代兵
上海中远船务工程有限公司 上海市 200231
摘要：船就像海上漂浮的城市。几乎所有的设备都必须供电。因此，船舶配备了一个独立的发电厂，由发电、配电和用电组成——船用发电厂。自20世纪60年代以来，对船舶动力装置的自动化设计提出了要求。船舶动力装置自动化的优点包括：能保持供电的连续性和动力装置的较高可靠性，提高船舶的生命力，提高供电质量；改善船员的工作条件，降低作业强度，提高船舶的经济指标和灵活性操作。现代船舶电站自动化不仅可以实现普通船舶电站监控系统实现的各种监控功能，还可以实现优化的能源管理，保证船舶电站在不同工况下高效、经济地工作。因此，研究电站自动化系统技术的应用，开发先进的技术和稳定可靠的产品，为中国现代船舶提供装备，具有重要的技术意义。
关键词：PLC；船舶电站；自动化控制
1船舶电站自动化控制系统设计方案
1.1自动化电站控制系统的组成
船舶电站自动化系统监控系统采用由德国西门子公司的PLC（一台S7-300PLC、四台S7-200PLC）与两台DEIF公司的PPU(Protection and Paralleling Unit）及少量继电器组成。该系统是分布式管理结构，主要环节是电厂监控系统。在控制过程中，PLC和控制面板从所有其他输入线读取必要的信号，以便执行信号管理以执行两个发电机组的控制和监视任务。
1.2船舶电站的基本功能
(1）对电网电压、电流、频率等电气参数和动作信号自动检测、报警、记录。
(2）几台发电机组应配备启动控制程序。如果设备的一部分出现故障且无法启动，则设备的下一部分应自动启动并自动进入网络。（如果两个发电机并联连接，它们应该能够自动完成同步输入）。
(3发电机运行时自动分配恒定电压和无功功率：励磁设备会自动调整以在单次或并联运行期间保持恒定的电源电压。同时，可以调节带有并联控制的发电机组的无功功率分配，以确保有效分配。
(4）自动分配自动恒定频率和有功功率。当两个单元并行操作时，自动频率调制和分配装置与速度控制器一起操作，以将网络维持在不超过恒定频率的稳定状态。每个单元假定的有功功率按单元容量的比例分配。
(5）重载请求。现代大型船舶通常具有容量为100 k W的独特机器。例如电动船首推进器，大型电缆绞车，以及工程船上的其他功率负载，通常具有与发电机的独立功率等效的功率，并且在使用时应启动这种大功率负载前应该询问一下电站中供电的发电机组，判断电站的功率储备能否满足他们的用电和启动要求。
(6）发电机组是自动运行的并且在错误状态下启用关闭控制功能。船舶发电厂委托的发电机数量取决于负荷的功率。如果负荷很大，系统会自动启动发电厂的备用单元，以增加发电厂的总功率。
(7）重要的负载分阶段开始。例如当电力系统处于某种故障状态时，突然断路可能会使发电机与电网断开。在自动电站恢复电力系统以快速恢复电力系统的运行之后，可以安装一组重要的控制器来启动自动分类。
2船舶电站自动化系统的硬件设计
2.1 PLC的选型
在执行此工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。然后确定选择的大小，型号和配置。据统计，分站各PLC的输入输出I/O点数如下：1#PLC、2#PLC：开关量输入37个、开关量输出28个、模拟量输入4个、模拟量输出2个；3#PLC：开关量输入29个、开关量输出26个；4#PLC：开关量输入37个、开关量输出29个。
根据上述任务分析，考虑到电厂控制系统的自动运行方式和可靠性，选取西门子PLC S7-200PLC系列作为变电站控制单元，型号为CPU226。模块化结构，使用方便，易构建系统完整的功能模块；丰富的指令，方便系统的构建和扩展，具有高性价比。
2.2 I/O测点及模块分配
2.2.1 I/O分配
I0.0-I0.7分配输入测点：DG1备车、DG1＿GB状态、DG1运行、DG2备车、DG2＿GB状态、DG2运行、DG3备车、DG3＿GB状态、DG3运行I1.0-I1.6分配输入测点：自动模式、备用顺序123、备用顺序231、备用顺序312、重载问询、重载运行。
Q0.1-Q0.7分配输出测点：DG1启动、DG1停止、DG1PPU运行、DG1负载转移、DG1分闸、DG2启动、DG2停止、DG2PPU运行、DG2负载转移Q1.0-Q1.7分配输出测点：DG2负载转移、DG2分闸、DG3启动、DG3停止、DG3PPU运行、DG3负载转移、DG3分闸、重载问讯允许。
根据输入/输出点数的定义，应根据实际点数增加储备量的20%?30%作为备用。
2.2.2 具体模块的配置
根据输入/输出点数的定义，应根据实际点数增加储备量的20%～30%。
分站模块的配置如下：
1#PLC、2#PLC:CPU226模块2个、数字量输入/输出EM223模块2个、模拟量输入EM231模块2个、模拟量输出EM232模块2个、通信模块EM277模块2个；3#PLC:CPU226模块1个、数字量输入/输出EM223模块1个、通信模块EM277模块1个；4#PLC:CPU226模块1个、数字量输入/输出EM223模块1个、通信模块EM277模块1个。
3船舶电站自动化控制系统的软件设计
3.1系统流程分析
系统监控站主程序自动判断电厂当前运行状态，在不同工况下进行大量计算和逻辑分析，确定要执行的工作类型，并决定调用功能例程完成工作。执行函数子程序后，返回主程序继续循环检测，整个系统重复此过程。通过自动/手动开关切换控制模式。在自动模式下，监控站程序自动检测控制操作，如添加机器、调整和卸载，然后执行命令。在手动模式下，操作员在配电盘的控制面板上完成电站的操作（如启动、并联、断开和关闭）。
3.2船舶电站自动精确同步并列装置
3.2.1自动精确同步并联装置原理
自动精确同步并列装置是指能够自动检测电网与并网发电机之间的电压差、频率差和相位差的装置。当满足并联运行条件时，能自动发出合闸信号。
当差频三角波和移相差频三角波通过差频符号识别环节时，差频符号识别环节获得的调速尖利脉冲，需要经过脉冲展宽电路，将其转换成适当宽度的矩形波，从而有效地控制发电机的加减速。为了提高并联装置的执行速度，快速完成系统的合并，在并联装置上增加了“迟滞扰动”环节。当差频很小时，“死扰动”环节可使反向调速动作，并适当提高差频。当差频从正值趋于零时，差频加速度信号经“死扰动”环节输出。从频差测试环节、频差限制环节、压差检测环节三个信号后，得到第一闭合信号。根据逻辑“和”的定义，只有当各环节检测到满足并联运行条件时，才能输出合闸信号。此时，通过输出脉冲宽度形成电路后，将超前时间环节产生的合闸尖脉冲加到合闸继电器上，实现合闸动作。
当船舶电站系统开始工作时，船舶电网处于无电状态。此时，发电机组应立即投入运行，然后接入电网。因此，在上述过程中，系统接通后应增加“单机投入”操作，以保证船舶网络的首次启动供电。
3.2.2自动精确同期并列装置工作流程
事实上，并联自动精确同步装置的工作流程大大简化：通过确定网络设备和并联设备的电压，确定频差方向、电压差条件和频差条件。根据确定频差方向的结果，连接到网络上的电机加速或减速。根据检测到的电压差条件的结果，并联电压升高或降低。比较了频率差和电压差、引线条件。确定逻辑元素和之后，如果满足条件，则发出close命令。
在实际的发电机组并联运行装置中，差频信号和移相差频信号的检测集成在同一个电路中，并在电路中加入了超前量、合闸指令等信号，实现了并联运行过程中的所有操作。
结论
关于此问题的研究已成功地将SPS和PPU应用于海上电厂的自动化系统设计中， 在监控系统中，实现了监控站控制发电机的远程控制功能，可以通过触摸屏方便地显示所需信息，人机界面功能在一定程度上良好。
参考文献：
[1]操定友.基于PLC MCGS PPU的船舶电站的设计[J].电脑知识与技术,2019,15(35):240-242.
[2]林建民.基于PLC的船舶电站监控系统研究[J].科技风,2019(17):8.