件时发合闸指令，并且，此条件也保证 了合 闸脉冲是在相位差逐渐 减小 的直线段上发 出的。附并车环节程序代码 如 下：Af Ar Ar Af L ”本次采样”L 2 2 0 0 =I )J N B 0 0 2 L ”上次采样”L ”本次采样”I T ”Ui 1 Ui”AN OV S AVE CLR 002：A BR)J NB 00 3 L ”本次采样”L ”Ui 1 Ui t I T ”t i 厂 I AN OV S A VE CLR 0 0 3：A BR)J NB 0 04 L ”t i T”L 2 I T ”t i 计 算值”AN OV SAVE CLR 0 0 4：
18、A BR)Ar L ”t i 计 算值”L 5 I )=Q 8 6 4 监控界面的设计 M CGS(M o n i t o r a n d Co n t r o l Ge n e r a t e d 3 3 船电技术2 0 0 9年第 2期、，o 1 2 9 No 2 2 0 0 9 0 2 S y s t e m，通用监控系统)组态软件是北京 昆仑通 态 自动化软件科技有 限公司开发 的，用于快速 构 造 和 生 成 计 算 机 监 控 系 统，它 能 够 在 基 于 Mi c r o s o ft的各种 3 2位 Wi n d o ws 平台上运行。船舶电站监控系统界面主要 由三部分组成：
19、主监控界面，该界面主要用来监控两台发 电机与 汇流排的关系，主开关是否 闭合、汇流排是否有 电等，以及 电网当前的状态，可 以直观地显示 电 压、频率等参数，并且可以通过界面方便地实现 主开关合分闸和机组 的起 停控制；发电机状态监 视界面，用来监视发 电机 当前 的电压、电流、频 率、功率等参数，实现发 电机手动 自动切换 以及 手动加减速的控制，显示系统当前的报警状态并 加 以确认；报警记录显示界面，此界面可以记录 并显示系统运行中出现 的报警信息，便于查询，并可 以设置相应 的报警 限值。图 6为系统的主监 控界面。图 6系统主监控界面 5 结束语 本文采用西 门子 P L C s 7
20、3 0 0为控制核心，其 控制功能强大，完全可 以实现船舶 电站 的基本 功 能，并且能充分发挥 P L C高可靠性 的优点。并车 中所使用 的方法，经过反复调试后，已经在实验 室取得成功，并且稳定可靠，合闸精度 高。MCGS 是一套比较成熟的组态监控软件，其界面设计比 较直观、灵活，而且能提供多种设备的驱动，通 用性强，因此广泛应用于工业控制领域。本套船 舶电站监控系统的设计方法与思想可以为船舶电 站 自动化系统提供一定的借鉴功能。参考文献：于风 卫等P L C 控制 的船舶 电站准 同期 并网合 闸控 制电气应用 2 0 0 7 2 6(4)胡健 西 门子 S 7 3 0 0 P L C应用 教程北 京：机械 工 业 出版社。2 0 0 7 袁秀英组态控制技术北京：电子工业 出版社，2 0 0 3 黄伦坤等船舶电站及其 自动装置 北京：人民交通 出版社 1 9 9 4 郑万章基于 P L C的船舶电站网络式监控系统的研 究大连海事大学硕士学位论文 2 0 0 7 杨国豪可编程控制器在船舶电站并车装置中的应 用中国修船，1 9 9 9(1)