控制理论与控制工程硕士论文-船舶自动化电站监控软件开发
学校代码:10254
密 级:
论文编号:100708110101
SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY
硕士学位论文
MASTER DISSERTATION论文题目: 船舶自动化电站监控软件开发 学科专业: 控制理论与控制工程 作者姓名: 指导老师:
完成日期: 二 〇 一 〇 年六月
论文独创性声明
本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。
作者签名: 日期:
论文使用授权声明
本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅;学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。
作者签名: 导师签名: 日期:
摘 要
船舶电站是船舶及其电力系统的核心，船舶电站运行的可靠性、经济性对保证船舶安全、经济运行具有重要意义。船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，随着现代船舶电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着及其重要的地位。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，提高供电的稳定性和可靠性。
本文针对交流380V 50Hz船舶电站，以XBTGT5330触摸屏、Modicon M340 PLC和PPU为核心设计实现船舶自动化电站监控系统，结合PLC控制程序和基于触摸屏的人机界面软件开发了船舶自动化电站监控软件，将各个环节有机的联系起来，组成一个实时控制系统，采集来自各发电机、断路器、电网以及主要负载的必要信息和参数，并加以分析、判断，根据不同的条件自动采取必要的措施，处理电站运行中可能出现的各种情况，并根据电站的负载进行必要的控制。本系统利用上海海事大学——施耐德电气联合实验室环境运行验证，可以有效地管理和监控船舶电站的运行状态，提高了电站的稳定性和可靠性，对于船舶电站的自动化管理以及远程监控的研究具有价值。
本文完成的主要研究工作如下:
1. 分析和研究船舶自动化电站结构和功能特点，以及其控制和保护方法，针对交流380V 50Hz船舶电站，设计实现以XBTGT5330触摸屏、Modicon M340 PLC和PPU为核心的船舶自动化电站控制系统。
2. 完成船舶自动化电站PLC自动控制程序设计，控制系统自动通过采集电站运行的各项参数指标，判断船舶电站当前工况;根据不同工况采取相应的控制策略，以达到使船舶电站安全、高效的供电目标。
3. 利用XBTGT5330触摸屏及组态软件开发船舶自动化电站监控人机界面，实时监控电站运行、故障报警以及历史记录的查询和打印;在遥控模式下，通过人机界面可以实现对电站设备的基本功能控制。
本课题得到了国家科技支撑
计划
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(2007BAF10B05)、上海市教育委员会重点学科建设项目(J50602)和上海海事大学研究生创新能力培养专项基金(yc2009019)的资助。关键词:船舶电站;监控;软件;人机界面;PLC
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ABSTRACT
Shipboard power station is the heart of the ship and its power system. The reliability and economy of shipboard power station is significant for the safe and economic operation of the ship. Ship Power Automation is an important part of engine room automation. With the improvement of modern ship electrification and automation, centralized monitoring and managing the parameters of the whole ship become more and more important. A good monitoring control system can enhance the efficiency, stability and reliability of power supply, and reduce the labor intensity greatly.
In this paper, a monitoring control system of shipboard automation power station is designed for the shipboard power station of AC380V 50Hz with the major equipment of XBTGT5330 Touch Screen, Modicon M340 PLC and PPU. The monitoring control software is developed with PLC control program and touch screen based HMI. All links together effectively form a general control system which collects information from generators, circuit breakers, power grid and the main loads, gives analysis and determinations, takes appropriate measures under the right conditions to deal with the problems it may arise, and control according to the loads. The System transfers the data to PC with the technology of network, which provides very important data for the realization of moving target monitoring. The system has been run in Shanghai Maritime University - Schneider Electric joint lab, the experimental results show that it can manage and monitor the working status of shipboard power station effectively, improve the stability and reliability of the power station, and be valuable for the management and remote monitoring of shipboard power station.
The main research work achieved in this dissertation is described as follows:
1. It analyses of structure and function of ship power plant automation features, as well as its control and protection methods, and designs a monitoring control system of shipboard automation power station for the shipboard power station of AC380V 50Hz with the major equipment of XBTGT5330 Touch Screen, Modicon M340 PLC and PPU.
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2. An automation control program based on PLC is designed for the monitoring control system of shipboard automation power station. The system collects the parameters of the power station, judges the conditions of the shipboard power station, and takes the right control strategy to make the power supply effective and safe.
3. A human-machine interface (HMI) is designed with the XBTGT5330 touch screen and configuration software. It displays the real-time parameters and information of fault alarm. Records can be queried and printed. Under the mode of remote, you can control the power station equipment through the human-machine interface.
This dissertation is supported by the national science and technology support plan (2007BAF10B05), Shanghai Municipal Education Commission Key Subject Construction Project (J50602) and the Shanghai Maritime University fund for the creative ability of graduate students (yc2009019).
Jiang Xiaofeng (Control Theory and Control Engineering)
Directed by Prof. Shi Weifeng
KEYWORDS: Shipboard power station, Monitoring control, Software, HMI, PLC
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目 录
第一章 绪 论................................................................................................................... 1
1.1 研究背景与意义........................................................................................................ 1
1.2 船舶自动化电站系统发展与现状............................................................................ 2
1.3 PLC 及其触摸屏在船舶自动化电站中的 应用........................................................ 2
1.3.1 PLC 在船舶电站中的应用.................................................................................... 2
1.3.2 触摸屏在船舶电站中的应用................................................................................ 4
1.4 本课题的研究内容与意义........................................................................................ 4
第二章 船舶自动化电站控制与保护功能.................................................................. 6
2.1 船舶电力系统组成与控制........................................................................................ 6
2.1.1 船舶电力系统的组成............................................................................................ 6
2.1.2 船舶自动化电站的控制功能................................................................................ 7
2.2 船舶电站的保护功能................................................................................................ 8
2.2.1 船舶同步发电机外部短路保护............................................................................ 9
2.2.2 船舶同步发电机过载保护.................................................................................. 12
2.2.3 船舶同步发电机欠压保护.................................................................................. 14
2.2.4 船舶发电机逆功率保护 ...................................................................................... 15
第三章 船舶自动化电站系统..................................................................................... 16
3.1 船舶自动化电站硬件系统构成.............................................................................. 16
3.1.1 系统结构.............................................................................................................. 16
3.1.2 主要技术数据及使用要求.................................................................................. 18
3.1.3 主控制屏构成...................................................................................................... 18
3.2 主要设备选型及性能参数...................................................................................... 19
3.2.1 Modicon M340PLC 介绍..................................................................................... 19
3.2.2 XBTGT5330 触摸屏介绍.................................................................................... 19
3.2.3 发电机并车保护单元 (PPU)................................................................................ 19
3.2.4 主开关.................................................................................................................. 20
3.2.5 柴油发电机组...................................................................................................... 20
3.3 系统性能指标.......................................................................................................... 21
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3.4 系统标准与规范...................................................................................................... 22
3.5 控制电路与接口信号.............................................................................................. 22
3.5.1 控制电路.............................................................................................................. 22
3.5.2 接口信号.............................................................................................................. 24
3.6 基于 Modbus 的通讯 方式........................................................................................ 28
3.6.1 Modbus 通讯协议简介........................................................................................ 28
3.6.2 通讯设置.............................................................................................................. 29
第四章 船舶自动化电站 PLC 监控程序设计 .......................................................... 31
4.1 监控软件结构及功能设计...................................................................................... 31
4.2 船舶自动化电站 PLC 控制程序设计 ...................................................................... 33
4.2.1 Unity Pro 编程软件简介..................................................................................... 33
4.2.2 船舶电站 PLC 控制程序设计............................................................................. 34
4.3 船舶发电机调频调载控制及原理.......................................................................... 44
4.3.1 船舶发电机频率调整.......................................................................................... 45
4.3.2 并联运行时发电机组间的有功功率转移与分配.............................................. 47
第五章 船舶自动化电站监控人机界面设计........................................................... 50
5.1 触摸屏编程软件 Vijeo-Designer 的介绍 ................................................................ 50
5.2 船舶自动化电站监控人机界面设计...................................................................... 50
5.3 监控界面软件结构及控制功能实现...................................................................... 54
第六章 结论与展望....................................................................................................... 59
致 谢.............................................................................................................................. 60
攻读硕士学位期间公开发表论文及获奖情况......................................................... 61
参考文献.......................................................................................................................... 62
附件一 船舶自动化电站PLC控制程序梯形图(部分)...........................................64
附件二 船舶自动化电站监控软件使用说明...........................................................71
附件三 监控界面脚本程序(部分)..............................................................................73
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第一章 绪 论
1.1 研究背景与意义
船舶是现代水上运输的重要交通工具，也是人类在水面上活动的主要平台，对人类社会的政治、经济发展和人们日常生活、工作有着极其重要的意义。近年来随着相
[1]关科技日新月异的发展，对于船舶自动化的要求越来越高。船舶电站自动化是船舶自动化的一个重要组成部分，也是船舶现代化的重要标志。随着航运业的发展，对船舶电力系统的可靠运行提出了越来越高的要求。船舶电力系统的控制、监视和跟踪管
[2]理也显得极为重要。船舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的安全航行和经济效益有重要的影响，其供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响船舶的经济指标、
[3]技术指标和生命力。
船舶电站自动化装置的发展过程，从六十年代采用继电器控制技术及后来的晶体管分立元件控制技术到七十年代的小规模集成电路及后来的中大规模集成、模拟电路控制技术，至八十年代的微处理机控制技术，九十年代的PLC控制技术。船舶电站的控制在七十年代后期形成了功能较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与模拟集成电路组成的控制系统。进入八十年代世界各国先后研制单片机组成的微机控制系统[4]。九十年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，产生了基于PLC控制的船舶电站、主机遥控、集中监视系统。随着计算机信息处理技术的发展，船舶电站自动化正朝
[5]着集散型计算机控制系统的方向发展。
计算机技术应用于船舶电站自动化系统，使得船舶电站成为集自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统，船舶电站自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。它需要研究网络技术(包括船用光纤、现场总线、工业以太网等技术)、智能柴油机电控技术、电力电子技术、微机技术等，以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式，向实现船舶电站综合自动化这个高层次阶段发展。它是开放式和网络化的未来船舶电
[6]站自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点。
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综上所述，船舶电站自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，船舶电站自动化技术正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这是今后国际船舶电站自动化技术发展总趋势。
1.2 船舶自动化电站系统发展与现状
从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制、集中式自动控制和集散式自动化系统几个过程。单元自动化装置方面，自动并车装置，自动并车解列、自动负荷分配装置及AVR自动调压器等均已达到极高的可靠程度。在单元器件自动化基础上，
[7]将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站自动化系统。八十年代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶电站自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统便于集中控制，但故障的查找及维修较困难。分散控制对个设备模块分散控制，提高了系统的可靠性和可维护性，但与无人机舱集
[8]中管理的要求有一定矛盾。
目前船舶电站自动化正朝着集散型自动化系统方向发展。它结合了集中和分散的优点，克服了各自的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大学，德国的汉堡大学等都进行了卓有成效的研究。自动化系统在国内外船舶中的应用也逐年增多，它的技术指标、可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制系统的
[9]出现，使电站自动化开始进入了一个全新时代。
1.3 PLC及其触摸屏在船舶自动化电站中的应用
1.3.1 PLC在船舶电站中的应用
船舶电站的自动控制在80年代后期形成了功能比较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与线性模拟电路组成的控制系统。由于船舶机舱环境恶劣，微机控制系统在防电磁干扰上或多或少存在一些问题，因此电站的微机控制系统并没有被船电领域的一些著名企业所接受。90年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，其产品通用性强，仅需少量备件且易于在世界各地购置，因而得到广大客户的青睐。在这一点上SIEMENS公司以其世界大公司的气魄于九十年代初首先在机舱自动化中采用了通用性的PLC作为控制核心器件，淘汰了80年代闻名于世的微机控制系统，而代之基于
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PLC的新一代控制系统。到目前PLC控制的船舶电站、主机遥控、集中监测报警等系统
[10]也已不断的更新换代。
PLC是通用型工业控制器件，因其稳定可靠、功能齐全、应用灵活、操作方便及维修容易等显著优点，在各行各业已得到广泛的应用。PLC作为自动控制的三大技术支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC
[11]的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。PLC控制系统中模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个
[12]控制回路和多个控制参数。
目前，PLC可以实现多台PLC之间或多台PLC与计算机之间的通讯联网要求，从而组成多级分布式控制系统，构成自动控制网络。联网的方式主要有:(1) 通过通讯模块、上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。(2) 通过调制解调器和公用电话网与远程客户端计算机相连，从而使管理者可通过电话线对控制系统进行
[13]远距离监控。
PLC融合了现场总线技术，现场总线技术是当前工业自动化的热点器件之一。PLC采用现场总线后具有以下优点:
(1) 系统的操作性好 不同厂家的多个设备可以工作在同一个系统中，并实现信息交换，从而使用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。
(2) 控制的可靠性高 由于现场总线设备的智能化、数字化，使控制更快、更准确。
(3) 安装的费用较低 采用现场总线连接多个设备，大大减少了电缆、接线端子、电缆桥架的用量。从而减少了设计、施工的工作量，并降低了安装的费用。
(4) 系统的维护方便 现场总线设备本身具有自诊断能力，并通过数字通讯将有关诊断维护信息传送到控制室，设备维护人员可以查询整个生产设备的运行、维护、
[14]诊断信息，以便快速查找和消除故障。
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1.3.2 触摸屏在船舶电站中的应用
显示器作为人机界面 (HMI)是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，可以生产
流程
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模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排，所有操作都可在显示屏上的操作元件进行[15]。PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可查找任意时刻的数据记录，通过打印等可以保存相关的生产数据，为今后的管理和参数的分析
[16]带来便利。
随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，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。触摸屏是一个使工业控制或多媒体信息改头换面的设备，它赋予控制系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体人机交互设备。目前，触摸屏对于各应用领域的计算机或控制器已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了工业控制中计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力，解决了很多计算机所无法解决的问题。无论在显示、操作、调试或是数据存储上，触摸屏都显示出比传统的显示界面如数码管、液晶屏更加强大的优势。它不但可以完全替代一般的显示仪表、信号指示灯、操作按钮、转换开关等，而且还能以实时刷新的动态图表、丰富详实的数据记录、独树一格的三维动画、图文并茂的制作画面
[17]广泛应用在各种控制领域。
由于触摸屏具有以上的优点和运行可靠性高的特点，本系统将其引入船舶自动化电站控制系统，既可以作为人机交互界面，又可以作为硬件设备的备用设备，如按钮开关、转换开关、指示灯和仪表等。从而进一步提高了船舶电站自动化程度及其运行的可靠性。
1.4 本课题的研究内容与意义
本课题研究的对象为以PLC为核心控制单元的船舶自动化电站综合控制系统。利用Unity Pro编程软件设计船舶自动化电站PLC控制程序，采用Vijeo-Designer组态软
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件设计适用于XBTGT5330触摸屏的船舶自动化电站人机界面监控软件。通过软件程序设计和硬件电路搭建实现对船舶电站系统的手/自动综合控制与管理。实现的自动控制功能有:发电机组自动启动，自动准同步并车，自动恒频、恒压与功率分配，自动卸载、分级启动及重载询问，发电机自动解列、停机等。通过触摸屏人机交互界面显示并存储电站实时运行参数及历史数据，在出现故障的情况下产生并存储相应报警信息。提供历史数据及报警信息的查看、打印及传输等功能。触摸屏通过Modbus工业以太网发布监控界面，网内任何计算机可以通过不同级别用户名和密码访问监控界面，实现数据信息的查看和打印，在权限允许的情况下可以对电站进行遥控操作。
船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，随着现代船舶电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着及其重
[18]要的地位;网络技术的普遍应用，港航移动目标的远程监控也成为船舶管理的一个重要方向。良好的船舶自动化电站系统可以大大降低工作人员劳动强度，提高工作
[19]效率，提高供电的稳定性和可靠性，对保证船舶安全、经济运行具有重要意义。
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第二章 船舶自动化电站控制与保护功能2.1 船舶电力系统组成与控制
2.1.1 船舶电力系统的组成
船舶电力系统主要是由电源、配电装置、电网与负载四部分组成:
1. 电源
船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主电源，应急发电机组是应急电源，蓄电池组一般作为小应急电源。主发电机组不能供电时，由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明系统供电。
2. 配电装置
配电装置是接受和分配电能的装置，也是对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量和控制的装置。包括各种电力开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电器、按钮、控制和转换开关、自动化没备及各种附属设施等。根据供电范围和对象的不同，配电装置可分为主配电板、应急配电板、分配电板、充放电板和岸电箱等。
3. 船舶电力网
船舶电力网是全船电缆电线的总称。按其所连接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网等。
4. 电力负载
船上的用电设备形式很多，主要有动力负载(各种电力拖动机械)、照明负载、通信导航设备等，舰艇还有特殊的武器装备负载。动力负载往往占总用电量的70%左右，对于船舶电力负载大体可分为如下几类:
(1) 船舶各种机械设备的电力拖动;
(2) 船舶照明;
(3) 通讯和导航设备;
[20](4) 生活及其他用电设施。
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2.1.2 船舶自动化电站的控制功能
1. 电压自动调整。电压自动调整是对发电机磁场的自动调节，从而令发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能有两个，即静态特性和动态特性。一般情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的?2.5%，动态电压调整率不超过额定电压的?15%，恢复时间不超过1.5s，电压波动不大于3%额定电压;
2. 机组自动起动。机组自动起动应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动:
(1) 电网失电;
(2) 在网运行机组的平均功率大于85%额定功率;
(3) 在网运行机组发生故障需要换机或停机;
(4) 机组接到人工起动指令时。
3. 首机自动投入。在电站电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的备用机组投入电网供用;
4. 自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件:相电压相等、频率相同及相位差为零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发出合闸信号，一般合闸信号要提前几十毫秒发出，并且待并发电机的频率要略大于电网频率;
5. 自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配
制度
关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载
，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于?5%额定功率，频率调节精度为?0.25Hz;
6. 自动转移负荷及分闸(或称解列)。对已投入电网运行的机组出现以下情况时，则按顺序运行机组逐个解列:
(1) 在网运行机组平均功率小于30%额定功率;
(2) 机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障;
(3) 有人工解列指令，且当前功率不大于85%额定功率。当解列机组的负载转移到小于10%额定功率时，发出分闸信号。
7. 机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机:
(1) 机组有严重故障(应急保护停机)或二类故障;
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(2) 机组平均负荷小于30%额定功率，则先解列再自动停机;
(3) 机组接到人工指令需要停机。
8. 重载询问控制。大负荷设备起动前发出询问信号，电站自动控制系统接到询问信号后进行储备功率计算，若储备功率大于大负荷设备的额定功率，则大负荷即可起动;若储备功率小于该设备的额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后，大负荷设备才可投入运行;
9. 原动机预润滑预热控制。电站机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间，待机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带润滑泵承担;其次，是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。一般冷却水预热装置
[21]有电预热和蒸汽预热两种。
2.2 船舶电站的保护功能
发电机是船舶的重要设备，保护发电机不损坏是船舶安全航行的首要保证。针对船舶发电机各种常见的不正常运行状态和故障，必须装设相应的保护装置。
发电机安全保护一般来说主要包括如下几种:
(1) 过载保护，当运行发电机的输出功率或电流超过其额定值时，过载保护起作用。一般情况下，当过载达110%~120%额定值时，延时5~10s，自动卸掉部分次要负载;当过载达150%额定值时，延时10~20s，使发电机自动跳闸;
(2) 定子绕组内部短路保护，对于额定功率大于1000kW的发电机组，当发电机运行主开关未合闸时，发电机电流>130%额定电流，则发电机自动消磁保护;
(3) 发电机外部短路保护，当发电机电流为3~5倍额定电流时，延时0.2s~0.6s，使发电机跳闸;当发电机电流为5~10倍额定电流时，瞬时动作使发电机跳闸;
(4) 欠压保护，对带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压70%~80%时，延时1.5s~3s跳闸;对不带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压40%~75%时发电机跳闸;
(5) 逆功率保护，当发电机出现逆功时，其逆功为8%额定功率，延时5s~8s使发电机跳闸。
(6) 以上为一般船舶电站安全保护系统应考虑的功能，在特殊情况下还应考虑过
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压、过频和欠频保护。
由于船舶发电机的电压较低，并且又定期检查，经验证明，低压发电机内部故障出现的机会极少，所以一般不专门设继电保护装置。对于并联运行的发电机可能出现的定子绕组相间短路，可由电流速断器对电进行保护。
根据《钢质海船入级与建造规范》规定，对船舶低压同步发电机，针对其可能出现的故障和不正常运行状态，主要设有如下继电保护:?外部短路的过电流保护;
[22]?过载保护;?欠压保护;?逆功率保护。
为确保船舶电站运行和供电可靠性，本系统应严格按照以上要求设计实现。具体保护措施原理、方法及其整定如下:
2.2.1 船舶同步发电机外部短路保护
短路故障所造成的后果是非常严重的。发生短路时，由于外路电路负载被短接，发电机定子绕组中将产生极大的短路电流，电网电压也急剧下降，会使电动机停转，甚至使发电机全部断开，导致全船停电。
为了防止短路故障，对于运行人员来说，应在平时加强对设备的维护管理，定期检查各主要电器设备的绝缘情况，严格执行操作规程，消灭误操作。为了限制短路故障的破坏作用，在技术措施方面则必须装设继电保护装置，以便故障发生后，能自动地切除故障部分，保护设备，防止故障扩大，保证非故障部分正常运行。
1. 发电机外部短路保护
对发电机外部短路故障的判断，因为发电机外部短路时，从发电机到短路点，必将出现很大的过电流，所以可利用这一特点，来检测发电机之外部短路。
按照时间原则或电流原则在原理上都可以实现保护的选择性，但由于船舶输电线路较短，且阻抗较小，电网各段短路电流都很大，因此按照电流原则实现选择性保护往往是有困难的，而按照时间原则实现选择性保护，则整定比较容易，而且比较可靠。但是，完全按照时间原则实现选择性，往往又带来影响保护快速性和使保护装置复杂化等弊病，甚至是不可能的。因此，常常采用时间原则和电流原则混合的方法，以满足保护选择性和快速性的要求。
一般船舶发电机都设有两套过电流保护装置。第一套为带时限的外部过电流保护装置，又叫短路短延时保护装置。如图2-1(a)中的QF过流保护，它与QF过流保护12
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是以时间原则来实现选择性的。第二套为不带时限的电流速断保护装置，又叫短路瞬时动作保护装置。如图2-1(a)中的QF的速断保护，它是以电流原则来实现选择性的，1
并保证了在靠近发电机端短路时，保护动作的快速性。显然，QF的过电流保护装置1
又是一种后备保护装置，当k点短路而其QF的过电流保护装置不动作时，则QF121的过流保护立即动作，这种后备保护是完全必要的。
过流速断过流IItop(qb)op,,Itop,,kk12
I>I>GM
QFQF21
(a)
t
t=t+Δt,,t,,L(b)I
Ik,
Iop,
Ik,IIop,op,L,LL,(c)
图2-1 发电机短路保护装置及其整定
2.发电机外部短路过流保护的整定
(1) 图2-1中发电机外部短路过电流保护装置(QF过流保护)启动值的整定考虑对1
可靠性的要求，应把短路保护、过载保护和电动机自启动区分开来。当过电流保护的启动电流按照大于发电机的额定电流来整定，并使保护装置的返回电流大于在电动机自启动情况下的最大电流时，引入可靠系数K和自启动系数K后，返回电流Irelsre可表示为
I=KKI (2-1)rerelsgN
考虑到继电器的返回系数之后，启动电流为
KKrelsI=Iop1gN (2-2)Kre
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式中，I为QF的过电流保护启动电流整定值，I为发电机额定电流，K为可靠op11gNrel系数(K=1.3~1.5)，K为返回系数(K=0.5~0.9)，K为自启动系数(K=1.3~1.8)。relreress
将各系数代入式(2-2)得
(,.,~,.,)×(,.,~,.,)I=I?(,~,)I (2-3)op,gNgN,.,~,.,
确定启动电流整定值之后，应校验发电机外部短路过电流保护的灵敏度，当作为远后备保护时，灵敏系数S应为P
Ik,,min?,SP (2-4)Iop,
式中I为末端k点最小短路电流。k2,min2
(2) 图2-1中QF的过流保护动作时限的整定l
考虑对选择性的要求，必须使QF的过流保护的动作时限t与QF的过流保护的l12动作时限t相配合，如图2-1(b)所示，按阶梯形时限特性整定，使t比t大一个Δt212时间，即
t=t+?t (2-5)12
式中t为QF的过流保护动作时限，t为QF的过流保护动作时限，Δt为两相邻保护1122
动作的时限之差。
决定Δt的因素主要有:断路器的跳闸动作时间，时间继电器误差以及要有一定的裕度等。Δt大了动作会慢，因此应使Δt尽量小，但Δt太小了，易产生误动作。一般取Δt,(0.15~0.25)s。所以，一般t整定为1
t,(0.2~0.6)s (2-6)1
采用过电流保护，按照时间原则保证选择性时，越靠近电源处，动作时限越大，而越靠近电源，短路电流越大，则要求保护动作越快，这是一个矛盾。为此，要用电流速断保护来加以补充。并联运行的发电机，在发电机侧短路时，短路电流可能很大为保证选择性，可采用电流速断保护。
3.发电机外部短路电流速断保护的整定
电流速断是电流保护的一种，但它和过电流保护不同。过电流保护的启动电流的整定值是以躲开最大允许工作电流来整定的，而电流速断的启动电流的整定值，则是按躲开其外部短路电流来整定的。
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如图2-1(c)所示，按电流原则保证选择性时，发电机电流速断保护的启动电流I应躲开k点短路时的最大短路电流I，所以，电流速断的启动电流整定值为qb1k1,max
I=KI (2-7)qbrelk,,max
若取I=7I时，则上式为k1,maxgN
I=(,.,~,.，)I=(,~,,)I (2-8)qbgNgN
确定I后，校验灵敏度S，应满足qbP
I1,maxkS=?(1.2~1.5)P (2-9)Iqb
电流速断保护的启动电流整定值是根据保护范围之内的短路电流整定的，在保护范围之外电流速断保护不应动作，所以它没有必要与保护范围之外的短路保护在时间上相配合。因此，电流速断保护是瞬时动作的。
电流速断保护的优点是快速，比较简单可靠。考虑到在发电机近端短路时，对于
[23]保护动作快速性的要求，可以加装瞬时动作的电流速断装置来保护。2.2.2 船舶同步发电机过载保护
可能产生发电机过载的主要原因有:(1)船舶电站在运行中发电机的容量不能满足负载增长的需要;(2)几台发电机应并联运行但未做并联运行;(3)或者当并联运行的发电机中有一台或几台发土故障而自动停机;(4)因并联运行的发电机间的负荷分配不恰当。
无论是负载电流超过发电机的额定电流，还是负载功率超过了发电机的额定功率，对发电机组都是不利的。发电机长时间过载，会使发电机过热、引起绝缘老化和损坏，以及造成原动机的寿命缩短和部件损坏等。所以，应装设相应的过载保护装置
由于对船舶供电可靠性的考虑，处理发电机过载问题，要兼顾保护发电机不受损坏且尽量保证不中断供电两方面。因此，当发电机过载时，首先应将一部分不重要的负载自动卸掉，以消除发电机的过载现象，并保证重要负载的不间断供电。同时，应自动发出发电机过载报警信号，以警告运行人员及时处理或同时发出自启动指令，以自动启动备用发电机组。若在一定时间内仍不能解除过载，为保护发电机不被损坏
[24]就应自动的将发电机从汇流排上切除，并发出发电机过载自动跳闸信号。
对船舶发电机过载保护装置的启动电流I和动作时限t可做如下整定:op(OL)(OL)
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为保证在正常工作时保护装置不动作，应使保护装置启动电流I大于发电机的op额定电流I。为保证保护的可靠性，应使保护装置可靠地返回，则要求返回电流IgNre大于发电机额定电流I。考虑到继电器启动电流和返回电流可能有误差，故取可靠gN
系数K>1，则可写成rel
I=K I (2-10)rerelgN
根据返回系数K的定义re
IreK=re (2-11)Iop
则可得启动电流为
KrelI=I (2-12)opgNKre
K越大，即越趋近于1时，I越小，即越灵敏;K越小，则I越小，也越灵reoprelop敏。因而，对只发报警信号或自动过载信号或备用机组自启动信号的过载保护装置，K可取得小些，以提高其灵敏性;而对动作于发电机跳闸的过载保护，K要取得relrel大些，以保证其可靠性。
对于船舶发电机过载保护，K,1~1.2;K,0.8~0.9。于是，船舶发电机过载保relre
护装置的启动电流可整定为
(,~,.,)I=I?(,.,,~,.,)I (2-13)op(OL)gNgN(,.,~,.,)
船舶发电机过载保护装置动作时限的整定，主要考虑躲开大电动机或几台较大电动机同时启动的时间。一般电动机启动时间为5~10 s，所以过载保护的动作时限可整定在10~20s。即
T,10~20(s) (2-14)(OL)
当发生持续过载时，发电机过载保护虽经延时，但到时仍要动作，以中断供电。要使发电机不中断供电且避免过载的一种较好的做法就是:当出现过载信号时，首先考虑切除电网中正在运行的一些次要负载，使发电机脱离过载状态(使启动的过载保护得以返回)，从而保证电站对重要负载的连续供电，这种处理办法叫做“自动卸载”。这种办法也必须与发电机过载保护的延时特性配合才能实现。根据负载的不重要程度及工作特点，分成几组，可以实现多次自动卸载的叫分级卸载。
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2.2.3 船舶同步发电机欠压保护
习惯上通常把欠压和失压两者统称为失压。当调压器失灵或由于发电机外部发生持续性短路故障时，都将出现发电机电压下降的现象。发电机在欠压情况下运行，将引起电机的电流大、电动机转矩下降、发电机过热、绝缘损坏，这对发电机本身和异步电动机的运行等都是很不利的。
船舶发电机欠压保护的启动电压，应按躲开最低可能的工作电压进行整定，即
U.mingU= (2-15)opKKrelre
式中U为启动电压整定值，U为最低工作电压。opg.min
当电力系统中突然有较大负载增加，例如有较大电动机或多台自启动电动机启动或发生暂时性短路和并车冲击电流时，发电机电压也可能有很大的下降，但这是正常或暂时情况，发电机欠压保护不应动作。因此，在整定发电机欠压保护的启动电压值时，应当考虑到对保护动作可靠性的要求。可以用整定启动电压值或动作时限的方法，来躲过这些不应使保护动作的欠压情况。
《钢质海船入级与建造规范》规定，并联运行的发电机应设有欠电压保护并能满足如下要求:
(1) 用于避免发电机不发电时闭合断路器应瞬时动作;
(2) 当电压降低至额定电压的70%~35%时，应经系统选择性保护要求的延时后动作。
由此看出，欠压保护包括失压保护的内容。电压降低至额定电压的35%时作失压处理，应瞬时跳闸。在自动电站中有的把额定电压的10%作为对母线是否有电压的识别值。电压降低至额定电压的70%~35%的欠压范围，要求保护带延时，可以避免电网电压因大功率电动机启动瞬时下降引起的不必要跳闸。
由于发电机的调压器具有灵敏的快速动作功能，在1.5s之内可把暂时性的电压下降恢复到接近额定电压值的3%之内，故欠压保护动作时限的整定值应大于l.5s，以躲开暂时性电压下降，一般欠压保护的整定时限为
t,(1.5~3)s (2-16)
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2.2.4 船舶发电机逆功率保护
同步发电机的逆功率运行，是指该同步发电机不发出有功功率，而从电网吸收有功功率。同步发电机出现逆功率运行的原因是，当几台同步发电机并联运行时，其中一台发电机的原动机工作失常。这对系统是不利的，可能造成正在并联工作的另一台发电机过载，以致造成其过载跳闸，全船供电中断。因此，出现这种情况时，要求将处于电动机运行状态的发电机切除。
因为发电机过载保护是具有时限的，所以逆功率保护并不要求立即跳闸，即也可以具有一定的时限。当同步发电机在非同步条件下并车时，也可能短时出现逆功率这是允许的，此时逆功率保护不应动作。因此，从避开并车时可能出现的短时逆功率冲击方面，逆功率保护应具有一定的时限。发电机过载保护一般整定在额定值的
[22]125%~135%，延时15~20s跳闸。非同步并车出现的功率冲击一般在1s之内。
根据上述原因和要求，对逆功率保护启动值的整定，大多数船级社都规定:
(1) 原动机为柴油机时，逆功率整定值在发电机额定功率的4%~15%间某一区域(典型区间为4%~10%);
(2) 原动机为汽轮机时，逆功率整定值在发电机额定功率的1%~6%间某一区域(典型区间为1%~3%);
(3) 延时时间在2~10s间整定(典型值为3s)。
本文原动机为柴油机，逆功率整定值为发电机额定功率的10%，逆功率保护由PLC控制PPU实现。
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第三章 船舶自动化电站系统
3.1 船舶自动化电站硬件系统构成
3.1.1 系统结构
船舶自动化电站硬件系统主要由PC上位机、触摸屏、PLC、PPU、配电屏及柴油发电机组构成。本实验室系统构成如图3-1所示。其中触摸屏、PLC和三台PPU为控制系统核心设备。1号和2号发电机组作为常规发电机使用，3号发电机组可以通过转换开关切换为应急发电机使用。PC上位机通过网络访问触摸屏监控软件，或直接操作触摸屏对电站功能进行控制。监控界面通过实时动画、状态显示开关及数字和模拟表头显示，跟踪显示船舶电站的运行状态，利用其功能按键可以完成对电站设备的操作。发电机组设有机旁控制和远程控制功能。
TCP/IP
触摸屏计算机
PLC
RS485BT
CB3CB,CB,
PPU3PPU,PPU,
岸电DG3DG,DG,
图3-1 系统构成图
系统逻辑结构框图如图3-2所示。系统可分为应用层、系统层和设备层三层逻辑结构。设备层主要为船舶柴油发电机组及用电设备;系统层为触摸屏、PLC和PPU组成的控制系统;应用层主要为调试界面、监控管理、数据采集、网络通讯和设备通讯五部分。
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3-2 系统逻辑结构框图
1.调试界面
触摸屏人机界面可以作为船舶自动化电站调试界面，显示电站运行的实时参数以及重要数据，可以作为系统调试时的重要依据。
2.监控管理
监控管理可分为自动、手动与遥控三种方式:自动模式为PLC控制器根据船舶电站运行情况，自动控制和管理船舶电站的各个设备;手动模式为人工通过控制屏实现对电站的功能控制;遥控模式为操作人员通过船舶自动化电站人机界面远程遥控电站的设备运行。
3.数据采集
系统通过各种传感器、互感器以及继电器等设备将船舶电站的各种数据、状态信息采集起来，传送给PLC和PPU，并由各个仪表和人机界面显示出来。监控软件将数据存储并起来，并传送给PC机。
4.网络通讯
本系统采用Modbus 通讯协议，通过网络通讯设备与PC上位机相连，将船舶自动化电站的数据及状态信息采集、传输、存储和处理。使数据资源在网内共享，便于实现系统的集散控制。
5.设备通讯
设备通讯除上述采用以太网通讯以外，PLC与PPU主要以硬件接线和RS485通讯方式进行信息的相互传递。
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3.1.2 主要技术数据及使用要求
1. 主回路电源:三相四线 AC380V 50Hz
2. 控制屏电源: 两线制 AC220V 50Hz
3. 控制回路电源:DC24V
4. 使用要求:
室内安装，环境温度:0~+45?;
相对湿度:10%~90,;
海拔高度:不大于1000m;
3.1.3 主控制屏构成
本系统分别设有三面发电机控制屏、一面同步及报警控制屏，两面负载控制屏，主控制屏布局如图3-3所示。
图3-3 控制屏及其布局图
第一面为重负载控制屏，完成重负载的启停控制及重载询问操作;第二、三、五屏分别为三台发电机组控制屏，控制对应发电机组的启停，预热等，显示对应发电机组的运行状态及参数，指示灯有:运行指示灯、停机指示灯和合闸指示灯，测量仪表有:电压表、电流表、频率表、功率因数表及运行时间表;中间第四面屏为并车控制屏及报警控制屏，由并车控制按钮、负载转移及调速开关、模式选择按钮、报警及状态指示灯及相应的显示仪表组成;第四面下部为岸电控制屏;第六面为触摸屏控制屏;第七面为其它负载控制屏。
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3.2 主要设备选型及性能参数
3.2.1 Modicon M340PLC介绍
施耐德Modicon M340系列PLC结构紧凑、外形精巧，具有热插拔功能，便于维护;集成USB、以太网、CANopen及Modbus通讯接口，采用多任务操作系统，处理高效，使毫秒级的处理变得非常简单，不管用什么语言编程，都不会影响处理速度;存储容量大，拥有4MB内部RAM，可处理70K条指令;性能稳定可靠，符合所有
[25]标准的海事认证。
3.2.2 XBTGT5330触摸屏介绍
本系统采用施耐德XBTGT5330触摸屏作为监控界面的主要载体。它体积小、通
[26]用性强、功能全面、有较强的抗干扰性等特点。其主要接口及功能如图3-4所示。
AUX辅助接口
总线扩展槽
电源
CF卡插槽
以太网
音频输入视频输入USBRJ,,DB, COMRS,,,(MPI)(RS,,,/,,,/,,,)
图3-4 XBTGT5330触摸屏接口及功能
3.2.3 发电机并车保护单元(PPU)
Paralleling and Protection Unit(PPU)具有单机与其它的发电机自动并车功能;同步、功率与频率控制等控制功能;逆功率保护、过流保护等保护功能;监测电网电压与电流和电池组电压与电流的监测功能;而且其接口非常适合用于PLC控制系统[27]。所以本系统采用PPU与PLC控制船舶电站功能。
PPU通过控制面板进行参数设置，本文控制面板采用施耐德XBTGT1100触摸屏设计。其面板如图3-5所示。通过XBTGT1100触摸屏可以设置系统发电机保护启动
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的电流、电压、频率，以及相应的启动时间等。
图3-5 基于XBTGT1100触摸屏的PPU控制面板
3.2.4 主开关
本系统选用施耐德MTE04-16N负荷开关作为主开关断路器。它集成了丰富的参数测量功能，同时还可以实现事件编辑，在测量和保护接线大为简化的同时，降低了用户安装维护成本;保护功能与测量功能分开，由ASICII电子元件执行，这种独立性免除辐射产生的干扰，确保高度可靠性;灭弧室的新设计，确保人员操作安全;提高系统运行安全;垂直安装安全距离减小至零，提高配电柜利用率;内部核心部件采用一体化设计，大大降低绝缘和连接故障，超高使用寿命，使用机械寿命20000次，电气寿命6000次，独特的引弧式主触头设计降低触头磨损，进一步提高使用寿命和运行稳定性。
3.2.5 柴油发电机组
柴油发电机组为船舶电站的电源，选择不恰当，将直接影响全船用电设备的正常运行和电站运行的经济性和可靠性。要确定船舶电站的容量和发电机组的数量和单机功率，首先就要计算出船舶在各种工况下电力负荷所需总功率。其中最大工况下的所需总功率，常作为选择主发电机组的依据;而最小工况下所需的总功率值，作为选择应急发电机的依据;以停泊工况下所需的总功率值作为选择停泊发电机组的依据。由此确定的发电机容量，既能满足各种工况的供电需求，又能获得最经济和高效的运行效果。
电站容量的负荷计算方法有很多，主要有下列几种:
(1)三类负荷法;
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(2)需要系数法;
(3)概率论法;
(4)昼夜航行图表法;
(5)统计
表格
关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载
法;
(6)计算机仿真法;
(7)算式计算法;
(8)以某项特大负荷为基数的负荷计算法。
其中三类负荷法和需要系数法用得最多。
本实验室船舶电站选取三台沃尔奔达东风康明斯系类柴油发电机组(带有本地控制箱)。三台发电机组均可作为常规发电机组使用，3号发电机组可通过转换开关设置为应急发电机组。其技术参数如表3-2所示。
表3-1 发电机组参数
型号输出功率额定转速额定电压功率因数额定频率控制方式VPC8080KVA64KW1500RPM400V0.850Hz本地/远程3.3 系统性能指标
本系统为满足船舶自动化电站安全、可靠的运行条件，系统设计应实现以下性能指标:
1. 自动起动:当运行机组处于重载(60%~85%)Pe(用户可调)，备用机组延时一段时间(30s~100s用户可调)后，在30s内完成起动和并网;
2. 自动解列:当保留机组的负载小于(45%~70%)Pe(用户可调)，系统延时一段时间(30s~100s用户可调)后，在30s内完成机组的解列停车;
3. 过流保护:发电机电流达到125%~135%额定电流，延时15~30秒;
4. 短路延时保护:发电机电流达到200%~250%额定电流，延时0.2~0.6秒;
5. 短路瞬时保护:发电机电流大于250%额定电流，瞬时跳闸;
6. 欠压保护:发电机电压为70%~35%额定电压，延时1.5~3s跳闸;
7. 逆功率保护:发电机逆功率为8%~15%额定功率，延时3~10秒跳闸;
8. 一级卸载:发电机电流大于105%额定电流，延时30~60s，卸载备用开关。
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3.4 系统标准与规范
船舶电力系统必须遵循有关规范和标准，以保证船舶电力系统满足使用要求，使船舶电力系统设计和建造符合标准化和规范化。本系统在设计过程中，将遵循如下标准与规范:
钢质海船入级规范(2009版);
GB T4000-2005 中国造船质量标准;
GB T11634-2000 船用交流低压配电板通用技术条件;
CB T3909-99 船舶电器设备安装技术工艺;
CBZ342-8 船用配电控制设备制造工艺;
GJB202A-98 舰船用配电装置和控制装置通用规范;
GJB4000-2000 舰船通用规范;
Q/CK038-1997 舰船用控制设备电器装配通用技术要求;
GJB368A-94 装备维修性通用大纲;
3.5 控制电路与接口信号
3.5.1 控制电路
控制电路整体构架单线如图3-6所示。主要由主配电屏控制电路、PLC控制电路和PPU控制电路组成，通过硬件接线和通讯线路将三者有机结合在一起，实现船舶电站的数据采集、状态判断、功能控制等功能，实现手动、自动与半自动的控制模式，触摸屏作为监控人机界面设备，实时显示系统各设备的状态及数据信息，并将监控界
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XBTGT5330触摸屏
参数及状参数设置及态信息遥控指令
控制指令PPUM340PLC主配电屏及仪表控制单元控制单元数据及状数据及状态信息态信息控制指令状态信息数据及状数据及状态信息态信息
控制指令人工控制指令
执行及检测单元
执行指令系统参数
机组、电网
图3-6 控制电路整体构架单线图
面通过网络，发布至网络内计算机，上位机监控界面又可以实现远程监视与遥控功能。
自动控制模式下，PLC通过接收各个设备的数据及状态信息，判断电站及设备运行状态，并下达相应的处理命令，处理命令传达给PPU、继电器和主令开关等执行。PPU既作为发电机并车保护和控制单元，处理部分模拟量，弥补了PLC模拟量处理的不足，同时又接受和下达部分离散控制信息。令PLC主要处理离散量，PLC与PPU通过电气接线和RS485通讯相结合，互相交换数据及状态信息，实现对船舶电站的自动化管理。触摸屏通过工业以太网接入系统，实时监控电站运行状态。主配电屏作为人工手动及半自动操作电站的主要介质，部分关键数据由PLC采集并传输给上位监控界面。
PPU与母线和发电机的接线如图3-7所示。本船舶电站系统采用三相四线制，发电机组与母线电压都是AC380V，可以通过熔断器保护直接接到PPU端口上，电流通过电流传感器传输给PPU端口。PPU内部设有测量和采集电路，将电流电压频率等数据采集、存储并发送给PLC进行程序处理。PPU作为发电机保护、并车保护、调频调载的主要设备，其主要接口信号及该接口功能详见表3-4。
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图3-7 PPU与母线和发电机的接线
3.5.2 接口信号
1. PLC输入信号
PLC的输入信号如表3-2所示。输入信号以船舶电站的发电机、主开关、母线、负载及开关等设备的状态信号为主，全面监视船舶电站的状态。
表3-2 PLC的主要输入信号
地址变量名地址变量名
%I0.1.0%I0.1.27模式选择1号机组负载转移%I0.1.1%I0.1.281号发电机组待机2号机组负载转移%I0.1.2%I0.1.292号发电机组待机3号机组负载转移%I0.1.3%I0.1.303号发电机组待机母线电压可用%I0.1.4%I0.1.311号机组主开关打开BT1闭合%I0.1.5%I0.1.322号机组主开关打开1号机组准备好%I0.1.6%I0.1.333号机组主开关打开1号机组运行%I0.1.7%I0.1.341号机组主开关闭合1号机组启动失败%I0.1.8%I0.1.352号机组主开关闭合1号机组建压%I0.1.9%I0.1.363号机组主开关闭合2号机组准备好%I0.1.10%I0.1.37取消负载转移2号机组运行%I0.1.11%I0.1.38母线频率高2号机组启动失败
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地址变量名地址变量名
%I0.1.12%I0.1.39母线频率低2号机组建压%I0.1.13%I0.1.40母线电压高3号机组准备好%I0.1.14%I0.1.41母线电压低3号机组运行%I0.1.15%I0.1.42应急电源故障3号机组启动失败%I0.1.17%I0.1.43DC24V电源可用3号机组建压%I0.1.18%I0.1.45消音重负载询问%I0.1.19%I0.1.46消闪重负载运行%I0.1.20%I0.1.48灯铃测试自动卸载
%I0.1.21%I0.1.491号机组主开关复位AC380V母线绝缘低%I0.1.22%I0.1.502号机组主开关复位AC220V母线绝缘低%I0.1.23%I0.1.513号机组主开关复位1号机组逆功率%I0.1.24%I0.1.521号机组自动并车2号机组逆功率%I0.1.25%I0.1.532号机组自动并车3号机组逆功率%I0.1.263号机组自动并车
其中:
%I0.1.0为模式选择开关信号，由主配电屏上模式选择旋转开关控制，得电为自动模式，失电为手动模式;
%I0.1.1~%I0.1.3为发电机待机信号，由发电机组本地控制箱提供，该信号有效时，表明对应发电机组正常待机，可随时启动;
%I0.1.4~%I0.1.9和%I0.1.21~%I0.1.23为发电机组主开关状态信号，由主开关控制器提供;
%I0.1.11~%I0.1.14为母线频率及电压故障信号，由PPU检测电网状态，根据PPU预设值，判断电网状态，并传输给PLC控制器;
%I0.1.24~%I0.1.29为发电机组半自动并车及负载转移命令，在手动模式下，由操作人员手动按下控制屏上对应按钮开关控制执行相应动作;
%I0.1.32~%I0.1.43为发电机组启动状态信号，由发电机组本地控制系统测量、判断，并提供给PLC控制器;
%I0.1.51~%I0.1.53为发电机组发生逆功率信号，由PPU检测并提供;
其它信号为对应按钮开关等设备提供。
2. PLC输出信号
PLC的主要输出信号如表3-3所示。主要为控制指令和船舶电站状态指示信号。
其中:
%Q0.2.0为重负载允许启动命令及指示;
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%Q0.2.6~%Q0.2.8和%Q0.2.41~%Q0.2.46为主开关状态指示;
%Q0.2.9~%Q0.2.11为PLC控制主开关跳闸命令;
%Q0.2.12和%Q0.2.57分别为自动卸载命令和指示
%Q0.2.13~%Q0.2.18和%Q0.2.25~%Q0.2.27为PLC控制发电机组启动、同步并车和停机命令;
%Q0.2.32~%Q0.2.56为发电机组、主开关及母线等状态指示。
表3-3 PLC主要输出信号
地址变量名地址变量名
%Q0.2.0%Q0.2.32重载允许启动命令及指示1号机组准备好指示%Q0.2.6%Q0.2.331号机组主开关故障指示2号机组准备好指示%Q0.2.7%Q0.2.342号机组主开关故障指示3号机组准备好指示%Q0.2.8%Q0.2.353号机组主开关故障指示1号机组首先待机指示%Q0.2.9%Q0.2.361号机组主开关跳闸命令2号机组首先待机指示地址变量名地址变量名
%Q0.2.10%Q0.2.372号机组主开关跳闸命令3号机组首先待机指示%Q0.2.11%Q0.2.383号机组主开关跳闸命令1号机组第二待机指示%Q0.2.12%Q0.2.39自动卸载命令2号机组第二待机指示%Q0.2.13%Q0.2.401号机组启动命令3号机组第二待机指示%Q0.2.14%Q0.2.412号机组启动命令1号机组主开关非正常跳闸指示%Q0.2.15%Q0.2.423号机组启动命令2号机组主开关非正常跳闸指示%Q0.2.16%Q0.2.431号机组自动同步命令3号机组主开关非正常跳闸指示%Q0.2.17%Q0.2.442号机组自动同步命令1号机组主开关未闭合指示%Q0.2.18%Q0.2.453号机组自动同步命令2号机组主开关未闭合指示%Q0.2.19%Q0.2.461号机组负载转移命令3号机组主开关未闭合指示%Q0.2.20%Q0.2.472号机组负载转移命令1号机组启动失败指示%Q0.2.21%Q0.2.483号机组负载转移命令2号机组启动失败指示%Q0.2.22%Q0.2.491号机组控制屏照明命令3号机组启动失败指示%Q0.2.23%Q0.2.502号机组控制屏照明命令母线电压高指示%Q0.2.24%Q0.2.513号机组控制屏照明命令母线电压低指示%Q0.2.25%Q0.2.521号机组停机命令母线频率高指示%Q0.2.26%Q0.2.532号机组停机命令母线频率低指示%Q0.2.27%Q0.2.543号机组停机命令AC380V母线绝缘低指示%Q0.2.29%Q0.2.55蜂鸣命令AC220V母线绝缘低指示
%Q0.2.56应急电源故障指示
%Q0.2.57自动卸载指示
1. PPU接口信号
PPU的主要输入/输出接口信号如表3-4所示。
其中:
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PPU通过73~89端口将发电机电压、电流及母线电压采集并计算，根据预设值和计算结果，判断电网状态如逆功率、母线电压、电流、频率等故障(表3-5中端子5~13和57~62)，并将信号输出给PLC控制器进行判断和处理;
14~16用作负载转移后将要解列的发电机主开关打开指令;
17~19、25和65~68分别用作自动并车控制的主开关闭合指令、自动同步指令和并车过程的调速指令;
29~31为串口通讯接口;
48~50为模式选择端口;
表3-4 PPU的主要输入输出接口信号
端子号端子名称用途1+24V DC输入电源20V输入5~7CONFIGURABLE逆功率(3~10s延时可设)输出8~10CONFIGURABLE母线电压高(5s延时)输出11~13CONFIGURABLE母线电压低(5s延时)输出14~16CONFIGURABLE/OPEN BREKER主开关打开(负载转移)输出17~19CLOSE BREAKER(SNYCH)主开关闭合(并车)输出23ALARM INHIBIT报警禁止输入24ALARM ACK报警确认输入25START SNYC/CONTR开始同步输入28COMMON公共端(23~27)输出
Data + (A)通讯29~31COMMUNICATIONGND通讯
Data - (B)通讯37ACTIVE(P) LOAD SHARING负载分配输入38LOAD SHARING COMMON公共端(37、39)输入43DE-LOAD负载转移输入48MODE 1输入49MODE 2模式选择输入50MODE 3输入54GB OPEN主开关打开输入55GB CLOSE主开关闭合输入56COMMON公共端(43~55)输入57~58母线频率高(5s延时)输出59~60母线频率低(5s延时)输出RELAY
61~62过电流(15~30s延时可设)输出
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端子号端子名称用途65~66GOVERNOR SPEED RAISE加速输出67~68GOVERNOR SPEED LOWER减速输出73~74L1 CURRENTL1 线电流输入75~76L2 CURRENTL2 线电流输入77~78L3 CURRENTL3 线电流输入
L1输入79~84L2发电机电压输入
L3输入
L1输入
L285~89输入母线电压
L3输入3.6 基于Modbus的通讯方式
3.6.1 Modbus通讯协议简介
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工
[28]业标准，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦
[29]测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
ModBus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应
[30]用于各种数据采集和过程监控。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等模式，并没有规定物理层。Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。ASCII和RTU模式的信息帧结构如表3-5所示。当在网络上通信时，Modbus协议决定了设备地址和消息内容。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后(如故障或关机)，Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通[31]。因此，Modbus协议的可靠性较好。
表3-5 ASCII和RTU模式的信息帧结构
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模式开始标记传输数据段格式校验方式结束标记ASCIILRCCR,LF:(冒号)ASCII码字符(每个字符占两个字节)
RTUCRC无十六进制数(每个数据占一个字节)无3.6.2 通讯设置
1.PC上位机、XBTGT5330触摸屏与M340PLC的通讯设置
PC上位机、触摸屏与PLC的通讯方式采用工业以太网Modbus TCP/IP方式，其具有协议开放，与不同厂商设备兼容，能实现远程访问，远程诊断，网络速度快，实时性强，系统安全性高，成本低等特点。
监控计算机与M340 PLC之间通过以太网Modbus TCP/IP连接时，需要配置两者网络地址(IP)。在Vijeo-Designer中添加驱动程序并进行配置，使通信设置与设备相匹配，并将用户应用程序下载到触摸屏，即可实现触摸屏与PLC和PC上位机之间的以
[32]太网通讯，无需编写复杂的通信程序。
PLC在使用以太网Modbus TCP/IP连接前，需要通过USB数据线或编程线缆和Unity Pro编程软件激活并设置网络地址。M340 PLC的主机IP必须与触摸屏和监控计算机的主机IP不同，且在网络中是唯一的。而且，PLC、触摸屏和计算机的IP地址的网络ID必须相同。例如，如果PLC的IP地址为192.168.1.1，则触摸屏和计算机的有效地址可为192.168.1.x(x=2~255)，且不同。
2.M340 PLC与PPU通讯设置
M340 PLC和PPU主要是以硬件接线方式实现控制功能，部分电站参数通过串口通讯完成。通讯接线如图3-8所示。
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PPU(,)通讯引脚
,9DATA + (A)
3,DATA - (B)
30GNDPLC通讯引脚
,RXD3,Not used
,TXD33DATA + (A)XR3RTS34Not used,
4D,435DATA - (B)
5D0536Not used
6CTSPPU(,)通讯引脚
7Power,9DATA + (A)
8Common3,DATA - (B)
30GND
…
PPU(3)通讯引脚
,9DATA + (A)
3,DATA - (B)
30GND
…
图3-8 PLC与PPU串口通讯接线图
采用编程软件对M340 PLC和PPU进行通讯设置。设置为RS485通讯，传输速率为9600位/秒，数据长度为8位，停止位1位，偶校验，1~3号发电机组所对应的PPU的地址分别设为1、2、3，PPU将常用数据存放在其内部指定寄存器中，建立通讯后PLC执行READ_VAR和WRITE_VAR通讯指令实现与PPU的数据交换。3.PPU与XBTGT1100触摸屏通讯设置
本系统每台PPU配有一个XBTGT1100触摸屏，对其进行参数设置。PPU与XBTGT1100触摸屏通讯设置为RS232通讯，传输速率为9600位/秒，数据长度为8位，停止位1位，无校验，1~3号发电机组所对应的PPU的地址分别设为1、2、3。
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第四章 船舶自动化电站PLC监控程序设计4.1 监控软件结构及功能设计
监控软件分为PLC控制软件和触摸屏人机界面软件两部分。PLC程序实现数据处理、逻辑判断与控制执行等功能;触摸屏程序通过网络直接访问和修改PLC变量，实现功能控制、数据、状态的输出、显示和存储等功能。
软件结构框图如图4-1所示。
监控系统
故障信息报警数据采集系统管理功能控制记录与处理显示记录
自界故故故实实
用系动面障障障时时
户统控遥报信分数数
管配制控警息析据据
模模显存处显存理置
块块示储理示储
图4-1 软件结构框图
监控软件以控制和实时监测现场设备各参数为中心，具有功能完善、操作简便、可视性好的特点，具体功能如下:
1. 电站参数与运行状态的监测与显示
采集显示电站的基本参数与运行状态，动态显示被测参数，动态实时显示电站系统各种状态图，便于对参数和电站工作状态的查看。
2. 故障的监测、报警与处理
实时监测电站运行状态及参数，判断故障发生及故障类型，并产生声光报警。本系统设置的主要故障报警类型有:发电机主开关阻塞故障报警、发电机主开关合闸失败故障报警、发电机启动失败故障报警、母线电压上下限报警、母线频率上下限报警、380V和220V母线绝缘等级低报警、重要设备交直流电源故障报警灯。
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界面设置有消声、消闪和报警测试按钮。消声消闪后不影响后来报警信号的收悉且光信号一直保留到故障消除为止;报警测试按钮能随时对报警指示灯和警报蜂鸣器进行测试，且不影响系统正常运行。
设备正常的停机和启动过程中，必然会引起某些控制参数偏离整定值，此时考虑能自动忽略该变化，以防报警器误报警。母线电压和频率波动应满足表4-1所规定的变化范围，超出范围则产生报警。
表4-1 母线电压、频率波动范围
瞬态参数稳态%恢复时间/s
+6V~-10V?201.5电压
?5Hz?105频率
3. 信息的显示、存储与打印
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、持续时间等等。该信息全部存储于触摸屏CF存储卡内。常规数据集中显示于数据界面，便于工作人员观察和处理，并且对重要数据每隔1~2秒采集一次，将数据存储于触摸屏存储卡内，便于对电站工作状态的分析。图4-2为触摸屏传输给PC机的发电机的一个完整的启动过程中A相电压历史数据表。其中:第一列为日期，第二列为时间，第三列为电压值，第四列为返回值(1为通讯正确，其它为错误)。
触摸屏通过USB端口外接打印设备，可以打印以上信息，便于系统分析使用。
32
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图4-2 历史数据存储表格
4. 电站功能控制
电站的控制方式有三种:手动、自动和遥控。手动方式即工作人员在控制屏和设备旁手工操作设备的工作方式。监控系统设计有自动和遥控两种工作方式。
(1) 自动控制
在系统运行模式为自动模式下，由PLC对电站工作状态进行自动控制管理，针对不同运行状态和需求，自动控制管理电站设备。
(2) 界面遥控
在系统运行模式为遥控模式下，操作人员可以根据界面显示的各种信息，通过监控界面上按钮开关等控制电站设备。
5. 安全功能
本系统提供多种操作模式以及远程监控功能，为了避免在此过程中带来的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，造成不必要的损失，必须设置系统的安全功能。
(1) 用户权限设置
为了防止人为误操作的发生，软件对用户的级别和权限作了限制，严格规定各类操作的权限，使不具备操作资格的人员无法进行操作。
(2) 优先级设置
对于手动操作、遥控操作与自动运行三种操作模式按照上述顺序进行优先级设置避免三种操作模式混合运行。
4.2 船舶自动化电站PLC控制程序设计
4.2.1 Unity Pro编程软件简介
Unity Pro是施耐德电气自动化的核心产品，它是用于Modicon Premium、Atrium和Quantum PLC的通用IEC61131-3编程调试和运行软件。它支持五种IEC6113-3语言，支持在PC上运行PLC仿真器，提供操作员操作记录，即时诊断及运行期画面
[33]等功能，使开发变得更加容易。
Unity Pro软件的界面结构如图4-3所示。顶部为菜单栏和工具栏，左边为项目浏览区，右侧主显示区为程序编辑区，下面为项目信息显示区，底部为状态栏。
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图4-3 Unity Pro软件的界面
4.2.2船舶电站PLC控制程序设计
4.2.2.1 程序设计步骤
1. 新建项目
打开Unity Pro软件，在菜单栏点击新建项目，弹出配置对话框。可以选择用户所需PLC及其CPU的种类，点击确定按钮，建立新项目。本文使用PLC为Modicon M340，选取CPU为BMX P34 2020。
2. 配置机架及部件模块
打开项目浏览器，在“配置”菜单中双击“PLC总线”，打开总线配置界面如图4-4所示。在模拟机架对应的位置上双击，添加所需部件模块。本文所需模块除了已选的CPU以外还有:离散输入模块有两个BMX DDI 3202K和一个BMX DDI 6402K，离散输出模块为BMX DDO 6402K。
3. 变量设置
在项目浏览器中，点击“变量和FB实例”菜单，在基本变量项中添加所需基本变量的名称、类型、地址和变量值等。
4. 通讯设置
由于本文用到PLC的以太网端口，故需对网络进行设置。在浏览器中点击“通
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图4-4 PLC总线配置图
讯”菜单，右击“网络”，新建网络并命名。对新建的网络进行IP配置，设置IP地址、子网掩码和网关。
5. 程序编写
在浏览器中点击打开“程序”菜单，在“段”中新建段，对新建段进行命名并选择编程语言。Unity Pro提供的编程语言有:ST、IL、FBD、SFC和LD语言。双击新建段，打开编辑界面进行程序设计，如图4-5所示。
图4-5 Unity Pro编程界面
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6. 生成项目
程序编写完成后，点击“生成”菜单下的“生成所有项目”选项，Unity Pro将对所编写的程序进行分析和项目生成。在项目信息显示区，将显示程序分析结果，如有错误或警告，将在信息显示区显示出来，双击错误信息，则自动跳至错误代码行。如无错误，则生成项目，可以下载至PLC。
7. 将程序下载至PLC
项目生成后，将PLC上电并用USB数据线与装有Unity Pro的计算机相连，在“PLC”菜单中，“配置地址”项设置USB连接方式;点击“连接”，即可连接至PLC，然后点击“将项目传输到PLC”;传输完成后，PLC即可正常运行。4.2.2.1 程序及功能实现
1. 发电机组自动启动
发电机需自启动的情况主要有:
(1)为满足电网负荷的需求，当单机负荷达到80%额定容量时，且负荷仍有可能增加，或者有重负载启动询问且当前功率不足时，需要启动且并联一台备用发电机;
(2)发电机发生过载时，自动卸载非重要负荷后，再启动备用发电机并入电网，以便于将卸下的负载重新启动。
(3)在网发电机发生故障，如失压、缺相等，无法正常供电，需立即自启动一台备用发电机，替换下在网运行供电的机组;
(4)由于发电机或电网故障，发生电网失电时，需立即启动备用发电机组，尽快恢复供电。
发电机组自动启动PLC控制程序如图4-6所示。
其中，第一小段为判断在网发电机组故障程序，如BUSBAR_FREQUENCE_HIG
H、BUSBAR_VOLTAGE_HIGH等为母线频率和电压过高故障，为避免负载引起的瞬时变化，1s延时后%M9得电，将%M2置位，即产生在网发电机组故障信号。第二小段中，判断自启动条件。PREFERENTIAL_TRIP为发生自动卸载，%M2为上述发电机故障、%M30为重载询问且不满足启动要求(后面介绍重载询问程序中详述)、%M10为当前负荷超过当前容量的80%，%M40为主开关跳闸，由于篇幅有限，此段其它程序详见附件一。
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上述情况发生后，启动处于正常待机状态(STANDBY)的发电机组，发出发电机启动指令(ENGINE_START_COMMAND)，如果其启动正常并且成功建立电压(程序中VOLTAGE_ESTABLISHED)，等待并车操作。
图4-6 发电机自启动程序
船舶电力系统容量小，但是对供电可靠性要求高。任何断电事故都将危机船舶航行的安全。在无人值守的自动化电站，要求有完善的防范措施，当出现设备故障或导致全船断电的趋势时，采用备用机组替换故障机组，以保持供电的连续性。即使出现
[22]断电现象，也要保证断电时间最短，尽快恢复供电。电网失电故障处理流程如图4-7所示。
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电网失电
备用机组1启动备用机组2启动
建压建压
备用机组1合闸报警
否合闸成功否,备用机组2合闸
是
否并联运行备用机组2停机合闸成功否,
是
并联运行
图4-7 电网失电故障处理流程
2. 发电机自动并车
通常有三种情况需要并车操作:
(1) 为满足电网负荷的需求，当单机负荷达到85%额定容量时，且负荷仍有可能增加，这时就要考虑并联另一台发电机;
(2) 当船舶处于进出港、靠离码头或进出狭窄水道等的机动航行状态时，为了航行的安全，需要两台发电机并联运行。
(3) 当用备用机组替换下运行供电的机组时，为了保证不中断供电，需要通过并车进行替换。
并车从操作原理的角度可分为两类:准确同步法和自同步法。
自同步法的操作过程是用原动机将未带励磁的待并发电机的转速带到接近同步转速，然后合上待并发电机的主开关，同时加上励磁，依靠机组间自整步作用拉入同步。自同步法的优点是操作简单，缺点是冲击电流大，在船上电力系统容量有限的
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情况下这种方法不能保证电能的质量，因此在船舶上很少采用。
准确同期法又称准同步法，是目前船舶上普遍采用的一种方法。它要求待并发电机与运行发电机的电压、频率和相位三项都达到一定要求时才合上主开关，因此它造成的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，但缺点也显而易见，那就是操作复杂，需要专业人员才能完成。
三相交流同步发电机准同步并车时，最理想的情况是满足待并发电机与运行发电机的电压和频率大小相等，初相位一致。若三项都能得到满足，则合上主开关后冲击电流为零。若三项中有一项不符合，比如说电压，在这种情况下并车就会在两机组间产生一无功性质的环流。当电压差较大时，合闸引起的冲击电流就不能忽略。因此规范中一般规定有并车操作的电压差不得大于10%。
对自动并车装置的基本要求有:
?检测待并发电机与电网电压的频率差，并根据频差方向自动地对待并机组发出增速或减速信号，使待并机组的频率接近电网频率，创造合闸条件。
?在电压差、频率差与相位差都合乎要求时，才允许发出合闸信号。通常在船舶发电机并车操作中，电压差不得大于10%额定电压，相位差一般限制在?15%以内，频差在0.5Hz以内。在实际设计中，为了不出现逆功现象通常使待并机组以正压差、正频差投入，即待并发电机的电压和频率略高于电网电压和频率。
?当电压差、频率差在允许范围内，要考虑发电机主开关的动作时间及所有相关元件的动作时间，使合闸信号在相位差为零之前发出，如果提前的时间恰好等于主开关的动作时间(其它元件动作时间通常被忽略)，那么主开关正好是在两个电压相
[11]位一致时闭合，从而实现了准确同步。
本文采用自动并车设备为PPU，其采集发电机和电网的电压、频率和相位等，判断并执行并车控制过程。PLC主要对系统条件判断、状态判断与发布指令。
自动并车PLC控制程序如图4-8所示。
当需要并入备用发电机组，且该机组已经正常启动建压(%M21、%M22和%M23，程序详见附件一)，PLC根据上述发电机启动的结果，发出并车指令。启动互锁功能，如图中%M31、%M32和%M33避免给两台发电机同时进行并车操作，其中用计时器延时2s才发出并车指令，是考虑防止按键抖动引起的误动作，并且起到了配合完成互锁时间的功能。
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图4-8自动并车PLC控制程序
PLC发出并车指令给PPU，PPU接到并车指令，自动检测待并发电机与电网的电压、频率和相位差，并根据系统设定值做相应调整，直至符合并车条件，控制主开关闭合，将待并发电机投入电网。自动并车流程图如图4-9所示。
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单机运行
否是否需要并联
发电机组
是
启动备用发电机组
否
是否正常建压
是
启动第二台备用发电压差、频电机组否调节电压差、频率率差、相位差是否满足差、相位差并车条件
否是是否正常建压
是
否电压差、频调节电压差、频率率差、相位差是否满足差、相位差并车条件
是
阻塞
发出合闸指令
报警并联运行
图4-9 自动并车流程图
3. 重载询问
重载询问是指在启动大容量用电设备(一般指大于发电机单机额定功率15%的负载)之前，自动检查电站中正在运行的发电机组是否能满足他的用电及启动要求。若能，则允许它立即启动;否则应先启动一台备用发电机，使之并网，然后在允许它启动。
PLC控制重载询问程序如图4-10所示。系统正常运行时，当发出重载启动询问
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信号时(程序中HEAVYLOAD_START_REQUEST)，%M81得电将%M91置位，同时%M81被%M91常闭触电断电复位，%M91置位后将系统可用功率(%MW12)与重负载功率(%KW6)比较，若满足启动要求，则允许重负载启动(HEAVYLOAD_START_APPROVED)，否则%M30(见发电机自动启动程序)得电，通知控制器启动备用发电机组。
图4-10 PLC控制重载询问程序
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重载询问处理流程如图4-11所示。
单机运行
否重载询问否
是
是当前功率是否满足允许重载启动启动条件
否
启动备用发电机组
否是否正常建压
是
准同步并车
否合闸成功否
是
启动第二台备
用发电机组
否是否正常建压
是
准同步并车
否合闸成功否
是
阻塞
允许重载启动
图4-11 重载询问处理流程
报警并联运行4. 控制程序主线流程
PLC控制程序在满足以上要求的前提下，能根据电站的各种运行状态，采取相
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应的应对措施，确保电站持续稳定的供电。
控制程序主线流程如图4-12所示。PLC梯形图控制程序见附件一。
单机运行
重载询问运行机重载运行机故障
若延时内备用机自启动延时故障机跳闸
启动成功电网阻塞
自动并车
故障机解负荷分配列、分析
故障机并联运行单机运行停机
故障机负荷减少报警阻塞
解列先行机
运行机单机运行正常停机
图4-12 控制程序主线流程
4.3 船舶发电机调频调载控制及原理
本文自动调频调载方法是由PLC根据采集到当前频率及负载数据，下达调节指
令给PPU，整个控制过程由PPU自动完成。控制原理与方法如下:
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4.3.1 船舶发电机频率调整
1. 频率变化的原因及调整原理
交流发电机组的电源(或电网)频率f与机组的转速n(转/分)存在下列对应关系
p•nf= (4-1),,
其中，p为发电机的磁极对数。
式 (4-1) 中表明发电机的转速变化，将引起电网的频率变化。
电力系统中负载所消耗的电功率源于发电机组的原动机。对于柴油发电机组，其能量是由柴油转化得到的。发电机组在运行时，其能量平衡关系可以用下列方程描述
dnP=P?P+T (4-2)MECdt
其中P为原动机的机械功率，P为发电机的电功率，ΔP为机械和电气消耗，T为MEC
dn机组的惯性时间常数，为机组转速的变化率。dt
柴油机输出地机械功率P决定于柴油机的喷油量，发电机产生的电功率就是电M
网所有负载消耗的功率，按照能量守恒定律，柴油发电机组在运行过程中始终存在(4-2)式关系。当P=P+ΔP时，此柴油机输出功率与发电机的负载功率和机电损耗平ME
dn衡，=0，说明机组转速是恒定的，电网频率f不发生变化。从上述可以看出:要dt
想维持频率的恒定，只有跟随电力负载的变化来调节柴油机的供油量，通过改变发电机组输出有功功率来达到维持电网频率的目的，这正是频率和负载调整的关键。
2. 频率的调整
在负载功率一定时，改变调速器弹簧的预紧力，可以改变坐标中调速特性的位置，这样就实现了机组转速的调整，即电网频率的调整。频率调整可分为单机组供电和多台机组同时向电网供电时的频率调整两种情况:
(1) 单机组供电时的频率调整过程
单机运行时的调频的过程如图4-13所示，假设当发电机运行于特性1时，负载频率为P，发电机组输出频率也为P，此时频率稳定在额定值f，机组工作在理想00N
状态，如图4-13中所示A点。
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若负载增加到P，此时，因发电机组的输出功率小于负载功率P
212P，剩余的功率使机组加速，沿曲线2上行，即频率由f上升，剩余功率逐渐减少，11
最后将达到功率平衡点D处才稳定。其对应于频率f和功率P?。可见，通过改变调速N1器弹簧预紧力的二次调节，保证了在新负载条件下使电网频率维持在额定值。
f
ADfNBCf,,
,
P,PPPP,,,,
图4-13 单机供电时的频率的调整
(2) 多台发电机组同时向电网供电时的频率调整过程
以两台发电机组为例说明多机组并联的频率调整过程，如图4-14所示。调整前电网的频率为f，1号机对应的输出频率为P，其工作点为(P，f);2号机工作点为0110(P，f);此时，电网的频率已经超出了允许范围(f>f),现在要将电网的频率调整到200N
额定频率。
f
Bf,AfN,,C,,
,,
,PPPP/,,,
图4-14 多机供电时的频率的调整
调整过程如下，通过并车控制屏上的调速开关，同时对1号和2号发电机进行
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“减速”操作，控制1号和2号发电机的伺服电机反转，使1号和2号发电机组调速器弹簧的预紧力减小，从而使1号和2号发电机组的调速特性曲线向下平移。在调整中，每次操作量不宜过大，以免过调。每调节一次配合观察发电机控制屏上的频率表的读数，直到电网频率为额定值为止。此时1号和2号机组的特性曲线相交于(P/2，f)点，1号和2号发电机组各自承担负载功率的一半，频率调整完毕。N
4.3.2 并联运行时发电机组间的有功功率转移与分配
并联运行发电机组间的有功转移与分配调节，就是对机组输出有功功率增加和减少的调节，由于电源输出功率的改变导致会系统频率的变化，因此，这种调节一定要维持在额定频率的前提下进行。从并联机组的频载关系看，有功转移与分配调节其实质就是相对地平移机组调速特性，来寻找合适的工作点，从而达到有功功率的
[34]合理分配和负载转移的要求。
1. 发电机组并车后的负载转移过程
发电机组并车后，需要将原运行机组的一部分功率转移到刚并网的机组上，实现并联机组共同向负载合理供电的目的。下面以两台机组为例说明其负载的转移过程
如图4-15所示，并车前1号发电机组承担电网的全部功率P，电网频率为f，N稳定运行在1号机特性曲线上的A(P，f)点。2号发电机组并车合闸后，运行在特性N
曲线2上的点，此时功率为零。应在维持频率稳定的条件下平分功率(同容量机组并联)。
f
A
,CBfN,,
,,
,
P/,PP,
图4-15 发电机组并车后的有功功率转移过程
负载转移的过程:使2号机组“加速”，特性曲线2平行上移，其功率增加;与此同时，1号机组“减速”，特性曲线1平行下移，其功率减少。操作时配合观察发电机的输出功率表和电网的频率表，注意每次调节不宜过大，以免过调，且操作应是双向等量的，尽量使每次增加与减少的功率数量相等，以保持转移过程中频率
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f基本不变，直到两机功率相等为止。这时两曲线交于(P/2，f)点，两机组稳定运行NN
在f频率下，平均承担着电网上的负载。N
2. 并联发电机组间有功分配的调整过程
并联运行发电机组间输出的有功功率应按容量成比例分配，其分配误差必须符合规范的相关规定。否则，就要进行相应的调整。
3. 发电机组解列的功率转移过程
在发电机组并联向负载供电过程中，当负载减少到切除一台发电机组也可以满足供电要求时，则可以进行发电机组的解列操作。发电机组的解列退出操作不是简单的断开主开关，由于发电机组带有负荷，断开主开关时将产生强烈的电弧危害设备和人身安全。而需要将欲退出电网机组的所有功率转移到继续运行的机组上，使欲退出电网的机组上不带有负载后方可断开主开关，下面以两台机组为例来说明发电机
[35]组解列的功率转移过程。
如图4-16所示，1号和2号发电机组并联、处在理想的运行状态，其各自的调速特性曲线分别为1和2，工作点为A(P/2，f)，及各自承担负载功率的一半、电网频N
率为f。现在要将1号机组解列退出电网，其功率转移过程如下:使1号机组“减速N
”，特性曲线1平行下移，功率减少;与此同时，相应地使2号机组“加速”，特性曲线2平行上移，功率增加。直到1号机组不带负载、2号机组带有全部负载、且频率为额定值f为止，此时，1号机调速特性曲线移至1?，工作点为C(0，f);2号机NN调速特性移至2?，工作点为(P，f)，功率转移过程结束。断开1号机的主开关，发电N
机组从电网退出，2号机将承担全部负载继续运行。
f
B
,A2fN2
1
,1
P/2P0P
图4-16 发电机组解列的功率转移过程
4. 发电机组替换的功率转移过程
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发电机组在运行过程中，若机组出现故障或需要休整时则要进行替换。替换过程必须保证不间断供电，因此，首先要启动一台发电机组并入电网，其次要将被替换机组上的所带功率平稳地转移到新机组上，然后将其主开关断开使替换机组从电网退出。
如图4-17所示，1号发电机组在网上运行，伏在功率为P，电网频率为f，在N其调速特性曲线1上的工作点为AP，f)，现要用2号发电机组将1号机组从网上替N
换下来。替换过程如下:当2号发电机组按同步条件并车合闸后，就运行在其特性曲线2上的B(0，f)点，此时输出功率为零。接着进行功率转移，使2机组“加速”，N
特性曲线2行上移，功率增加;与此同时，相应地使1机组“减速”，特性曲线1行下移，功率减少;直到2号机组特性曲线上移至2?和1号机组特性曲线下移至1?为止，此时电网频率为额定值f;1号机组的作点为C(0，f);2号机组的作点为NN
[22](P，f)，功率转移过程结束。断开1号发电机组的主开关完成替换。N
f
AfN2,B
1
2
1,
0PP
图4-17 发电机组间的替换过程
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第五章 船舶自动化电站监控人机界面设计5.1 触摸屏编程软件Vijeo-Designer的介绍
触摸屏监控界面软件采用Vijeo-Designer进行设计。它是一款功能强大的触摸屏人机界面设计软件，可以使用此软件为人机界面设备创建操作员面板并配置操作参数。它提供了设计人机界面项目(包括从数据采集到创建并显示动画等各种任务)所需的所有工具，并支持自创控件功能。
5.2 船舶自动化电站监控人机界面设计
触摸屏监控程序设计步骤主要有:
1、创建项目并配置目标
启动Vijeo-Designer，选择创建新项目并单击下一步以继续;输入项目名称，并点击下一步;选择目标设备类型系列及型号，本系统采用XBTGT5330触摸屏，故在设备型号中选取该型号，单击下一步;进入通讯设置界面，本系统采用工业以太网通讯，故选取施耐德电气为供应商Modbus TCP/IP驱动程序，单击下一步设置IP地址;完成项目创建及配置。
2、创建变量
变量是用名称表示存储器地址，Vijeo-Designer可以处理的变量类型有:布尔型变量、整型变量、浮点型变量、字符串、结构变量、整数块及浮点块。然后再将这些变量与画面上的开关，指示灯，数据显示器和其它对象联系起来。
触摸屏使用这些变量与PLC进行通讯，需要内部处理的变量需设置为内部变量。定义变量时应注意外部变量与内部变量的区别。外部变量定义时为了跟与目标机器相连的PLC及其它设备通信，可以创建一个变量，并给它分配一个设备地址。由于本系统触摸屏与PLC通讯，故采用IEC61131语法设置变量比较方便，可以直接引用PLC各变量的变量名，所以在设备配置菜单上选“IEC61131语法”选项即可。
3、创建面板
面板中主要有指示灯、命令按钮、文本显示、图形对象等。Vijeo-Designer供了设计
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人机界面项目所需的所有工具，但是部分控件的显示效果并不是非常理想，为了使界面更加美观和逼真，利用Vijeo-Designer自创控件的功能，设计转换开关、仪表及部分图形对象。首先用专业图像处理软件(如Photoshop)处理所需图形，再将图像导入Vijeo-Designer进行处理和属性设置，即可使用。
(1) 创建开关
先从【绘图对象】工具栏中选取一个对象，先为开关画一个需要的图形，然后通过【动画属性】对话框给这个对象添加点击动画功能。如果需要的话，可以同时添加其它动画功能。如本文部分开关同时具有指示灯，就要添加颜色动画，根据状态变化，并设置其相应的状态变量。
(2) 创建指示灯
Vijeo-Designer提供两种在画面上放置指示灯的方法，一是使用指示灯组件，二是绘制自己的指示灯并且为其应用颜色动画。使用颜色动画，可以设置一个多达32种状态的指示灯(最大状态数取决于定义的变量的值)。
指示灯设置对话框如图5-1所示。在【常规】选项卡中，定义指示灯的名称、变量、类别、与风格。
图5-1 指示灯设置对话框
(3) 创建数据显示工具
在Vijeo-Designer中，可以在图形画面上显示与输入多种类型的数据，比如数值数据、日期与时间、字符串以及文本文件(.txt)。可以使用日期与时间、测量值、文本字符串以及开关标签显示信息。
Vijeo-Designer中有测量仪表控件，但是现实效果一般，为了监控界面更加逼真
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和友好，本为自创仪表控件，如图5-2所示。图5-2中(a)为Vijeo-Designer自有控件，(b)图为自创控件。创建方法为:在Photoshop图像处理软件中绘制如图5-2(b)所示的表头框架，不绘制指针，将其存储为.png格式，Vijeo-Designer对该格式兼容性较好;在“图画”菜单中点击“图像”在画面中插入绘制好的图片文件;利用Vijeo-Designer绘图工具绘制指针，再将指针对应相关变量，设置对话框如图5-3所示。在动画属性中选择旋转标签，设置指针对应变量及其根据变量旋转的数值范围和起始角度。
(a) (b)
图5-2 电流表
图5-3 电流表及其指针旋转属性设置
(4)创建转换开关
旋转开关的创建与仪表相似，创建的转换开关如图5-4所示。采用图像处理工具绘制旋转开关的基本框架，插入Vijeo-Designer作为控件，旋转柄独立绘制，并设置其属性。由于旋转开关动作要同时切换对应仪表的显示线路，因此需要编写脚本程序实现，属性设置对话框如图5-5所示，脚本程序见附件三。
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(5) 创建其它控件
采取上述方法可以创建监控界面所需其它控件，最终得到较为理想的效果。
图5-4 转换开关
图5-5 旋转柄动画属性设置
4、脚本程序
面板中图形及控件的动作及显示效果设置，除了要设置对应变量、颜色、显示之外，部分控件需要有较负载的动作，此动作需要编写脚本程序辅助完成。Vijeo-Designer的脚本程序采用Java语言编写，该脚本程序无需负载的程序结构，只需编写简单的处理过程。本系统中转换开关、非线性仪表指针动作都是由脚本程序辅助完成。脚本程序见附件三。
5、用户及密码设置
由于本系统监控界面可以通过以太网访问，为安全考虑，必须设置不同级别的用户和密码。
利用Vijeo-Designer可以设置多个用户，并可以限制其权限。本系统设置两个用户并设置访问密码和权限，一个为只读权限，另一个为可读写权限(管理员权限)。
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6、验证和生成目标
工程完成后，点击主菜单的“生成?验证所有目标”命令，没有错误的情况下该工程将被编译为一个可在支持HMI面板上运行的程序;如果编译过程中发现错误，反馈区窗口自动打开，显示所有检测到的错误和告警信息。错误显示为红色，告警显示为黄色，双击错误或告警信息，自动跳转至该问题控件。
7、工程下载
目标验证无错误，便可以将项目下载到触摸屏。下载方式主要有:以太网、串口电缆线、USB数据线和CF卡等方式。可以根据不同情况选择适合的下载方式。5.3 监控界面软件结构及控制功能实现
根据电站功能及监控需求，设计触摸屏监控界面的软件结构如图5-6所示。软件操作流程及注意事项见附件二。
主界面
发电机并车控历史故系故障实时数组控制制及相障信息统报警据趋势关数据存储及设及数据界面图显示显示显示置显示
图5-6 触摸屏界面结构
界面功能如下:
(1) 主监控界面
主监控界面如图5-7所示。右上角为时间显示区域，底部为页面切换按钮;主界面直观地显示了整个电站设备的工作状况以及各段母线的带电情况，若查看更详细的数据，则点击相应的图标或者按键，进入详细数据界面。
(2) 柴油发电机组运行监控界面
将三台柴油发电机组的工作状态集中显示于发电机组监控界面，便于操作人员直接全面的掌握发电机组的工作情况。该界面能够控制三台柴油发电机组的启停、分合闸以及主开关复位等操作。界面如图5-8所示。每台发电机还设有模拟控制屏，其
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与实物发电机控制屏非常相似，界面友好、逼真、直观且便于操作。二号发电机组模拟
控制屏界面如入5-9所示。
图5-7 监控主界面
图5-8柴油发电机组监控界面
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图5-9 二号柴油发电机模拟控制屏界面
(3) 并车监控界面
实时跟踪显示手动和自动并车过程，显示同步相关参数。由于并车过程同步条件要求较高，且通讯存在延时，所以界面遥控并车是调用系统自动准同步并车程序。
(4) 报警界面
集中显示发电机、母线、电气开关及直流电源等相关故障信息。一旦系统发生故障界面弹出报警对话框，显示故障类型;该界面由报警指示灯、复位按钮等组成，设置有停止警示音和停止报警灯闪烁按钮，可以在线查看和复位报警。
(5) 故障记录界面
自动将系统历史故障信息归档存储，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。
(6) 数据趋势图
定时记录(时间间隔可设)连续变化且较为缓慢的数据，形成趋势图。包括发电机电流(有效值)、电压(有效值)、功率、频率，母线电压、电流、功率等。
(7) 岸电管理界面
显示和管理岸电供电时系统的参数和相关操作。
(8) 系统设置界面
设置系统参数，如语言、时间、本地IP、显示屏对比度。
(9) 远程访问界面
触摸屏具远程访问功能，用户输入触摸屏IP即可通过PC机的浏览器访问监控
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界面。
人机界面照片如图5-10和图5-11所示。上述界面见图5-12至图5-18所示。
图5-10 人机界面实拍图a 图5-11 人机界面实拍图b
图5-12 一号发电机组模拟监控界面 图5-13 三号发电机组模拟监控界面
图5-14 同步屏监控界面 图5-15 同步屏及报警监控界面
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图5-16 电站重要数据表监控界面 图5-17 报警信息记录查看界面图5-18 实时数据趋势图
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第六章 结论与展望
本文设计的船舶电站网络式监控系统由设备层、控制层和以太网络层组成，它以高端的PLC Modicon M340控制器为核心，采用当前最优的开放式网络结构，实现以自动控制、远程监控和数据远程传输的先进船舶自动化电站功能。结合论文所做的具体工作，与传统船舶监控系统相比可以得出以下结论:
(1) 由于触摸屏的抗干扰性和运行稳定性，采用触摸屏代替PC机和其它显示设备作为人机界面设备，使本船舶电站监控系统对环境适应性强，提高了运行的可靠性。
(2) PLC程序采用多任务化模块设计思想，不仅在设计时使结构清晰，易于检查和修改，而且为以后软件的维护和改进提供了方便。
(3) 利用触摸屏技术与以太网通讯技术的方法简单易行，并且运行可靠，它降低了对用户的要求，大大缩短了设计周期，而且系统继承性较好。
(4) PC上位机访问监控界面，无需安装任何软件，只需使用通用的IE浏览器，输入触摸屏的IP地址，即可方便地访问监控界面。
(5) 通过以太网技术的应用，显示了网络应用与船舶电站的优越性，为实现港航移动目标监控提供了一种方法。
总之，本船舶自动化电站功能的设计实现建立在较新的参考资料和实验的基础上，设计思想基本正确，采用的技术手段比较得当。总体上，本设计基本完成了制定的设计任务，为后继同学接续船舶电站控制系统设计积累了经验。但是，由于局限于作者能力水平有限和时间仓促，整个船舶自动化电站功能还有些不足，例如抗干扰的详细设计环节，系统自动故障预测、自诊断等方向，可以在系统中添加专家系统等智能接口，由上位机来完成;另外，结合本系统传输给上位PC机的数据，可以进一步实现港航移动目标监控系统，完成船基站和岸基站的设计，将更有利于船舶安全与航运管理的发展。
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致 谢
本文从拟定题目到定稿，历时数月。回忆整个研究生学习历程，最令我难忘的恩师是施伟锋教授。他治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我们学习期间不仅传授给我们学习和研究方法，还传授给我做人的准则，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我们无尽的启迪，这些都将使我们终生受益。无论是在理论学习阶段还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到他的悉心指导和帮助。借此机会我向施老师表示衷心的感谢～
同时，要感谢上海海事大学——施耐德电气联合实验室的大力支持。感谢电气自动化实验中心的桂如裕老师和杨锦滨老师的帮助和指导。
另外，还要感谢刘以建副教授在此过程中的细心指导与教诲。
在海大学习生活的这两年，诸位领导和师长的精心栽培，各位同学和朋友的友善帮助，父母和家人的博大关爱，我都铭记在心。我会更加发奋拼搏，以优秀的学业和出色的工作来感恩大家，回报社会～
感谢物流工程学院为我提供良好的实验平台和学习环境。
最后，向所有评阅论文的老师、教授、专家和学者表示诚挚的谢意～
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攻读硕士学位期间公开发表论文及获奖情况
论文发表情况:
1. 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.电力自动化设备(核心期刊 EI索引).已录用.
2. 蒋晓峰, 施伟锋.船舶电站监控系统软件设计.测控技术(核心期刊).已录用.
3. 蒋晓峰, 丁立刚, 包桓铭. 教学楼照明管理节能
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
.电气系统节能增效解决方案.北京:人民邮电出版社. 2009年11月第一版(ISBN 978-7-115-21517-8),194~202页.
竞赛获奖情况:
2009年3月，参加第一届中国大学生施耐德电气杯“节能增效”大赛，获得优胜奖。竞赛方案《教学楼照明节能管理方案》被收录于《电气系统节能增效解决方案》一书。
专利成果:
2009年8月，申请发明专利:一种船舶电力推进系统控制与研发平台，申请号:200910056341.X，已受理并进入实质审查阶段，第四作者。
2009年4月，申请发明专利:一种巨型自航全回转起重船稳心的安全保护方法，申请号:200910135031.7，已受理，第四作者。
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附件一 船舶自动化电站PLC控制程序梯形图(部分)1. 数据计算任务DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW,:=%MW,,,;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW,:=0;/
DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW,:=%MW,5,;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW,:=0;/
DG3_CB_CLOSEDOPERATE%MW3:=%MW,8,;DG3_CB_CLOSEDOPERATE%MW,:=,;/
OPERATE%MW0:=%MW,+%MW,+%MW3;%MW,35.0OPERATEREAD_VAR(ADDM('0.0.0.,'), '%MW', 0, ,.../
%MW,65.0OPERATEREAD_VAR(ADDM('0.0.0.,'), '%MW', 0, ,.../
%MW,95.0OPERATEREAD_VAR(ADDM('0.0.0.3'), '%MW', 0, ,.../
DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW4:=%KW0;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW4:=0;/
DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW5:=%KW,;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW5:=0;/
DG3_CB_CLOSEDOPERATE%MW6:=%KW,;DG3_CB_CLOSEDOPERATE%MW6:=0;/
OPERATE%MW7:=%MW4+%MW5+%MW6;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW8:=%KW,4;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW8:=0;/
DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW9:=%KW,4;DG,_CB_CLOSEDOPERATE%MW9:=0;/
DG3_CB_CLOSEDOPERATE%MW,0:=%KW,4;DG3_CB_CLOSEDOPERATE%MW,0:=0;/
OPERATE%MW,,:=%MW8+%MW9+%MW,0;
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.,
COMPARE
OPERATEVALSUP%MW,,:=0;
%MW0IN,EQU
OPERATE%MW7IN,INF%MW,,:=%MW7-%MW0;
DIF
2. 模式选择任务
AUTO_MODEDG1_STANDBYBT,_CLOSED%M0
DG,_STANDBY
DG3_STANDBY
DG,_STANDBYDG,_STANDBYDG3_STANDBYBT,_CLOSED%M,
///
3. 发电机状态判断
DG,_REMOTE_AND_READY_TO...DG,_CB_TROUBLEDG,_START_FAILURE%M,4%M5
///
DG,_RUNNING
DG,_REMOTE_AND_READY_TO...DG,_CB_TROUBLEDG,_START_FAILURE%M,5%M6
///
DG,_RUNNING
DG3_REMOTE_AND_READY_TO...DG3_CB_TROUBLEDG3_START_FAILURE%M,6%M7
///
DG,_RUNNING
DG1_REMOTE_AND_READY_TO...DG1_RUNNINGDG,_REMOTE_AND_READY_TO...
/
LAMP_AND_BUZZER_TEST
DG,_REMOTE_AND_READY_TO...DG,_RUNNINGDG,_REMOTE_AND_READY_TO...
/
LAMP_AND_BUZZER_TEST
DG3_REMOTE_AND_READY_TO...DG3_RUNNINGDG3_REMOTE_AND_READY_TO...
/
LAMP_AND_BUZZER_TEST
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4. 发电机自动启任务%M0%M3,%M3,%M,,PREFERE...DG1_VOL...%M5DG,_CB_...%M75%M，,%M74//////
DG,_CB_...%M74%M76%M75%M,DG,_VOL...%M6
///
DG3_CB_...%M，,%M75%M76%M,0DG3_VOL...%M7
///
%M78%M79%M77%M30DG,_,ST...
//S
%M77%M79%M78%M40DG2_1ST...
//S
%M77%M78%M79%M50DG3_,ST...
//S
%M60
%M,%M2
S
%M4%M,
RBUZZER_OUTPUTFLICKER...
/
%M4DG1_CB_...DG,_RUN...DG,_VOL...%M5%M,,%M,%M，，
//
%M,,
%M4DG,_CB_...DG,_RUN...DG,_VOL...%M6%M,,%M78
//
%M,,
%M4DG3_CB_...DG3_RUN...DG3_VOL...%M7%M,3%M79
//
%M,3
FBI_3,DG,_RUNNING
TONDG,_START_FAILURE
%M0%M77
INQ/R
t#5sPTET
FBI_3,DG,_RUNNING
TONDG,_START_FAILURE
%M0%M78
INQ/R
t#5sPTET
FBI_33DG3_RUNNING
TONDG3_START_FAILURE
%M0%M79
INQ/R
t#5sPTET
66
上海海事大学硕士学位论文
FBI_34
TON%M，，FBI_35.Q
/
%M78INQ
%M79t#3sPTET
FBI_35
TONFBI_34.Q
INQ
t#,7sPTETFBI_34.QDG,_ENGINE_START_COMMAND%M77/
FBI_34.QDG,_ENGINE_START_COMMAND%M78
/
FBI_34.QDG3_ENGINE_START_COMMAND%M79
/
5. 自动并车任务%M,DG,_LOA...DG,_LOA...DG3_LOA...DG,_AUT...DG,_CB_...DG,_VOL...%M,,%M,3%M,4%M,,///////
%M,,
DG2_CB_...DG2_VOL...%M,,%M,3%M,5%M,,DG,_AUTO_SYNCHRO////
%M,,
DG3_CB_...DG3_VOL...%M,,%M,,%M,6%M,3DG3_AUTO_SYNCHRO////
%M1,
%M0%M,,%M3,%M33%M3,
//
FBI_,
TON
FBI_,,.Q%M,4
INQ/
t#,sPTET
%M0%M,,%M3,%M33%M,2
//
FBI_,0
TON
FBI_,3.Q%M,5
INQ/
t#,sPTET
67
上海海事大学硕士学位论文
%M0%M,3%M3,%M3,%M33
//
FBI_,,
TON
FBI_,4.Q%M,6
/INQ
t#,sPTET%M,,%M9%M,4DG,_AUTO_SYNCHRO_COMMAND
//
%M,4
%M9%M,5DG,_AUTO_SYNCHRO_COMMAND%M,,//
%M,5
%M9%M,6DG3_AUTO_SYNCHRO_COMMAND%M,3//
%M,6
FBI_,,
TON%M,,
%M3,
INQ
t#60sPTET
%M,4FBI_,,.QSFBI_,3
TON%M,,
%M3,
INQ
t#60sPTET
%M,5FBI_,3.QSFBI_,4
TON%M,3
%M33
INQ
t#60sPTET
%M,6FBI_,4.Q
S
BUZZER_OUTPUT%M,4FLICKER...
/R
%M,5
R
%M,6
R
68
上海海事大学硕士学位论文
6. 发电机自动停机%M0%M5,%M7,
S
FBI_,8
TON%M7,DG,_CB_...
/
DG,_ENGINE_STOP_COMMAND
INQ
t#60sPTET
DG,_RUNNING%M7,/R%M0
/
%M8
%M,0
%M30
%M0%M5,%M7,
S
FBI_,9
TON%M7,DG,_CB_...
/
DG,_ENGINE_STOP_COMMAND
INQ
t#60sPTET
DG,_RUNNING%M7,/R%M0
/
%M8
%M,0
%M30
%M0%M53%M73
S
FBI_30
TON%M73DG3_CB_...
/
DG3_ENGINE_STOP_COMMAND
INQ
t#60sPTET
69
上海海事大学硕士学位论文
DG3_RUNNING%M73/R%M0
/
%M8
%M,0
%M30
7. 重载询问任务%M0%M9HEAVYLOAD_START...HEAVYLOAD_START...%M9,%M8,
///
%M95%M96%M97%M98%M9,%M8,
////S%M0%M9,/RHEAVYLOAD_START_REQUEST
/
%M9,%M3%M0OPERATE%MW,4:=%MW,,;
.,
COMPARE%M9,
OPERATEVALSUP%MW,4:=0;
%KW6IN,EQU
OPERATE%MW,4IN,INF%MW,4:=%MW,4-%KW6;
DIF
.5FBI_0
COMPARETON%M0%M9%M9,
/
HEAVYLOAD_START_APPROVE...
VALSUPINQ
%MW,4IN,EQUt#,sPTET
%M30
%MW,,IN,INF
DIF
8. 其它(略)
70
上海海事大学硕士学位论文
附件二 船舶自动化电站监控软件使用说明1 软件开发环境
附表3-1 软件开发环境
PC操作平台
CPU建议使用Pentium III 1GHz 或更快内存建议使用512MB或更大可用磁盘空间硬盘可用空间400MB或更大
Microsoft Windows2000 Professional 与 Server
(Service Pack 4 或更高版本) 操作系统Microsoft Windows XP Professional (Service Pack
2 或更高版本)
Microsoft Windows Vista Business
网页浏览器Microsoft Internet Explorer 6.0 或更新2 软件结构
软件结构框图下图所示。
监控系统
故障信息报警数据采集系统管理功能控制记录与处理显示记录
自界故故故实实
用系动面障障障时时
户统控遥报信分数数
管配制控警息析据据
模模显存处显存理置
块块示储理示储
软件结构框图
3 操作流程
PLC控制软件为自动运行程序，无需人工干涉。
触摸屏监控界面软件操作流程如下:
(1)启动
触摸屏电源与控制屏电源处于同一回路，控制屏得电，触摸屏即通电运行，触摸屏首先初始化系统，然后自动启动进入界面软件。
71
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(2)系统设置
进入监控界面软件，可以点击系统设置按钮，进入设置界面设置系统参数。
(3)数据查看
监控软件设有不同的监控界面，根据用户需求，点击需要查看的界面按钮，即进入相关界面。本界面设置有“电网”、“发电机组”、“并车屏”、“故障报警”、“故障信息”、“趋势图”、“数据表”和“系统设置”等按键。在发电机组监控界面，显示三台发电机组的运行参数信息，点击“显示模拟控制屏”则进入对应发电机组的模拟控制屏，界面与实际控制屏布局和功能相似。
数据表界面集中显示电站当前运行的重要数据信息。
(4)报警查看
系统发生故障，产生报警，则监控界面弹出报警信息，跳转至报警指示灯界面，便于查看报警类型。同时故障信息界面显示并记录报警信息，包括:故障类型、日期、时间、当前状态等。
(5)电站控制
电站处于遥控模式下，通过界面可以对船舶电站进行远程控制，控制流程如附件一所述，此处不再赘述。
(6)远程登录
触摸屏通过网络将监控界面发布给网内计算机，在网内任意一台计算机，通过IE浏览器，输入触摸屏的IP地址，即可访问触摸屏，如需访问监控界面，则需输入正确的用户名和密码。
4 注意事项
(1)禁止用尖锐的物体点击触摸屏表面。
(2)在自动模式下，界面只能查看电站运行数据及状态，控制操作被屏蔽，只有
遥控模式下能够操作。
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附件三 监控界面脚本程序(部分)
if(v>-b&&v=a&&v=b&&v=c&&v=d&&v=e&&v<=f) case 3 : { c=DG1.VOLT_L31.getIntValue(); COS.DG1_pointValue.write(v); DG1.VOLT.write(c); COS.DG1_pointAngle_max.write(5); break; COS.DG1_pointAngle_min.write(13);} COS.DG1_pointValue_min.write(e);
COS.DG1_pointValue_max.write(f);3.一号发电机组监控界面功率因数表脚 }
else if(v>f||v<-f)本程序 {int a=0,b=50,c=80,d=90,e=95,f=99,g=100; COS.DG1_pointValue.write(100);float v; COS.DG1_pointAngle_max.write(1);v=COS.DG1_COSphi.getIntValue(); COS.DG1_pointAngle_min.write(-1);if (v>-b&&v(-c)&&v<=(-b))BUS.BUS_FRE.write(d);
{e=DG2.BUS_VOLT.getIntValue();
COS.DG1_pointValue.write(v);BUS.BUS_VOLT.write(e);
COS.DG1_pointAngle_max.write(-45);}
COS.DG1_pointAngle_min.write(-28);else if (b==1)
COS.DG1_pointValue_min.write(-c);{
d=DG2.BUS_FREQUENCY.getIntValue(); COS.DG1_pointValue_max.write(-b);
}e=DG2.BUS_VOLT.getIntValue();
else if(v>(-d)&&v<=(-c))BUS.BUS_FRE.write(d);
BUS.BUS_VOLT.write(e); {
COS.DG1_pointValue.write(v);}
COS.DG1_pointAngle_max.write(-28);else if (c==1)
COS.DG1_pointAngle_min.write(-20);{
COS.DG1_pointValue_min.write(-d);d=DG3.BUS_FREQUENCY.getIntValue();
COS.DG1_pointValue_max.write(-c);e=DG3.BUS_VOLT.getIntValue();
}BUS.BUS_FRE.write(d);
else if(v>(-e)&&v<=(-d))BUS.BUS_VOLT.write(e);
{}
COS.DG1_pointValue.write(v);else
COS.DG1_pointAngle_max.write(-20);{
BUS.BUS_FRE.write(0); COS.DG1_pointAngle_min.write(-13);
COS.DG1_pointValue_min.write(-e);BUS.BUS_VOLT.write(0);
COS.DG1_pointValue_max.write(-d);}
}6.参数存储脚本程序 else if(v>=(-f)&&v<=(-e))
DG1.CURRENT_L1.flushToStorage(); {
DG1.CURRENT_L2.flushToStorage(); COS.DG1_pointValue.write(v);
DG1.CURRENT_L3.flushToStorage(); COS.DG1_pointAngle_max.write(-13);
DG1.VOLT_L12.flushToStorage(); COS.DG1_pointAngle_min.write(-5);
DG1.VOLT_L23.flushToStorage(); COS.DG1_pointValue_min.write(-f);
DG1.VOLT_L31.flushToStorage(); COS.DG1_pointValue_max.write(-e);
DG1.FREQUENCY.flushToStorage(); }
DG1.ACTIVE_POWER.flushToStorage(); }
4.一号发电机组遥控启停脚本程序DG2.CURRENT_L1.flushToStorage();int a,b;DG2.CURRENT_L2.flushToStorage();a=DG1.ENGINE_START.getIntValue();DG2.CURRENT_L3.flushToStorage();b=DG1.ENGINE_STOP.getIntValue();DG2.VOLT_L12.flushToStorage();if(a==1&&b==0)DG2.VOLT_L23.flushToStorage();{DG2.VOLT_L31.flushToStorage();
DG1.ENGINE_START_STOP.write(-1);DG2.FREQUENCY.flushToStorage();}DG2.ACTIVE_POWER.flushToStorage();else if(a==0&&b==1)
{DG3.CURRENT_L1.flushToStorage();
DG1.ENGINE_START_STOP.write(1);DG3.CURRENT_L2.flushToStorage();
DG3.CURRENT_L3.flushToStorage();}DG3.VOLT_L12.flushToStorage();else DG1.ENGINE_START_STOP.write(0);DG3.VOLT_L23.flushToStorage();
DG3.VOLT_L31.flushToStorage();5.母线开关动作脚本程序DG3.FREQUENCY.flushToStorage();int a,b,c,d,e;DG3.ACTIVE_POWER.flushToStorage();a=DG1_CB_CLOSED.getIntValue();7.二号、三号发电机组监控界面脚本程b=DG2_CB_CLOSED.getIntValue();
c=DG3_CB_CLOSED.getIntValue();序与一号发电机组监控界面脚本程序if (a==1)
{类似(略)。d=DG1.BUS_FREQUENCY.getIntValue();
e=DG1.BUS_VOLT.getIntValue();
BUS.BUS_FRE.write(d);
BUS.BUS_VOLT.write(e);
}
else if (b==1)
{
d=DG2.BUS_FREQUENCY.getIntValue();
74
浙公网安备 33021202002483