基于PLC的船舶电站自动化监控系统的设计.doc

浙江工业大学硕士学位论文基于PLC的船舶电站自动化监控系统的设计作者姓名：叶继英 指导教师：陈国定教授浙江工业大学信息工程学院 2011年3月圖冒圖_ Y1921094Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technologyfor the Degree of MasterThe Design of PLC-Based Automation Monitoring System of Ship Power StationCandidate: YE Jiying Advisor: Professor Chen GuodingCollege of Information Engineering Zhejiang University of TechnologyMar 2011浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。日期:2011年3月30日參学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密,在年解密后适用本授权书。2、不保密。日期办年；月妒曰 日期年+月日(请在以上相应方框内打十）作者签名 导师签名浙江工业大学硕士学位论文基于PLC的船舶电站自动化监控系统的设计摘要船舶在交通运输中依然保持着重要的地位。随蓍电子信息技术和计算机技术的快速发 展，监控系统的应用日益广泛，船舶大型化和自动化，对其电站的自动化提出更高的要求, 电站又是船舶的关键部位之一，船舶电站自动化监控系统承载着非常重要的角色。本文设 计了一种基于PLC的船舶电站自动化监控系统。监控系统由一个主站（上位机）和三个子站组成，每个子站由一台三菱FX2N PLC构 成，独立控制一台发电机组，包括一台柴油机和一台发电机，主站和子站之间采用RS485 通信连接论文设计了该电站自动化监控系统，实现数据的釆集以及对相关设备的控制。 采用模块化的设计方法设计了 PLC控制系统的各功能流程，完成PLC控制程序编写，包括 发电机组的自起动、自动准同步并车、自动调频调载以及自动解列等模块程序，实现了船 舶电站的自动控制；利用MCGS工控组态软件设计了上位机监控软件，人机界面友好，便 于操作。此外，本文还就所设计的船舶电站自动化监控系统的抗电磁千扰、机械振动干扰以及 温度和湿度干扰等问题进行研究，采用硬件抗干扰和软件抗干扰相结合的方法，来有效解 决各种千扰对电气设备的影响，以提高电站供电的稳定性与可靠性。本文设计的船舶电站自动化监控系统适用于中小型船舶,试用表明能达到船舶电站监 控要求。关键词：船舶电站，监控系统，PLC, MCGSTHE DESIGN OF PLC-BASED AUTOMATIC MONITORING SYSTEM OF SHIP POWER STATIONABSTRACTThe ship still plays an important role in the traffic. With the development of electronic information technology and automation monitoring technology, monitoring system is used widely. As ships are getting more and more large-scaled and antomated，the requirement of automatic technology of ship power station is also increasingly. Power station is one of the key parts in a ship. The monitoring system of ship power station plays an important role.The monitoring system of ship power station based on PLC is designed in this paper.The monitoring system is composed of one master station (upper computer).and three sub-stations. Each sub-station, which is cored by a Mitsubishi FX2N PLC structure, controls a generator independently which is consist of a diesel engine and a generator. The main station and sub-stations are connected by RS485 communication. An automatic monitoring system of ship power station is introduced in this paper, which can realize real data collection and related equipment control. By using the method of modular construction, flow charts of every model in PLC control system is designed in this paper. The program is designed by using the PLC programming software including the modules of generators self-starting, quasi-synchronous auto-parallel operation and automatic splitting. The automatic control system of power station is realized with this method. By using the configuration software MCGS, the monitoring software of PC is designed in this paper, which has the characteristics of friendly interface and convenient operation.In addition, for the anti-jamming, mechanical vibration, temperature and humidity interference influence of the ship power station, hardware and software are combined to overcome effectively the effects of various kinds of interference on the electrical equipments, and improve the stability and reliability of the power supply in ship power station.Automatic monitoring system of ship power station designed in this paper, is applied to middle or small-sized ships. Testing result shows that the system designed meet the monitor requirements for ship power station.Key Words: ship power station; monitoring system; PLC; MCGS* I第1章绪论11.1船舶电站监控系统概述11.1.1船舶电站簡述11.1.2船舶电站溢控技术的发展历程及趋势31.1.3船舶机自动化系统及设备技术31.1.4国内外船舶电站监控技术的研究现状41.2 PLC 51.2.1 PLC的应用现状51.2.2 PLC在船舶电站自动化控系统中的应用前录51.2.3三菱FX2N的特点61.3 描8第2韋船舶电站自.动化系统的总体设计102.1电站自动化系统总体设计方案102.2测控单元设计112.3上位机的选择132.4自动化电站实现功能142.5小结15第3章电站自动化系统的工作分析163.1机组的自动准同步并车163.1.1并车种类163.1.2准同步并车条件173.1.3自动准同步并车装置173.2电压及无功功率自动调整183.3频率及有功功率自动调整193.4其它监控功能的实现策略203.4.1发电机组的自动起动203.4.2单机运行腔控203.4.3 *齜询铐203.5系统抗干扰能力问题203.6 糊21第4章电站自动化系统的PLC设计224.1 PLC编程语言224.2 PLC监控系统稈序总体框架;224.3子模块的程序设计24浙江工业大学硕上学位论文4.3.1自起动模块的程序设计244.3.2自动准同步并车横块的程序设计254.3.3自动调頻调轂装置程序设计294.3.4自动解列与自动停机程序324.4安全检测及电机保护334.5 捕34第5章基于MCGS的监控系统355.1 MCGS的主要特性355.1.1主控窗口375.1.2设备窗口375.1.3用户窗口375.1.4实时数据库385.1.5运行策略385.2 PLC计算机通信模式的配线395.3 上位机与PLC的通倌405.4 监控画面的显示435.5 捕44第6章监控系统的可靠性研究 456.1监控系统的主要干扰源456.2抗干扰的软硬件研究466.3 顿47第7韋结论与展望48#教49m51致谢52攻读学位期间参加的科研项目和成果53第1章绪 论1.1船舶电站监控系统概述 1.1.1船舶电站简述船舶在交通运输中依然保持着重要的地位。现今全球经济一体化，船舶承担着 大部分上的国际贸易货物运输量，适应新的航运要求的船舶不断出现。从2000年到2004年5年间，我国的造船产童每年增长约20%。2004年，造船 产量达到880万载重吨，占世界造船总额的14%，连续10列世界第三位2007年， 船舶制造产量占全世界的23%。预计到2011年，中国的造船产量达到5000万吨， 占世界市场的份额将达到32%,另外日本、韩国的造船产量也占有很大份额。到2020 年，中国或将成为造船强国，拥有世界上最先进的造船技术。图1.1船舶船舶电站由原动机、发电机以及配电板、信号处理板等组成，是船上重要的电 力辅助装置，供给整所船连续不断的电能，因此它是船舶电力系统的重要装置。本 系统采用的原动机是柴油机，因此船上产生电力的发电机也叫柴油发电机组.其他浙江T业大学硕t学位论文的原动机还包括燃气轮机或者汽轮机。蒸汽机驱动的发电机容量小121,主要供给照明设备。汽轮机驱动的发电机可以 供给整所船的电气设备，容量在500千瓦到2500千瓦之间。柴油机驱动的发电机组 一般是采用23台发电机，根据整所船舶的设备容量来选择，一般是在几百千瓦， 比陆上的电力系统小了很多。本系统采用的就是3台发电机，电网电压为380V,频率为50Hz。平时只使用 一台发电机组对设备进行供电，当船舶电站系统产生重载的情况下，就需并联上第 二台机组，视情况而定，假设是发生了故陣，则需并上第二台机组后自身解列，第 三台机组是备用发电机组，当前两台机组都不能使用的情况下开启，通过应急配电 板分配电力发电机通过原动机带动而产生电力发出的电力再通过配电板进行分配，目 前我国船舶使用的大多是交流发电机，交流电压是380V,国外的一些船舶使用的是 440V。配电板给船上的舵机、空调、照明、信号等合理分配电力，平时还配备24V 的后备电源，以防电力系统发生故障时能够给一些应急设备供电，比如照明。图1.2船舶电站控制室总的来说船舶电站可分为以下四种】：(1) 主电站，平时对整所船舶的电气设备进行供电。(2) 应急电站，当主电站发生故陣时启用，对船上重要的设备进行应急供电,#浙江工业大学硕上学位论文保陣船舶的安全行驶。(3) 特殊电站，主要是对船上的一些信号设施供电，比如测向仪、雷达、无线 电、电话、报警系统等。例如需要弱电供电的数据采集卡采集过来的信号（电压、 电流、频率等），经过信号处理板后成为控制器所认识的数据，以供控制器监控，有 助于船舶电站的可靠工作。(4) 停泊电站，当船舶回港口后整修，一些设备不需要供电，比如舵机。这时 又没有岸电供电，就需要有停泊电站对船上的一些必要设备供电。1.1.2船舶电站监控技术的发展历程及趋势近年来，计算机控制己被迅速地推广和普及，通信和网络己经成为控制系统不可缺少 的重要组成部分。船舶电站在这种形式下，也大多采用计算机技术并广泛应用。船舶综合 自动化是将来的发展趋势，包括信息一体化、航行自动化、装载自动化、机舱自动化等 船舶综合自动化系统一般包括两个工作母站，一个设在驾驶室，另一个设在机舱室。 两个母站之间相互通讯，且相互独立，都可对设备进行操作。母站下面连接几个子站，分 别监控各自设备。所有的母站、子站都可通过特定的通信网络连接，相互之间进行数据通 信，实现分散控制和集中管理。另外，整个工作站又可作为一个整体，借助发达的计算机 技术实现船与船之间，船与陆地之间的通信，进行信息交流，比如船舶管理、资料査询、 故障维修等。保障船舶的行驶安全，提高船舶航行的经济性。1.1.3船舶机舱自动化系统及设备技术船舶电站自动化从属与机舱自动化，包括动力系统自动监控、数据测量、报瞀显示 等。船舶机舱自动化是船舶工业发展的重要方向，涉及的技术面很广，比如计算机技术、 信号处理技术、监控技术，以及各类的传感器、光纤等多门学科。它包括主动力系统、发 电系统等多个子系统的监控，需要研究电力电子技术、单片机技术、原动机技术，还有船 舶电站要实现网络化管理，那么网络技术是不可缺少计算机与控制器之间的通信，根据 实际设备需要采用何种数据线，计算机与计算机之间互通都需要认真研究。最终实现控制 系统系列化、模块化、智能化、数字化、网络化，向着船舱综合自动化方向前进。其中网 络化是未来船舶的发展重点，它的自动化化水平高、易于维护、安全可靠。随着船舶行业的快速发展，船舶的大型化和高科技日趋显著信息处理技术以及自 动监控技术的提高，促进了船舶电站自动化监控系统的迅速发展。在船舶电力系统及其自 动化装*发面，出现了新技术、新设备、新观念。为了实现对船舶电力系统的有效管理和 监控，一般在服务器上安装工控组态软件，设计整所船舶的设备构件，连通工控机与控制 器之间的网络，除了现场操作外，其他的都可在监测系统上监控，包括发电机组的运行参 数、故陣报警，实现了对船舶电站的分散控制和集中管理。触点型监控系统、集中型监控 系统、集散型监控系统和现场总线型监控系统是船舶电站监控技术发展的四个阶段。上世纪末，计算机技术得到了飞速的发展，各个行业的发展都得到了质的飞跃。船舶 电站也有了很大的发展，其突出标志是高容量和自动化0随着网络化技术的出现，机舱自 动化逐渐向无人值守过程发展，整个船舶连成一个系统，集成和分享所有信息，形成计算 机局域网络。网络型监控系统是船舶电站监控系统的发展方向,也是目前新造船舶所采用的主流监 控系统，因此现代船舶电站监控技术的特点就是建立在计算机通信技术基础之上的网络 化，以及由此带来的数字化、标准化和智能化.1.1.4国内外船舶电站监控技术的研究现状国外对船舶电站监控技术的研究起步比较早 一些具有先进实验室的主要造船国家 的研究机构和高校都在开展相应的研究工作，他们拥有数字仿真装置，或者是半数字仿真 装置，也就是部分是实物，可以供研究人员进行开发操作，各种测试仪器也是非常的精密, 有不同类型的负载模拟器。这些良好的设备条件为船舶电站自动化的研究铺展了道路，推 进了船舶电站的发展。另外雄厚的开发资金也是国内研究机构望尘奠及的.集散型监控系统产生后，国外陆续推出了采用局域网络的船舶监控系统。这些系统中 都包括电站计算机监控子系统，也就是说在这些代表发展方向的系统中，电站都是由计算 机直接监控。我国研究船舶电站监控系统的机构也比较多，设计的电站自动化系统中，可根据电网 的负荷情况来决定增加还是减少发电机组的投入，进入并机状态后随时监视电网的状态, 进行电网有功功率和频率的自动调整、电网无功功率和电压的自动调整，确保电网的运行 稳定。但是由于船舶电站的研究成本高，技术难度大，国内的产品和世界主要造船国家相 比，还存在着较大的差距。我国的船舶电站监控系统总体上还处于研究阶段，技术水平不 高，达不到世界船舶规范。造成我国在该领域落后的主要原因是技术支持不够和研究工作浙江工业大学硕上学位论文跟不上，因此，我国需加强船舶电站自动化监控技术的研究。1.2 PLC概述1.2.1 PLC的应用现状当前，我国的PLC市场基本上都是国外产品，比如LG、三菱、西门子等。国内也有 单位研究PLC,但是因各种原因没有快速的发展起来。年销售额超千万的有上海正航、深 圳合信、无锡信捷等，销售额超亿的有台湾台达，但所有的这些厂家的PLC市场占有率大 概只有5%【9】。曰本的PLC主要以小型为主，比如本系统采用的FX系列，但此系列的PLC功能强大, 且容易扩展，有许多的扩展模块，比如FX0N-3A输入输出模块，既有数字量输入输出也有 模拟量的输入输出，非常实用。欧美国家制造的PLC大多是大中型，在一些大型的系统中 会经常采用。PLC在国内市场有着巨大的潜力，国内大多数的小型企业的生产过程依旧没有使用自 动化系统，比如机械行业，八成以上的设备还是采用接触器或者继电器进行监控。只有一 些大中型企业才采用了自动化系统，并把它应用在生产过程中。随着企业间的竞争加剧， 小型企业为了获得更大的效益，并且为了提高自身的竞争实力，就需要不断地提升生产系 统的自动化。机械工业是我国的基础工业之一，近年来逐渐发展成为国内工业的增长点，每年以惊 人的速度增长。PLC可对机械工业的幵关量进行监控，机械工业的快速发展就为PLC提供 了空间,反过来PLC也提升了机械工业的自动化程度。在信息化带动工业化的指导方针下, PLC能够把大量的传统产业改造成为先进的自动化产业，提升了企业的产品质童，提高了 企业的劳动生产力，节约了成本，企业能够获取大的经济效益。目前我国的工业生产水平还是落后于西方发达国家的,未来PLC在自动化系统中的应 用应该有一个很大的发展空间。1.2.2 PLC在船舶电站自动化监控系统中的应用前景可编程序监控器(PLC)是通用型工业监控器件，因其抗干扰能力强、功能齐全、应用 灵活、使用方便、维修简单的优点，能够直接应用于工业环境，因此得到广泛的应用。基 于PLC的船舶电站自动化系统与基于单片机的船舶电站自动化系统相比有以下优点11】：(1)可靠性高一台可编程控制器能够连续运行30万h,也就是30多年而不出故陣，目前还没有其 它的工业控制系统能够超过PLC。PLC不能直接接收模拟信号，需要一块信号处理板，把 采集到得模拟信号转换成PLC可以接收的标准信号,而单片机也同样需要这样的信号处理 板，但是海上的恶劣环境不同陆上，单片机的抗干扰问题一直得不到很好的解决，而PLC 能够直接应用在恶劣的环境中。另外，PLC在硬件和软件方面还采用了以下强有力的措施，来提高其可靠性1】硬件方面，I/O模块采用光电隔离技术，以及光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔绝 PLC内部电路与工业设备间的电气：器件选择严格，采用模块化形式，当某个模块发生故 障时，可以立刻得到更换，缩短故障维修时间：供电电源采用开关电源，比起线性电源来 说它的性能优良，功耗小，并对输入电路采取各类形式的滤波，降低干扰；各个PLC模块 采用屏蔽技术，减少辐射的千扰。软件方面，PLC有自诊断功能，一旦程序系统或者硬件设备出现故障，CPU能够及时 采取有效措施，防止事态扩大；PLC有监视定时器，假设程序跑飞或者执行时间过长，进9入死循环，能够报警。(2) 用户所需备件数量少只需要准备一块信号处理板。PLC的通用性很强，供电电源也是采用通用性的开关电 源，DC24V,岸上已广泛使用，全世界都可以买到PLC产品以及电源备件；微机系统是专 用产品，需配备系统所需各种电子电路板(信号处理板、微机主板、各种开关量、模拟量 的输入、输出板等)即备件的成本费用高。(3) 编程简单易学，系统的设计、调试周期短现在我们所设计的船舶电站选用FX系列功能最强、速度最快的微型可编程监控器 FX2N,可以用于I/O点数多、监控功能复杂、要求联网通信的系统。PLC的编程方式简单 易学，可以采用梯形模式结构，工程技术人员不需要掌握高深的计算机技术就能够编程。 另外，由于PLC是通过程序实现对系统的监控，所有设计人员可以在实验室里设计和修改 程序，还可以在实验室方便地进行系统地模拟及运行调试，使现场的工作量大为减少1.2.3三菱FX2N的特点 FX2N是日本三菱电机公司生产的小型PLC, FX系列的基本单元、扩展模块以及扩 浙江工业大学硕上学位论文展单元的高度和长度一致只有宽度不一样，各模块有DIN导轨，相邻模块可用扁平电纸 连接。PLC接收外部的开关量或者是标准的模拟量.转换成数字量后交给CPU模块处理(包 括控制器、运算器和存储器)，数据处理好后输出，控制继电器之类的设备，完成控制过 程。另外，PLC可以与上位机相连，实现集敝控制，进一步还可得到网络化管理(11】。(1)体积小FX2N的长度为150mm,宽度为90mm,高度为85mm,非常小巧，很适合在机电一体化产 品中使用。小型PLC可以为外部的电子传感器以及内部的输入电路提供直流24V电源。图1.3三菱FX2N侧面(2)先进美观的外部结构产品以模块化、系列化、标准化，配备各种硬件装置供用户选用，根据需要可以组成 功能不同、规模不同的系统。接线方便，只需用扁平电缆线连接，各模块的高度及宽度都 相同，只是长度不一样，安装后非常的整齐美观。图1.4三菱FX2N正面(3) 子系列丰富比如FX1S、FX1N、FX2N系列a其中FX2N的功能最强，可以用于要求很高的系统，通 过子系统的不同组合可以得到不同的系统，避免功能浪费，节约投资。(4) 系统配置灵活多变FX系列PLC的系统配置灵活，具有多种基本单元、扩展单元、控制模块*根据输入 输出点数的不同，基本模块有 FX2N-16MR-001、FX2N-32MR-001、FX2N-48MR-001、 FX2N-64MR-001等，扩展单元有FXlN-2Ah2BD(模拟量输入扩展扳)、FX1N-1DA-2BD (模拟 貴输出扩展板)、FX1N-8AV-BD(模拟量设定功能扩展板)等，扩展模块有FX2N-3A (模拟量 输入/输出模块)、FX2N-4AD-TC (热电偶温度传感器用模拟量输入模块）等。各种配S都 有很高的性价比，配置灵活，功能强大。FX系列PLC有多种规格数据寄存器，包括变址寄存器、特殊寄存器、文件寄存器、 锁存数据寄存器、通用数据寄存器，字母以D幵头。PLC有形式多样的数据存取单元，可 以显示字符、监控装置等。(5) 功能强大，方便使用FX系列的PLC虽然体积小，但是有很强大的功能，内部有上千个编程单元共工程技 术人员使用，可以实现复杂的控制功能。它内置恒定扫描时间、中断程序、输入输出刷新 等功能。控制灯光的亮暗可以采用PLC内的脉宽调制，即PWM功能。它拥有的安全机制非 常高，可以设*密码，防止程序被误操作或者被别人盗用。FX系列的各PLC产品都实现 了模块化结构，方便连接*FX系列PLC可以在线修改程序，可以用调制解调器和电话线实现远程监视和编程， 元件注释可以储存在程序储存器中1.3小结本章主要针对船舶电站的可靠供电以及可视化图形集中监控的要求，计了一套基于 PLC的船舶电站自动化监控系统，以此來提高船舶电站的自动化水平。1. 深入了解船舶电站整体结构,分析了国内外船舶电站监控技术的研究现状和发展趋势。2. 通过PLC与单片机的性能比较，采用了先进的PLC系统控制船舶电站，并且使用组 态软件MCGS来实现集中监控，性能可靠、操作方便。因地理位置的特殊性，造船业一直是舟山工业的重要支柱，修造业发达，许多国内外 船只停靠在避风港整修。舟山群岛位于我国东南沿海，处于南北海岸线的中心1M】。它处 于东海之滨，背靠经济发达的长三角，与上海、宁波等大中城市隔海相望，是中国对外幵 放的主要海上门户。舟山拥有众多良好的深水港资源，这些成为工业发展所需能源、原材 料及外贸物质运输的主要中转港,未来的发展方向是成为以水水中转和工业港为特色的综 合性港口随着船舶业的不断发展，现代技术的不断更新，研究船舶电站的自动化控制有着非常 重要的意义.而电站在船舶中占领着非常重要的地位，一旦电站出现严重故陣，整所船会 处于瘫痪状态，人的生命安全得不到保障。这就是本文研究船舶电站自动化监控系统的重 大意义所在浙江工业大学硕十学位论文第2章船舶电站自动化系统的总体设计随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化由局部的、就地的监控，发展到综合的、 集中的电站自动化2.1电站自动化系统总体设计方案本文根据船舶电站自动化监控系统所要实现的功能要求|】，构造了有设备层、监控 层和网络层的三层网络监控系统，如图2.1所示。它包含了船舶电站自动化应具备的各项 功能，由总体控制把它们有机组织在一起，各种功能相互独立又相互联系，共同完成船舶 电站的自动化运行。率和分频整功率和分频整功动车置自并装调有配调有配动车置自并装调有配韦和分频整功囝2.1监控系统总体框图利用PLC和智能仪器采集运行数据，监控现场设备,PLC主要承担发电机组的起动、 停止控制，调频调压，并联运行控制，机组运行台数以及大功率符合投入管理，机组故陣 处理等任务。采用RS485方式实现上位机与下位机PLC的通信，主站与船舶总监控室(工 程师工作站)以及船长室、轮机长室监控机的通信可由工控组态软件MCGS的网络版实现 本系统选用三台三菱FX2N来分别监控三台柴油发电机组，根据实际情况来选择发电 机组的台数，正常运行时只起动一台机组，当重载时并上一台机组，或者在行机组发生故障时并上一台机组而自身解列，两台机组因某些原因而无法起动时运行备用机组。图2.1中，三台PLC(FX2N)分别监控各自的柴油发电机组，每台PLC的硬件连接和 程序设计相对于其他PLC是独立的，它们各自通过各种转换器、变送器等智能仪器仪表采 集数据，并独立完成指令的运行，运算后的数据传送到各自的执行结构，由它们来控制设 备的运行。因为它们相互间没有数据的来往，非常独立，即使某台PLC出现故陣，也不会 影响到其他的控制器，实现了集散控制中的分散控制。上位机又能够集中管理所有的PLC，协调它们的工作在上位机的监控画面中，能够 观察到机组的运行情况，比如电网电压、电流、频率等参数，可以以报表的形式打印，还 有点击按钮可以控制设备起停，实现船舶电站的自动化管理上位机要是应用WWW版本的 MCGS工控组态软件，能够实现系统网络化，驾驶室、船长室等都可浏览监控画面，并对 下位机进行操作，此系统有以下两个优点：(1) 可靠性各控制器相互独立，发生故陣只有局部影响，不会引发大的电站运行 事故，保障系统的可靠运行，(2) 系列化基本模块、扩展模块都做成除宽度不一致，其他尺寸都一样的外形， 便于连接，有各种输入输出模块、信号检测模块等，功能强大，应用方便。相互间还可通 过数据连成一个网络。本文设计的船舶电站自动化监控系统用到的主要硬件有:三菱FX2N、工业监控PC机、 各种传感器和变送器、以及打印机等。2.2测控单元设计(1)测控单元原理平常测量仪表只能检测到发电机组的电压、电流以及电网的电压、电流，而并车时需 要机组与电压间的电压差、频率差以及相位差，这些童都需要相应的转换电路才能得到。 测控单位直接跟柴油发电机、继电器、变送器等相连，完成数据的采集，管理系统接收这 些数据，按照事先的程序运行，将运行结果输出给执行结构。这些测控模块包括模拟量输 入/输出模块、温度调节模块、数字置输入/输出模块、报警系统等【|如图2.2所示，船舶电站系统跟PLC之间的开关1是之间传输的，这是因为开关量 是二进制信息，不是“1”就是“0”，可以不作任何处理就直接传给控制器*这里的模拟量信 号应该是标准的工业电压、电流信号,在进入PLC的CPU处理之前应该连接一个FX0N-3A浙江工业大学颁十学位论文模块，此模块可以把输入的模拟量转换成数字量。#_厂传感器|_ _开关里输入开关m输出舶站统船电系校拟执行部件图2.2测童监控单元原理框图(2) FX2N控制信号柴油机、发电机以及电网都是以PLC控制为中心，输送数据到PLC,再由PLC发送回 处理后的数据，以此连成一个控制系统。船舶电站大体的一些工作是：机组启动、并车、 解列.这些步骤要按规定的程序执行，之前要对一些条件进行判断，依据就是各种检测到 的数据，包括电压、电流、温度、压力等。tour电，压润滑压力_电流冷却水溫电压气瓶床力 ft烟溢甩,相位差柴4有功功率发油- 升速PLC电机降速机并车 .- 倖车解列_ _图2.3 PLC与发电机组之间倌号图有功(1) 电网信号：电压、电流、频率、总的有功功率等。(2) 柴油机信号：温度、压力、转速等。(3) 发电机信号：电压、电流、频率、有功功率等。电网浙江工业大学硕i学位论文(4) PLC信号：幵关量的输入/输出、模拟量等。2.3上位机的选择自动化产业中，PLC因适用性高所以常用于第一线的控制器，但尚有一些功能上的限 制，如存储器容童、数据处理分析能力、报表打印，而这些限制可以利用Computer Link 解决。这里选用工控组态软件MCGS来设计上位机监控系统。利用三菱公司提供的SW3D5F软件可以实现EXCEL监控，而且仅需要作应用软件的设 置而不需要复杂的程序设计，此种方式可以迅速达成PLC集中监控的目的，但是此种监控 模式还存在下列问题【18】：(1) 无可视化的效果EXCEL窗口中仅能以数值来表示设备的状态，无法用压力表、指示灯及按纽开关等设 计可视化的图形监控。(2) 局限性以网络链接模式来达到计算机集中监控时,其所能监控的元件数量会受数据共享数的 限制。(3) EXCEL无法使用其他应用元件将PLC的监控数据通过网络传送给其他计算机时，则必须应用其他软件（如VB)来 完成。(4) 响应时间长每个PLC元件在EXCEL存储表格中响应的时间很长，平均需要Is以上，所以在要求 响应速度快的监控系统中无法满足需要。为解决上述问题，可选用MCGS (Monitor and Control Generated System,通用监 控系统）软件来设计人机交互界面，达到FX系列PLC与计算机链接的可视化图形集中监 控相同的目的。MCGS能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现 场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供 解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。搡作者经过计算机显示的图像了解或控制设备的动作,而且监控中的图像具有可视化 的效果，则可以大幅提升操作者的使用性。日常生活中常可见到一些幵关及仪表，如船舶 的发电机、报瞥器等，非常形象而且方面使用，从而使得这些开关及仪表有了人性化的功 能，利用这些人性化的仪表、开关设计图形监控时，即能产生可视化的效果，即可视化的 图形监控，从而使得操作人员能一目了然地监控整个设备。计算机通信模式中，因其通信的数据有固定的格式，可以用16台PLC与1台计算机 来构成一个集中监控系统，这里我们只选用了 3台PLC,所以可以使用。计算机通信模式 的优点为(1) 计算机能以一个通信口与多台PLC数据通信，但最多为16台PLC;(2) 以一问一答的通信方式取得各台PLC元件的数据；(3) 能写入各台PLC元件数据；(4) 利用MCGS的图形表示PLC元件数据：(5) 利用程序将PLC元件的数据记录或存于数据库内；(6) 通过网络来传送PLC元件的数据。PLC的计算机通信模式，其实是为了达成PLC与计算机的“集中图形监控”的目的。 PLC的计算机通信模式以计算机为通信对象，故在计算机中所使用的软件必须具备能作串 行口控制的性能：能做程序的书写；能设计可视化的图形界面：具有数据库管理的功能及 能与其他软件整合等功能。2.4自动化电站实现功能1.发电机组能够自起动。在监控程序的管理下，当主发电站发生故障（比如阻塞）时 能自动的起动另一台机组。在45S内，备用发电机组也能随时自起动投入电网供电。2当汇流排不带电时，发电机组自动并入电网。禁止二台及以上发电机组同时接入, 禁止短路后尝试多次接入3. 自动检测有关的电气参数，记录诸如电压电流之类的数据，产生故障时有声光报瞀 功能，监控各个发电机组。4. 发电机组自动准同步并车。当电网上己有一台发电机组在供电，此时有重载情况发 生，需要再并上另一台机组。新机组起动后系统要检脷电网与机组之间的频率差，当频差 小于规定范围时新机组自动并上电网供电。5. 有功功率自动分配和自动恒频。单机运行时不存在功率分配问题，只有频率的二次 调整，恒频精度在土0.1Hz,并联运行时，既有频率调整也有功率分配，原动机调速器和 自动调频调载装S共同工作，使频差小于士0.2Hz,功差小于土0.5%。6. 无功功率自动分配和自动恒压。7. 负载自动分级启动分为两个方面：（一)当自动卸载发生后，随着备用发电机组的 投入电网供电，己卸去的次要负荷不能同时投入，要保证发电机组不能再次过载：（二) 电网从断电恢复到重新供电时，负载不能一次性投入，应分级、分批投入，重要的负载先 启动8. 自动分级卸载。具有自动电力系统管理的船舶电站，正常情况下不会发生卸载。但 当发电机组出现故障并停机后，系统会发生分级卸载，逐渐卸去次要负荷，保证对船舶上 重要设备的连续供电。9. 自动无功功率调整。通过改变发电机的励磁电流也就是改变发电机的电势来调整无 功功率，方法有均压线、环流补偿装置以及带差动电流互感器的环流补偿装置10. 自我保护。出现机械或者电气故障时能够自动保护，以免引起装置的进一步损坏, 造成不必要的损失。11. 应急电站和主电站的自动转换。12. 重载询问。在启动大功率设备之前会自动检测现有的发电机组能否满足运行，如 果有余量会直接启动设备，否则先并上另一台机组后再启动此设备，以免重载情况发生。13. 发电机组自动解列。当某一较大的负荷停止运行后，为了实现最经济的管理就需 要对机组进行解列。减机的负荷率大约可以选择0.7,自动停机解列时应在规定时间内逐 渐执行电荷的转移，故障状态下则需立刻转移负荷，最终使剩余的机组脱离轻载状态14. 发电机组自动停机。包括自动停机和故障停机两种情况2.5小结针对船舶电站自动化系统的特点，设计了以上位机为中心，3台PLC控制器为子设备 的网络化控制系统的方案，构造了有设备层、监控层和网络层的三层网络监控系统。对电 网、柴油机、发电机、PLC的测量控制信号进行了罗列。经过对其他软件的比较，最终选 择了功能强大、操作简单的工控组态软件MCGS来设计上位机的监控画面。第3章电站自动化系统的工作分析在设计船舶电站自动化监控系统之前应对船舶自动电力管理系统有深刻的理解。船舶 电站的自动化管理系统主要包括以下几个方面：发电机组的自起动、自动并车、功率的自 动分配、根据负荷率增/减机、负荷的自动分级、运行状态显示以及故障报警。以下主要 对发电机组的并车情况进行详细的分析。3.1机组的自动准同步并车3.1.1 并车种类船舶在不同运行工况下所需的电量是不同的，随时进行增减机组，通过主配电板汇流 排共同向所有设备供电。并联运行的优点很多，比如连续供电增加电站的可靠性、合理利 用电能以及电机能够运行在最佳状态.待并机组在投入电网前要进行参数判断，满足要求 才被允许并车操作，进入并联运行2*并车方法有两种：自同步和准同步#自同步的方法是指待并发电机事先不加励磁，等转速达到同步转速后先投入电网后 加励磁，利用原动机的力矩等作用进入同步状态。自同步投入快但冲击电流大。陆上的 大的电力系统能够承受一定量的冲击电流，可以采用自同步.但是船舶电站的单机容量 只有几百千瓦，无法承受自同步带来的冲击电流而引起的电网电源的下降，一般在船舶 上不会采用此方法.准同步的方法是指待并发电机组与电网电压大小相同、相位一致、频率相等时，合上 待并机组的主幵关，在自整定作用和冲击电流的均衡下将待并机组拉入同步。实际上准同 步时，待并发电机与电网的频差并不一定理想，也就是说在观察同步表的转向及旋转速度 时并不一致，但此时只要它们的冲击电流在一定的范围内，是可以同步的这种准同步并 车的方式产生的冲击电流小，但操作时间有些过长，对于船舶电站来说，安全第一，要保 障供电的连续性，因此广泛采用的是此方式船舶同步发电机组的并联运行主要有三大部分内容：并车时的操作、并联运行时的无 功功率自动分配、有功功率的自动分配及频率调整。在自动运行时要注意电网上无电压时 不需考虑同步条件，解列时要先进行负荷转移再安全停机*浙江工业大学硕i学位论文3.1.2准同步并车条件三相同步发电机在准同步并车前需要满足三个条件：待并发电机组与电网的电压、 频率、相位相一致，这是理想的并车操作。但在实际操作中，要达到理想的条件不可能的。 当不同的并车条件发生时会产生不同的后果：当待并机组跟电网有相位差时，会产生很大 的冲击电流：当待并机组跟电网之间的相差较大时，过大的电压差将在并车时产生很大的 冲击电流，导致发电机输入上会形成很大的冲击转矩，而船舶机组的转动惯性一般不大, 两台机组间的转子容易发生扭轴：当待并机组与电网有频差过大时，自整步作用又不够, 将造成机组跳闸，甚至整所船断电，无法保证船舶的安全性。设待并发电机的瞬时电压=sin(6)r/+v/0i?)=V+Vh)，其中g代表待并发电机，n代表电网,0)角频率，初相位。待并发电机与运行机组之间并车 条件为：(1) 待并机组的电压与电网电压一致，即(2) 待并机组的相位与电网相位一致，即5= 1-=0;(办为相差角）(3) 待并机组的频率与电网频率一致，即&=/待并发电机电压相量与电网电压相量完全重合则需满足上面三个条件,此时并车的冲 击电流为零，这种为理想的准同步并车。但实际是不可能的，只能要求电压差、相位差和 频率差都在规定的允许范围内就可合闸并车.电压差过大会产生很大的冲击电流，在并车操作中压差要小于土 10%B相位差过大导 致压差AU也大，由此产生的冲击电流在机轴上发生大的冲击转矩，对于惯性不大的船用 电机来说很容易使转子扭曲，相位差一般在土 15以内。频率相差太大时自整定不能完全 发挥作用，因失步而跳闸甚至整个电网失电，威胁到船舶的安全行驶,一般频差在0.5Hz 以内。由此可知，不存在理想的并车，只要既能实现并车，又不损坏发电机组就可以了。 实际并车条件归总如下：U-UU20%U4r=t/i-/2l0.5/2 .(3-1)S =15,-1 自动准同步并车装置根据检测到的待并机组与电网的电压差、频率差以及相位差，并车装置判断每个条件是否符合，假如都不符合禁止并车。假设其他条件符合，只有频率差没有达到要求，根据 频差的正负大小来调节发电机的速度，调节速度也就是调节频率（/ = 77/7/60),直到频差符合条件。只有相位不符合时，捕捉相位条件直到条件满足。当所有的条件都满足时, 发合闸指令，但电机开关有固有延时时间，需要在指令前有一个提前量，保证以最小的相 位差并车，减小冲击电流对设备的影响这里就提前量的获取作详细的分析。发电机主开关在接到合闸信号到主触头闭合需要 一定的时间，假设没有一个提前量，那么主开关就会错过相角差为零的时刻.这就需要在 差频脉冲电压过零之前发出指令，有两种装置：恒定超前时间和恒定超前相角。(1)恒定超前时间可采用复合微分电路使差频电压提前过零，然后用电平检测器检零，提前发出合闸指 令。这种设计可以保证在规定的越前时间内发出指令，但也存在一定的误差，包括自