[交通运输]基于PLC船舶电站自动调频调载装置的设计

1、大连海事大学毕业论文二O一一年六月基于PLC船舶电站自动调频调载装置设计专业班级：船机修造2班姓 名： 朱 祥 指导教师： 赵 殿 礼轮机工程学院摘 要船舶电站的可靠运行对船舶安全、经济地运营起着重要的作用，而自动调频调载是船舶自动化电站的主要功能之一。由于船舶电站的容量是有限的，某些大电动机的容量甚至可以与单机容量相比拟；而且船舶工况也较为复杂，如航行工况、进出港工况、停泊工况、装卸货工况等，这就导致运行在船舶电站上的负载总是处于动态的变化当中，因此，电网频率和各机组的负载分配情况也会随着工况的变化而相应地波动。为保障船舶用电设备的正常工作并最大限度发挥机组容量，必须采取相应的措施以保证电网

2、频率的稳定和各机组负载的合理分配，本文采用PLC，设计出性能优良、工作可靠、反应迅速的船舶电站自动调频调载装置。本文设计的船舶电站自动调频调载装置由一个主站和三个子站组成。主站是以Windows XP作为操作系统的工业PC控制机，对各个子站PLC进行编程和状态检测。每个子站由一台S7-300 PLC构成，独立控制一台发电机组，子站S7-300 PLC通过输入模块进行各种信号的采集，由CPU模块对各数据进行分析和处理，然后通过输出模块发出各种控制信号。本文利用SIMATIC STEP7工业软件来进行系统的硬件组态和控制程序的编写，采用模块化的编程思想主要设计了自动起动模块、自动准同步并车模块、自

3、动调频调载模块、自动解列与停机模块。关键词：船舶电站；调频调载；PLCAbstractThe reliable working of ship power station has a very important effect on the safely and economically operating for ship, and frequency and load automatic control is one of the main functions for automatic ship power station. Due to the limited capacity for

4、 ship power station, some large motors capacity even can compare with the single generators capacity; Also the ship has a lot of working conditions, such as navigation condition、entry and exit condition、anchor condition、cargo condition and so on, these lead its load is always during dynamic variatio

5、n; therefore, the power lines frequency and each generators load distribution waves at the same time. To make sure the ship electro-equipment work normally and make full use of generators capacity, it is necessary to make adjustment accordingly to guarantee a steady frequency and reasonable load dis

6、tribution. The PLC is used in this text, designing frequency and load automatic control for ship power station with excellent function, reliable operation, rapid response.The ship power station frequency and load automatic control is composed of one operating station computer and three slave compute

7、rs in this text. Master computer is an industrial PC with Windows XP as the operating system, we use it to program for the slave computer and detect its state. Every slave computer, consisting of Siemens S7- 300 PLC, controls a generator independently. Slave computers collects all kinds of symbols t

8、hrough input modules, the CPU module analysis and process all kinds of data and then have all kinds of control symbols through output modules.The hardware configuration and control program for the system is designed by using SIMATIC Step7 industrial software in this text, mainly designing automatic

9、start module, automatic quasi-synchronous parallel operation module, automatic frequency and load regulation module, automatic parallel off and stop module.Keywords: Ship Power Station，Frequency and Load Modulate，PLC目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc123841950 第1章 绪论 PAGEREF _Toc123841950 h 1 HYPERL

10、INK l _Toc123841951 1.1 船舶交流电力系统概述 PAGEREF _Toc123841951 h 1 HYPERLINK l _Toc123841952 1.2 船舶交流电站特点 PAGEREF _Toc123841952 h 2 HYPERLINK l _Toc123841953 1.3 PLC在船舶交流电站中的应用 PAGEREF _Toc123841953 h 2 HYPERLINK l _Toc123841954 1.3.1 PLC概述 PAGEREF _Toc123841954 h 2 HYPERLINK l _Toc123841955 1.3.2 PLC应用于船

11、舶交流电站自动控制系统 PAGEREF _Toc123841955 h 3 HYPERLINK l _Toc123841956 第2章 船舶电力系统频率和有功功率自动调节原理 PAGEREF _Toc123841956 h 1 HYPERLINK l _Toc123841957 2.1船舶电力系统频率变化原因 PAGEREF _Toc123841957 h 1 HYPERLINK l _Toc123841959 2.2 船舶电力系统负荷调节效应 PAGEREF _Toc123841959 h 1 HYPERLINK l _Toc123841960 2.3调速器调速原理 PAGEREF _Toc

12、123841960 h 3 HYPERLINK l _Toc123841961 2.4调速器调速特性 PAGEREF _Toc123841961 h 4 HYPERLINK l _Toc123841962 2.5有功功率分配和调节原则 PAGEREF _Toc123841962 h 5 HYPERLINK l _Toc123841963 2.6自动调频调载方法 PAGEREF _Toc123841963 h 6 HYPERLINK l _Toc123841964 2.7自动调频调载装置工作原理 PAGEREF _Toc123841964 h 7 HYPERLINK l _Toc12384196

13、5 第3章 船舶电站自动调频调载装置硬件设计 PAGEREF _Toc123841965 h 8 HYPERLINK l _Toc123841966 3.1系统整体结构及S7-300介绍 PAGEREF _Toc123841966 h 8 HYPERLINK l _Toc123841967 3.1.1 系统整体结构 PAGEREF _Toc123841967 h 8 HYPERLINK l _Toc123841968 3.1.2 S7-300系列PLC概述 PAGEREF _Toc123841968 h 9 HYPERLINK l _Toc123841969 3.2系统测控单元及其详细配置 P

14、AGEREF _Toc123841969 h 10 HYPERLINK l _Toc123841970 3.2.1 测控单元设计 PAGEREF _Toc123841970 h 10 HYPERLINK l _Toc123841971 3.2.2船舶电站中应用的传感器 PAGEREF _Toc123841971 h 11 HYPERLINK l _Toc123841972 3.2.3 S7-300硬件组态 PAGEREF _Toc123841972 h 12 HYPERLINK l _Toc123841973 第4章 船舶电站PLC控制系统程序设计 PAGEREF _Toc123841973

15、h 16 HYPERLINK l _Toc123841974 4.1 PLC编程语言介绍 PAGEREF _Toc123841974 h 16 HYPERLINK l _Toc123841975 4.2 PLC控制系统程序总体框架 PAGEREF _Toc123841975 h 16 HYPERLINK l _Toc123841976 4.3系统主要模块程序设计 PAGEREF _Toc123841976 h 17 HYPERLINK l _Toc123841977 4.3.1 自动起动模块程序设计 PAGEREF _Toc123841977 h 17 HYPERLINK l _Toc1238

16、41978 4.3.2 自动准同步并车模块程序设计 PAGEREF _Toc123841978 h 19 HYPERLINK l _Toc123841979 4.3.3 自动调频调载模块程序设计 PAGEREF _Toc123841979 h 23 HYPERLINK l _Toc123841980 4.3.4 自动解列与停机模块程序设计 PAGEREF _Toc123841980 h 24 HYPERLINK l _Toc123841981 结论 PAGEREF _Toc123841981 h 26 HYPERLINK l _Toc123841982 致谢 PAGEREF _Toc12384

17、1982 h 27 HYPERLINK l _Toc123841983 参考文献 PAGEREF _Toc123841983 h 28第1章 绪论1.1 船舶交流电力系统概述船舶交流电力系统主要由电源、配电装置、电网和电力负载按照一定方式连接的整体，是船舶上电能产生、传输、分配和消耗等全部装置的和网络的总称。其单线图如1-1所示。图1.1 船舶电力系统示意图(1) 船舶电源船舶电源是将其它形式能源（如机械能、化学能等）转变成电能的装置。船舶交流的电力系统电源主要由主发电机机组、应急发电机机组、蓄电池组、岸电等组成。主发电机机组是船舶的主电源，发电机由原动机带动，原动机可分为柴油机、蒸汽机、汽轮

18、机和燃气轮机等。因为柴油机效率高、起动快、机动性好，所以在民用船舶上主发电机和应急发电机的原动机大多采用柴油机。随着节能的需要，轴带发电机以及废气汽轮发电机的应用越来越多，核能只用于军舰及破冰船上。应急发电机机组提供应急电源，当船舶主发电机机组发生故障造成船舶主汇流排失电，应急发电机机组应自动起动，建压后应急发电机主开关自动合闸供电。蓄电池组通常作为临时应急电源，蓄电池组在船上主要用作临时应急照明电源、应急柴油发电机机组和救生艇柴油机的起动电源、无线电台应急电源。蓄电池组也可作为船内通信设备如 、广播、信号报警等系统的正常工作电源。另外，船舶停靠码头时可以接岸电，通常岸电通过岸电箱接至岸电开关

19、，并送至主配电盘进行配电。(2) 船舶配电装置船舶配电装置是对船舶电源产生的电能进行控制、保护、监测和分配的装置，它包括各种开关电器、测量仪表、互感器、母线、继电保护设备、自动控制设备、各种辅助设备等。(3) 船舶电网船舶电网是全船供电电缆和电线的总称，其作用是将电源和各种负载联系起来。船舶电网根据其所连接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、临时应急电网等。(4)船舶电力负载船舶电力负载又称船舶用电设备，它的形式很多，大体可分为以下几类：船舶各种机械的电力拖动设备。船舶照明负载。 = 3 * GB3 船舶通导设备。船舶其他用电设备。1.2 船舶交流电站特点船舶交流电站与陆地上电站相

20、比有以下特点：(1) 船舶交流电站容量小。由于船舶电站只供给一条船上负载的需要，因此其单机容量和系统容量与陆地上相比要小得多（一般万吨船为1000kw左右），而某些大电动机容量与电站容量可相比拟，因此相互影响大（电动机起动电流会引起电网电压降落大，使发电机组的转速和频率波动较大）。(2) 船舶电气设备工作环境比陆地恶劣，影响设备工作的可靠性、正确性和寿命。环境温度较高。相对湿度大：有时高达95100。 = 3 * GB3 存在盐雾、霉菌、油雾，使导电金属受到腐蚀，并使绝缘材料性能降低。设备运转和风浪引起的船舶摇摆、振动和冲击大，影响电气设备动作的可靠性和正确性。由于船舶舱室面积小，空间狭窄，故

21、电气设备之间有较大的电磁干扰。(3) 船舶电站的发电设备与用电设备之间的距离很短，因此在计及电网压降时，往往可以忽略电缆的电抗。1.3 PLC在船舶交流电站中的应用1.3.1 PLC概述随着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，计算机控制技术已应用于几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为几类：如可编程序控制器、基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器（Programmable Logical Cont

22、roller）简称PLC，是上世纪60年代末发明的工业控制器件。PLC是以微处理器为基础的通用工业控制装置。它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数和算术运算等功能。随着PLC技术的发展，其集成度越来越高，网络及通信功能越来越强，可靠性和控制精度越来越好，这些都使PLC更广泛的应用于工业自动化领域当中。1.3.2 PLC应用于船舶交流电站自动控制系统对于船舶交流电站的控制，其最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件，如继电器、接触器。在这种场合下，使用继电器-接触器控制系统需要大量的中间继电器，而在采用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代这些中间

23、继电器。PLC控制系统与继电器-接触器控制系统相比具有以下优点：(1) 更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；(2) 程序可以复制，批量生产很容易；(3) 电气硬件设计大大简化；(4) 由于PLC除有继电器功能外，尚有许多其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；(5) 可靠性高；(6) 具有扩展单元或扩展模块，当需要较多I/O时可以方便地进行扩展。第2章 船舶电力系统频率和有功功率自动调节原理2.1船舶电力系统频率变化原因船舶同步发电机频率与原动机转速的关系=式中：船舶同步发电机的频率，赫兹（）； 船舶同步发电机的磁极对数； 船舶同步发电机

24、原动机的转速，.发电机运行时，其功率平衡方程为：=+式中：原动机供给发电机的有功功率； 发电机负载所消耗的有功功率； 发电机通过负载电流时的机电损耗； 发电机的惯性时间常数。原动机的驱动功率，决定于原动机的进油量（或进气量），当该功率与发电机的负载功率和机电损耗平衡时，=0，机转速（频率）为恒定，当功率平衡关系打破时，例如：突增（或突卸）某些负载时，即突然增大（或减少）时，原动机的进油量（或进气量）未能及时变化，则不变，这就导致转速（频率）下降（或升高），即0（或0）。因此为维持频率不变，当负载变化时，必须及时调节原动机的进油量（或进气量）。频率是电能质量的重要指标之一，一般原动机总是设计在额

25、定转速时具有最高的效率，维持原动机转速不变（或频率）在额定值不变，这部分工作要由调速器来完成。在船舶电站中，频率的调整及有功功率分配均依赖于原动机调速器的调节。2.2 船舶电力系统负荷调节效应船舶电力系统负载从电网吸收的有功功率与频率的关系一般表示为=*式中：负载从电网吸收的有功功率；电网频率；负载功率与频率的关系指数，对于不同性质的负载，有不同的数值；比例系数。 按照船舶电力系统负载从电网吸收的有功功率与频率的关系，可将船舶电力系统负载分为三种类型：(1) 负载功率与频率无直接关系，如白炽灯、电热器等负载。(2) 负载功率与频率成正比关系，如压缩机、卷扬机、机床等，它们的转矩约为常数，又称恒

26、转矩负载。(3) 负载功率与频率的三次方成正比关系的负载，如通风机、吸风机、水泵等。由于第二、三类负载在船舶电力系统中占的比例较大，因此整个船舶电力系统的有功负荷与电网的频率有密切的关系。船舶电力系统总的有功负荷的变化与频率的变化关系如下图2-1所示。图2-1负荷静态频率特性曲线从图上来看，由于某种原因造成电网频率下降时，船舶电力系统的总负荷从电网吸收的有功功率也随之下降，当电网的频率升高时，船舶电力系统的总负荷从电网吸收的有功功率也随之升高。由原动机功率平衡方程式可知，电网频率的下降（或上升），意味着原动机提供的驱动功率小于（或大于）电网总负荷吸收的有功功率，而频率的下降（或上升），又将使总

27、负荷从电网吸收的有功功率相应减少（或增加）。可见，在船舶电力系统中，当发电机功率平衡被破坏而引起频率变化时，负荷从电网吸收的有功功率的变化起着积极的补偿作用，使系统能在另一个频率下得到新的平衡，负荷的这种补偿作用称为船舶电力系统的负荷调节效应。尽管船舶电力系统的负荷有一定的调节效应，对限制电网频率的变化是有利的，但仅仅依靠这个效应，还是无法满足船舶电力系统的恒频要求。如果不采取其它措施，船舶电力系统频率的变化将是很大的，无法满足船舶电力系统的要求。为保证船舶电力系统频率的变化在一定的允许范围内，船舶发电机组必须专设调速器。2.3调速器调速原理在船舶电力系统中，频率的调整及有功功率分配主要依赖于

28、原动机的调速器。船舶柴油发电机组的调速器的类型主要有机械式调速器、液压式调速器、电动液压式调速器、电子式调速器。目前我国船舶电力系统中的原动机大多仍采用离心式的机械调速器。由于机械调速器反应不灵敏，导致船舶电力系统的频率波动很大；同时因机械调速器的调节弹簧的特性不一致性，导致并联运行机组之间功率分配不均匀，并且维修也不方便。电子调速器与以往的机械式调速器相比，由于它的信号传递和控制调整是通过电信号来完成的，彻底摆脱了机械零件的惯性质量和机械摩擦的影响，不仅能使电站供电频率达到高精度的恒定，而且能使并联运行机组之间有功功率分配均匀。电子调速器的基本组成如图2-2所示。图2-2电子调速器的基本组成

29、框图速度传感器是转速的感应环节，一般采用磁电式传感器，用于监测柴油机转速的变化，由磁性速度传感器产生的交流电压的频率与柴油机转速成比例，经转速反馈环节中的频率电压变换器转换成直流电压信号；负荷传感器用于监测发电机负荷（如：电压、电流、相位）的变化并按比例转换成直流电压信号；速度控制单元是电子调速器的核心，它接受来自速度传感器和负荷传感器的电信号，并按比例转换成直流电压后与转速设定电位器的设定电压进行比较，把比较后的差值送至电子控制装置；电子控制装置将差值电压进行PID控制运算，然后通过功率放大后作为控制信号送往电动执行机构；电动执行机构采用电磁式执行器，它根据输入的控制信号以电力方式拉动柴油机

30、的油门进行调速。电子调速器能在负载一有变动而转速尚未明显变化之前就开始调节燃油供给量，因此具有很高的调节精度，特别适用于自动化程度高、供电要求高的现代船用发电机组。2.4调速器调速特性 调速器的调速特性是指在原动机调速器的自动调节下，机组的转速（或频率）与原动机输出的有功功率的关系。它又分为静态调速特性和动态调速特性。静态调速特性仅指调速器调节完毕后的稳定情况，如图2-3所示。由图可以看出，如果转速(或频率)随输出的有功功率的增加而下降，那么调速器的静态调速特性称为下倾的有差调速特性（曲线2）。如果转速（或频率）不随输出的有功功率变化，则称为无差调速特性（曲线1）。 1无差调节 2有差调节 图

31、2-3 静态调速特性为了使发电机组能稳定地并联运行，船舶发电机组调速器的调速特性一般采用有差特性。调速器的有差调速特性一般用调差系数来表示=-=式中：有差调速特性的斜率通常调差系数在3%5%，规范规定：5%，这样，调差系数就是有差调速特性曲线的斜率，且恒为正值，越小，则有差调速特性越平坦；反之越陡。当有功负载变化量一定时，越小的机组，其频率变化量相对较小；当频率变化量一定时，越小的机组，其有功负载变化量相对较大。船舶发电机组调速器的动态调速特性指当有功功率突变时，机组在调速器的自动调节下，从一个稳定状态到另一个稳定状态的过渡过程，频率随时间变化的规律。典型调速器动态调速特性如图2-4所示。 恢

32、复时间 图2-4 动态调速特性钢制海船入级规范规定，带动发电机的原动机（包括柴油机和汽轮机）须装有调速器，其调速特性应符合下列规定：当突然卸去额定负载时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%，稳定调速率不大于额定转速的5%，稳定时间（即转速恢复到波动率为1%范围的时间）不超过5。这些对原动机调速性能的要求，其实质在于保证船舶电力系统的频率波动也在上述的范围之内。2.5有功功率分配和调节原则同步发电机输出的有功功率是由原动机的驱动功率转化来的，随着负载的变化需要经常调整原动机的转速，以保持电网频率的恒定。对于并联运行的发电机，改变发电机间的有功功率分配，是通过改变各台原动机的油门大小，即单位时间进

33、入气缸的燃油量来实现的。柴油机喷油量的大小，关系到柴油机在一定转速下的输出功率。也就是说，单机运行时发电机的某一转速(频率)对应某一输出有功功率； 对并联运行的发电机，某一频率对应着每台发电机的输出有功功率。所以，并联机组有功功率分配与船舶电力系统频率调整密切相关。船舶电力系统有功功率平衡被破坏时，会造成电网频率的变化。因此调节频率和调节有功功率是直接相关的，二者的调节归根到底是调节原动机的油门(柴油机)的大小。在同容量、同型号的发电机组并联运行时，应将系统的总负荷的有功功率平均分配给参与运行的各台机组；当采用不同容量的发电机组并联运行时，则将系统总负荷的有功功率按各台发电机容量成比例地分配给

34、各运行的发电机，以增强并联运行的稳定性和经济性。2.6自动调频调载方法自动调频调载装置维持船舶电力系统频率恒定和有功功率平均分配（各机组容量相同）或按比例分配（各机组容量不同），实质上是对原动机调速器作出相应的的调节。调节方法归纳起来主要有以下五种：(1) 有差调节法利用具有有差调速特性且调差系数相近的发电机组并联运行来实现频率稳定及负载分配的频载调节方法。这种方法无自动调频调载装置，无法进行二次调节，各机组只由具有有差特性的调速器来控制，因此不能很好地维持频率恒定，负载分配一般也不均匀。此外，它不能自动转移负荷。(2) 主调发电机法这种方法是在并联运行的发电机组中选择一台作为“主调机”，当电

35、网负荷变化而出现频差时，由主调机组进行频率的二次调节，改变油门的开度，使电网频率维持稳定，该主调机还承担电网负荷的变化量。而参与并联的其他机组则总是带固定的负荷，称为“基载机”。主调发电机法原理简单，但缺点是使主调机和基载机的功率因数不一致，且随负载的变化而变化，这样当负荷变化较大时，调频过程就会很慢，因为只有主调机组在起调整作用。(3) 主从控制法主从控制法是在并联运行的发电机组中选择一台作为主控机，主控机的主要作用是维持电网频率的稳定。它不断地把电网频率与给定频率相比较，当电网频率高于给定频率时，其调节器输出减速信号，通过主控机的调速伺服马达调小原动机的油门；反之，则加大油门，力图维持电网

36、频率的稳定，有时也称其为Master，相应地其余的机组称为Slaver，专门负责负荷分配，对频率的变化则不过问。(4) 虚有差法虚有差法是在参与并联运行的每一台发电机上都装设按频差和功率分配差进行调整的控制系统。在它们的控制下能经常地保持电网的频率为额定值，电力系统的负荷则按给定比例进行分配。虽然每台发电机所装置的调速器仍为有差特性，且调差系数都不为零，也不会影响调整结果。这就是“虚有差”这一名称的含义。目前它在自动调频调载领域应用较为广泛。(5) 积差法积差调整法是按频差对时间的积分=来进行调频的，同时引入与各机组实际功率成正比的功率信号进行比较来校正负荷分配。它的特点是调整结束时总是保持恒

37、频和按比例分配负荷。综合比较这五种调频调载的方法和对船舶电站的分析，本文采用应用最广泛的虚有差调节方法来设计自动调频调载装置。2.7自动调频调载装置工作原理频率及有功功率自动调整装置(简称自动调频调载装置)是协助原动机调速器自动地保持电网频率为额定值，并维持并联运行发电机组之间有功功率均匀(或按发电机容量比例)分配的一种自动化装置。同时，它可以与自动并车装置配合使用，以实现对待并发电机的频率调节，创造同步合闸的条件，并在同步投入之后，能使运行机组负载自动转移。调频调载装置的基本原理都是通过频率检测环节和有功功率检测环节，把汇流排频率变化及各机组承担的有功功率转换成标准的电压(或电流)信号，并送

38、入到PLC的运算环节进行运算，根据频率偏差和有功功率分配的偏差向调整器发出控制信号，控制执行机构使其进行相应动作，自动调节原动机的油门，从而使电网频率维持在额定值和各机组间有功功率均匀(或按发电机容量比例)分配。第3章 船舶电站自动调频调载装置硬件设计3.1系统整体结构及S7-300介绍3.1.1 系统整体结构本文设计的船舶电站自动调频调载装置采用西门子公司的S7-300系列PLC为主控单元，系统的整体框图如图3-1所示。图3-1 系统整体框图本文所设计的船舶电站共由三台发电机组构成，正常航行时一台运行，另外两台备用；进出港、狭水道航行时或需要大功率运行时，两台发电机并联运行，一台备用。本系统

39、的硬件是由一台工控PC机、三台S7-300PLC和各个接口模块组成，采用西门子S7-300PLC为控制核心，控制部分主要由一台PC机和三台PLC组成：PC机主要用于将应用程序下载至PLC并对两台PLC的运行状态进行实时的远程监控，三台S7-300控制器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它PLC是独立的，它们各自通过各种传感器、变送器等智能仪器仪表采集数据，并独立的完成程序控制任务，再通过执行机构控制发电机组。所以即使其中一台PLC发生故障，都不会影响其它控制器的正常运行。三台PLC之间的数据传输采用PROFIBUS协议，利用编程实现它们之间的通讯；PC机与三台P

40、LC之间的通讯采用MPI协议。3.1.2 S7-300系列PLC概述S7-300的CPU模块（简称为CPU）都有一个编程用的RS-485接口，有的有PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，可以建立一个MPI（多点接口）网络或DP网络。图3-2为S7-300系列PLC的实物图。1.电源模块 2.后备电池 3.24V DC连接器 4.模式开关 5.状态和故障指示灯 6.存储器卡(CPU 313以上) 7.MPI多点接口 8.前连接器 9.前盖图3-2 S7-300 PLCS7-300是中型PLC系统，具有模块扩展功能，设计紧凑，适合最大输入、输出1000点左右的控制应用。S7系列PLC的C

41、PU中集成了中断处理能力，如时间中断、报警中断、循环中断等。S7-300系列PLC具有强大的网络通信能力，如通过CP343-2模块可以使S7-300系列PLC作为ASI（执行器与传感器接口）网络中的主站，在现场总线PROFIBUS的应用中完全支持各种通信方式和服务，在主-从通信方式中，S7-300系列PLC既可以作为PROFIBUS-DP的主站，也可以作为从站；在主站间通信方式中，S7-300系列PLC利用不同的通信协议和服务可以非常灵活地与通信方进行数据交换；通过工业以太网，S7-300系列PLC之间或与HMI（Human-Machine Interface, 人机接口）可以进行大量数据的通

42、信，利用基于以太网的PROFINET总线技术，可以实现数据的实时通信。通过扩展具有独立处理能力的特殊模块，例如功能模块（FM），S7-300系列PLC可以实现高速计数、单轴定位、具有插补功能的4轴路径控制，而不会影响CPU的处理速度。S7-300系列PLC使用STEP7进行编程，是S7系列PLC的主流产品。3.2系统测控单元及其详细配置3.2.1 测控单元设计1 测量控制单元原理测量控制单元属于过程控制级，直接与柴油机、发电机及电网的传感器、变送器、伺服马达、各空气开关接触器线圈相连，来完成整个电站的控制与监测过程。机组的测量控制单元包括模拟量输入/输出、开关量输入/输出、键盘输入、声光报警等

43、。图3-4为测量控制单元原理框图。图3-4 测量控制单元原理框图 2 S7-300与发电机组之间的信号由于在设计中每台发电机组所测量的信号数据类型完全相同，在此只列出一台发电机组的输入/输出信号和电网信号之间的联系。 PLC与发电机组和电网之间信号如图3-2所示。图3-5 PLC与发电机组之间的信号图(1) 关于原动机的信号：原动机飞轮转速、滑油压力、冷却水温度、起动空气压力、排烟温度。(2) 关于同步发电机的信号：发电机绕组温度、发电机端电压、电流、有功功率、电压频率、发电机电压与电网的相位差。(3) 关于电网的信号：电网电压、电网总有功功率、总电流、电网频率、各空气开关线圈的开关状态。(4

44、) PLC发出的控制信号(模拟量和开关量)：柴油机组起动、停机，发电机并车、解列，柴油机组升速脉冲、减速脉冲。3.2.2船舶电站中应用的传感器在船舶电站控制系统中，必须采集有用的现场信号，如频率、电压、相位、温度、压力、转速、功率、空气开关线圈的通断状态等。现场信号采集的主要任务，就是真实的反映测控对象的状态，包括测量精度和实时性，同时还应该使测量信号与PLC输入接口电平相匹配，并应满足可靠性的要求。船用传感器、变送器及接口电路大致如图3-6所示。图3-6 传感器、变送器及接口电路图 (l)转速传感器：在现代的船舶电力系统中，转速检测方法有两种:脉冲式测速传感器和测速发电机。但随着可编程控制器

45、的广泛应用和现代船舶控制系统的高精度要求，测速发电机己经淡出了其原有的舞台。光电编码器输出脉冲个数正比于发电机轴的转速，把该脉冲信号送入PLC高速计数器进行计数，即可换算出发电机的转速。(2)温度传感器：集成传感器具有测温精度高、稳定性好、体积小巧、重复性好、线性优良、热容量小、输出信号大等优点。此外，驱动电路也可以一起集成，封装入小型管壳中，使它的性能和灵敏度显著提高，带负载能力增强，从而大大地简化了实用测温电路的设计。如果对于同一个测温点采取传感器并联，则可以实现温度测量取平均值，从而提高温度测量的准确性和可靠性。(3)压力传感器：在船舶电力系统中，用于各种压力或压差参数的监测传感器主要有

46、弹性敏感元件、压电晶体、电阻应变片等。此系统选用变压力传感器，这种传感器是利用电阻应变片测量原理制成的。其主要包括弹性元件和电阻应变片两个部分。弹性元件将压力转换为位移变形，然后电阻应变片将弹性变形转换为应变片阻值的变化，电阻应变片的电阻信号可以通过电桥输出。(4)开关量传感器：本监控系统中，PLC控制系统除了检测模拟量信号外，还要检测各种开关量信号，例如设备的运行状态，继电器、接触器触点通断状态等。对于这些开关量信号，必须将现场输入的状态信号进行转换、保护、滤波、隔离等措施，以防止输入的信号引起瞬时高电压干扰、过电压、接口噪声或接触抖动。3.2.3 S7-300硬件组态由于在船舶电站频载调节

47、自动控制系统中需要采集的信号的种类和数量繁多，如果采用集中式的I/O设备，会需要大量的电缆来传输信号，而且可能由于信号的采集地离可编程序控制器距离较远，需要传送信号的电缆很长，这样信号的衰减就很严重，影响信号采集的准确性，而且电缆的数量很多，各电缆之间可能也会产生电磁干扰影响信号传输的可靠性，所以在这种情况下本文使用SIMATIC ET200系列分布式I/O设备，使可编程序控制器系统中的CPU位于中央位置，输入和输出I/O设备在信号采集的本地分布式运行。通过现场总线PROFIBUS-DP链接，可实现高速数据传输，可以确保CPU和I/O设备之间稳定、畅通地进行通信。在对PLC的选配工作进行之前，

48、需要对测控对象和控制任务进行统计和分析，然后才能确定系统的规模、机型和配置。据规划，本船舶电站频载调节自动控制系统每台S7-300PLC的CPU采用CPU315-2DP，各CPU需要配置的不同性质的I/O点如下:48个数字量输入，32个数字量输出，6个模拟量输入，4个模拟量输出。考虑到在前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出的I/O点总数的基础上，增加10%15%的冗余，考虑到今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30%左右的冗余。配置的模块如表3-6所示。

49、表3-7 PLC模块配置表名称型号数量用途CPUCPU315-2DP1处理器模块DISM3212数字量输入模块DOSM3223数字量输出模块AISM3311模拟量输入模块AOSM3321模拟量输出模块计数器FM350-11ET200M计数模块接口IM1531ET200M接口模块(1) 中央处理器CPU315-2DPCPU内的元件分装在一个牢固而紧凑的机壳内，面板上有状态和故障指示LED、模式开关和通信接口。存储器插槽可以插入MMC微存储卡，用于扩展容量和断电后程序数据的保存。CPU315-2DP装载存储器的基本容量为48K字节或84K字节;它的执行运算速度很快，每执行1000条二进制指令约需0

50、.3微秒;最大可扩充1024点数字量输入输出或128个模拟量通道。(2) ET200M分布式I/O在以往的船舶自动化系统中，PLC的I/O模块与传感器、执行器机构之间需要通过大量电缆连接，这不仅增加了安装的工作量，也增加了安装费用和发生故障的机率。应用分布式I/O模块，可将I/O模块就近放置于各传感器和执行机构附近，在PLC和模块及现场器件之间采用PROFIBUS-DP现场总线连接，可克服中央I/O模块的上述缺点。本文采用的ET200M是多通道模块化的分布式I/O，采用S7-300全系列模块，ET200M由一个IM153和多个S7-300 的I/O模块组成，IM153包含用于信号模块(SM)、

51、功能模块(FM)的接口模块。本系统的硬件设备组态图如图3-8所示图3-8 系统硬件设备组态图本系统通过MPI协议实现PC机与三台PLC的通信，把程序下载到PLC中，通过PROFIBUS协议进行主从站之间的数据传输，本系统设计的是多主站多从站系统，主站与主站之间使用令牌传送控制的通信，主站与从站(I/O设备)之间使用主/从轮询方式通信，有时是这两种方式的混合方式。令牌是一种特殊信息帧，它将发送权从一个主站传向下一个主站，它必须在每个最大令牌循环时间内分配给每个主站一次。令牌传送方法确保总线的访问权在一个明确定义的时间内进行分配。对于相同状态的两个主站之间通信，必须确保在给定的间隔内，每个站都有机

52、会来处理通信任务；对于一个主站和与之相连的I/O之间的通信，必须尽可能少的耗费实现周期性、实时的数据交换。主/从原则使得当前拥有令牌的主站(主动节点)可以访问分配给它的从站(被动节点)。主站可以向从站发送信息或者从从站取得信息，系统的网络组态图如图3-9所示。图3-9 系统的网络组态图第4章 船舶电站PLC控制系统程序设计4.1 PLC编程语言介绍STEP7是S7-300系列PLC的编程软件。梯形图、语句表和功能块图是标准的STEP7软件包配备的3种基本编程语言，它们可以在STEP7中相互转换。梯形图 (LAD)是使用的最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路很相似，具有直观易懂的优点，很

53、容易被熟悉继电器控制的电气工作人员掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等指令。本论文采用梯形图来对PLC进行编程。4.2 PLC控制系统程序总体框架本系统的软件设计主要涉PLC控制系统部分，采用功能模块子程序结构，设置好每个模块的入口与出口，利用CPU315-2DP调用子程序的功能使各个功能模块连接在一起，使整个程序层次分明、结构清晰。各主要模块有：自动起动模块、自动准同步并车模块

54、、自动调频调载模块、自动解列与停机模块。其框架图如图4-1所示。图4-1 PLC控制系统主程序流程图系统主程序自动循环检测电站工作状态，针对不同的状态做出综合计算和逻辑分析，判断需要完成什么工作，从而决定调用哪一个功能子程序来完成该工作：被调用的功能子程序一旦执行完毕，又返回主程序中继续循环检测，整个系统就如此反复地运行。4.3系统主要模块程序设计4.3.1 自动起动模块程序设计船舶电站需要自动起动一台备用机组的情况有很多种，如：1当单机运行的发电机组发出的功率不能满足负载需要时，这时候船舶电站的自动控制装置应该能够自动地起动一台发电机组。2当两台发电机组并联运行时，电网的电压或频率不正常时，

55、这时候需要自动起动一台备用机组。3 当运行的发电机组中原动机出现故障时，如滑油压力不正常，冷却水出口温度不正常，排烟温度过高时，这时候应能自动起动一台备用机组，而且有故障的运行机组应能自动停机。4 当电网失电时，应能自动起动一台备用机组。当船舶电站自动装置检测到上述几种需要自动起动备用机组条件时，即产生增机要求，同时检测相应机组起动逻辑条件，当条件满足时发起动指令。自动起动模块流程图如图4-2所示。图4-2 自动起动模块程序流程图4.3.2 自动准同步并车模块程序设计当前，对于交流同步发电机组组成的船舶电站已经有多种模拟电路的自动同步并车装置，然而研究使用PLC实现的自动准同步并车仍有积极的实

56、际意义。因为它与模拟装置相比，功能结构大为简化，而且系统本身抗干扰能力及可靠性都有所提高，开发成本降低，而且控制更加灵活，还可以方便地进一步扩展。准同步并车方式是目前船舶上普遍采用的一种并车方式，要求待并机组和运行机组两者的电压、频率和相位都调整到十分接近的时候，才允许合上待并机组主开关。采用这一方式进行并车引起的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，对电力系统不会产生不利的影响，但是，由于某种原因造成非同步并车时，则冲击电流很大。最严重时可与机端三相短路电流相同，所以并车操作应严格小心，这是准同步并车方式的缺点。对于三相交流同步发电机组，理想并车条件是待并机的电压=与运行机（或电网）的电

57、压=之间须同时满足如下条件： (1)电压的有效值相等，即=;(2)频率相等，即;(3)相位或初相角相等，即;(4)相序一致。符合上述条件，则待并发电机的电压矢量与电网矢量完全重合，而且同步运行。此时并车，冲击电流最小，这就是准同步并车的理想情况。自动准同步并车装置可分为两类:(l)采用恒定越前时间的自动并车装置装置发出合闸信号提前的时间恰好等于发电机主开关的动作时间，采用这种方法的自动并车装置在理论上称作恒定越前时间的自动并车装置。这种方法可以做到在发电机和电网的电压相位完全重合的条件下合闸。但实际上由于主开关的合闸时间不固定，所以可能会稍有偏差。(2)采用恒定越前相角的自动并车装置此装置在给

58、定的越前相角下发出合闸信号，此时越前时间并不是一个确定的数值，它取决于并车时的角频差。因此，这种装置在原理上就不能保证完全准确的实现准同步并车的条件。一般而言，在发电机主开关合闸时间较短的情况下，上述两种自动并车装置都可以得到很成功的运用。但是，当主开关合闸时间比较长时就不能采用恒定越前相角的并车装置，因为在这种情况下发电机投入并联运行时会引起电流和功率的不平衡，因此本文采用的是恒定越前时间的自动并车装置。本系统设计的自动准同步并车模块包括电压检测环节、频率检测环节和相位检测环节三个子程序，其自动准同步并车的原理框图如图4-8所示。图4-8自动准同步并车原理框图电压检测环节：电压检测环节是将电

59、网电压和待并机的电压先进行降压、整流、滤波成直流电压，然后将处理后的电压送入PLC的电压比较环节，经过PLC内部的运算环节算出电压差，然后分析其电压差是否在合理范围内，如果在合理范围内，则进入下一子程序，即频率检测环节；如果所得的电压差不在合理范围内，则发出调压控制信号，如果经过规定的时间内电压差仍然不满足要求，则发出电压闭锁信号，使程序不进入到下一个子程序，同时发出报警信号。频率检测环节：频率检测环节是自动并车的重要环节，理论上在并车时要求在网机的频率应和待并机的频率相等，但在实际应用当中，要做到完全相等是相当困难的，所以在实际的自动并车装置中，只要频率差在一定的允许范围内，就可以并车。考虑

60、到系统的振荡问题，频率差一般不能太大也不能太小。这是因为频差很小时脉动周期长，甚至呆滞不动要捕捉相角重合时刻就很困难，不利于发电机快速并联运行，所以当脉动周期大于一定值时要发出扰动信号使频率增加，这就是呆滞扰动。本系统设计并车时的频差为0.10.3。相位检测环节：相位检测是实现自动并联运行的三大条件之一，也是实现自动并联运行的难点和关键环节之一。为尽可能在同相点准确合闸，除检测在网机和待并机的相位差之外，还必须考虑各种主空气开关固有的合闸动作时间，根据检测的相位差和固有的合闸动作时间来计算合闸提前量。本装置采用恒定超前时间法获取合闸提前量。先把各发电机组的正弦电压通过波形变换电路变为同频方波，