基于plc的船舶电站自动化系统方案设计与实现(编辑修改稿)

基于plc的船舶电站自动化系统方案设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

LC 实现船舶电站的逻辑控制和总体控制，替代继电器系统和电子电路控制系统，故障率大大减少。 在 PLC 内部实现自整定PID 算法控制转速调节环节，驱动直流伺服电动机执行，负荷分配及时均衡。 PLC 船舶电站控制系统便于系统参数的在线监视与在线修改。 本文的主要内容和结构安排 本文主要内容是以两台发电机组的电站为例，采用 PLC 的工业控制技术和工业 PC 机，设计了基于 PLC 控制的船舶电站自动化的集散式管理系统。 设计电站以两台发电机组为例，下位机 PLC 可通过输入输出接口与发电机组 和现场仪表相连接，与上位 PC 机通过网络连接。 上位机的人机界面设计机各种界面，在设计的界面上可以显示机组的状态和各主要参数，轮机员通过各种界面能观察和操作机组。 结构的安排： (1)首先充分论述自动化电站的组成、原理、功能、要求，在了解控制器功能和监测技术的基础上，选择了集散式船舶管理系统。 (2)在集散式系统下，设计实现了 PLC 控制的发电机组的自动起动、自动并车运行、自动频率和负载调节，重载询问、自动解列以及自动停车的流程。 (3)在上位机上提出几种设计界面设计，实现对电站的分散控制和集中管理功能。 (4)通过实际操作，发现设计中的不足之处，对不足之处进行改正。 山东交通学院毕业设计 (论文 ) 7 2 船舶电站自动化管理系统 船舶电站自动化管理系统的总体构成 船舶电站的自动化管理系统一般由电站自动控制、监测报警和安全系统组成： (1)控制系统：能实现发电机组的自动起动、并车和解列，还可以实现电站功率的自动管理及电压、频率的稳定，且可处理电站中出现的故障。 如果系统出现故障，控制系统可自动地使处于备用状态的机组迅速起动 (不超过 45s)，自动准同步投入电网运行；并网成功后，故障机组将负荷降低至不大于额定功率的 10%时，自动 脱离电网。 (2)自动检测报警系统：此系统的主要功能是自动地实施监测电站各设备运行状态和参数，有原动机、发电机、配电系统的电气参数、机械参数和运行状态，检测量包括开关量和模拟量。 其次，系统会将监测量实时与设定的限制值进行比较，若被测量超限，将发出相应的声光报警信号。 最后，系统可以对监测结果进行记录、打印，并对超限参数进行记录。 (3)安全系统：自动化电站应设安全系统。 如果电站控制和监测系统在运行过程中发生危及电站系统的各主要设备安全的严重故障时，安全系统能自动产生保护动作，避免事故的进一步扩大。 自动化管理系 统组成结构如下图： 打 印 设 备 检 测 报 警 系 统 控 制 系 统 发 电 机 组安 全 系 统 图 自动化系统的组成 Composition of automation system 船舶电站自动化管理系统主要功能 自动化电站管理的主要内容包括 [2]： (1)发电机组起动前的准备工作 :中国船级社对自动化船舶的有关规定是船舶电网失电应在 45s(国外有些是 30s)内恢复供电，所以自动化电站停车状态下的备用机组应事先做好准备工作。 关键的准备工作是发电柴油机的预热和预润滑。 基于 PLC 的船舶电站自动化系统方案设计与实现 8 (2)发电机组的自动起动：当电网负荷增加使运行机组重载时、运行机组发生机电故障和某机组起动失败或不能合闸时，电站管理系统能自动地发出起动指令使备用机组迅速自动起动，在起动成功后建立压力后投入电网供电。 (3)发电机组的自动并车：通过采集电压、频率的基本参数，经过一定的计算发出调频及合闸指令，使待并机与电网上的机组并联运行。 (4)并联运行中的功率分配与频率调整：两台机组并联运行供电时，通过原动机调速器和自动调频调载装置配合工作，使电网维持在稳定频率，且使并联运行机组按容量成比例的承担负载。 (5)运行 机组台数的管理：在完全满足船舶电站供电质量的前提下，使机组以经济的管理模式运行，充分利用每台机组的功率，降低发电成本。 (6)重载询问：大功率负荷起动大，管理系统将判断电网负荷与起动的大功率负荷是否超过运行机组的最大允许负荷率。 若满足，则允许其启动，否则，应先起动另一台备用发电机，使之并网，然后允许其起动。 (7)机组故障的自动处理与报警及负载自动分级：系统设有故障处理模式与对应的故障相匹配。 自动分级卸载：确保重要设备连续供电，在过载的情况时将非重要负载自动切断。 (8)机组自动、故障状态下解列、停机控制： 轻载或故障需要停机时，并网运行机组先自动转移负载，再按顺序使运行机组逐台退出电网，然后停车。 (9)机组的保护：自动化电站除了设有和基本电站一样的过载、短路、欠压和逆功率保护外，还设有欠频保护、高压保护、次要负荷的分级卸载等，进一步的提高了供电质量和电网的连续供电。 (10)运行状态显示及故障监视：现代电子触摸屏通过编程可以在屏幕上以画出主配电板、发电机组、主开关等电器元件的状况，除此之外也有开关、按钮等指令开关。 总之，触摸屏不仅有显示功能，而且还有操作功能。 (11)运行系统给定参数的监视与修改：系统支持 参数的监视与在线修改，PLC 技术可将设计编制的程序及各种参数存放在随机存储器 RAM 中，方便在线修改。 自动化系统的方框图如下： 山东交通学院毕业设计 (论文 ) 9 发 电 机 组状 态电 网自 动巡 回检 测电站监测电 站 自 动 化 系 统负载管理负 载 自 动 切 入重 载 询 问自 动 并 车自 动调 频 调 载发 电 机 组自 动 起 动 控 制功 率自 动 分 配自 动 解 列机 组 控 制 图 电站自动化系统方框图 Power plant automation system block diagram 集散式船舶电站管理系统 集散控制形式是每台发电机组配置 PLC(或微机 )控制装置，主要控制发电机组的起动、停机以及处理机电故障等，上面有一套 PLC(或 微机 )控制装置主要进行并联运行、功率管理及信息通信等管理控制。 此外，系统的通讯接口可以与个人电脑相连，在电脑显示屏用文字和图形来显示各种参数及相关机组、主开关等电器状态。 集散式电站 集散式管理系统 [3]由 PLC 控制机组，然后再把信息与工业 PC 机共享，它们共同来完成电站运行的自动控制和自动管理。 工业 PC 控制机置于集控中，作为操作系统的操作管理装置。 电站系统各下位机的监测控制和信息管理由工业 PC 控制机来完成，除此，亦可显示电站系统任何运行过程的全部信息，并存储在存储器中，必要时可以被其它系统调用。 在上位机上可以修改系统某些设置参数，并能以指令的形式传递到下位机中，来对电站运行过程进行控制。 系统操作站是系统的人机接口，是控制系统与操作管理人员的接口界面。 本文所设计的集散式电站管理系统将各台发电机组的控制功能分散化。 两台 PLC 的控制作用由工业 PC 机进行协调，来完成整个电站的监控任务。 总体框图如下图所示： 基于 PLC 的船舶电站自动化系统方案设计与实现 10 显 示 打 印 工 业 P C 机 监 测 报 警可 编 程 控 制 器 可 编 程 控 制 器电压的调节柴 油 机和调 速 器控 制参数监控功能自动并车功能频 率调 节和功 率分 配参数监控功能柴 油 机和调 速 器功 能电压的调节自动并车功能频 率调 节和功 率分 配 图 电站管理系统的总体功能框图 Plant overall management system functional block diagram 集散式船舶电站管理系统的主要优点是以数据通信为纽带，完成过程的分散控制、监控和信息集中管理等一系列工作。 另外，本系统还具有如下优点： (1)改善了系统的运行可靠性，单元故障只影响局部，而且具有自诊断、报警功能； (2)构成灵活，扩展方便。 采用了标准的硬件模块和软件模块，可以灵活组建，而且采用了局域网，系统扩展十分方便。 信号的采集及处理 PLC 与发电机组之间的信号传输与电网、发电机和柴油机之间传递的信号如下图所示： 山东交通学院毕业设计 (论文 ) 11 柴 油 机 发 电 机 电 网气瓶压力滑油压力排烟温度冷却水温度电 压电流有功功率相位差绕组温度电压电流频率有功功率可 编 程 控 制 器调 速 器 起 、 停 执 行 单 元 主 开 关减速模 拟 转 换 器加速起动停车频率并网脱网 图 PLC 与发电机组之间的信号传递图 Signal transmission between PLC and generating set figure (1)关于电网的信号 电网电压、总电流、总电网频率、频率和有功功率及各空气开关线圈的开关状态。 (2)关于发电机的信号 发电机端电压、电流、频率、有功功率、发电机电压与电网电压的相位差和发电机绕组温度。 (3)关于柴油机的信号 起动空气瓶压力、滑油温度和压力、 各缸排烟温度、排烟总管温度、冷却水压力和温度和柴油机飞轮转速。 (4)PLC 测控单元的控制信号 (模拟量和开关量 ) 柴油机组升速和减速脉冲、柴油机组起动和停机、发电机并网合闸和脱网。 检测单元的设计 机组的测量控制单元包括模拟量输出／输入、开关量输出／输入、键盘输入、声光报警等。 测量控制单元原理框图如图下所示 ： 基于 PLC 的船舶电站自动化系统方案设计与实现 12 数 据采 集单 元电 站控 制执 行单 元可编程控制器电 源键 盘 输 入工 业 P C 机通 信 通 道模 拟 量 信 号开 关 量 输 入开 关 量 输 出模 拟 执 行 部 件 图 测量控制单元原理图 The principle diagram of the measurement control unit 数据采集单元主要采集信息有：电压、频率、相位、温度、压力、液位、转速和功率等，及时反映控制对象的状态，发出必要的调节指令，以满足控制要求。 上位的工业控制机可以实现控制、显示、记录和打印的功能。 山东交通学院毕业设计 (论文 ) 13 3 集散式船舶电站管理系统的功能流程 本文首先把集散式船舶电站管理系统的功能划分为不同的模块，并把它们作为子程序，设计实现这些子程序的流程图，然后，主程序将这些子程序有机结合，来完成对电站的自动化管理。 设计的各主要模块有：自动起动模块、并车运行模块、调频调载模块、重载询问模块、自动解列模块和自动停机模块。 系统主程序的工作原理：自动巡回检测电站的主要参数和工作状态，针对不同的参数和状态做出逻辑分析和综合计算，判断当前需要完成哪些工作，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巡回检测，整个系统就 如此反复地运行。 机组的自动起动模块及流程图 要起动发电机机组的情况有：电站储备功率不足需要增加机组时、运行机组故障需要换机时、或者电网失去电时。 对自动化系统的电站就会自动发出起动指令。 当系统检测到电站储备功率不够时，就会产生增机指令，与此同时需起动机组起动的逻辑条件也应被检测，只有起动的逻辑条件满足，才发出起动指令。 当检测到机、电故障时，根据故障的级别进行处理，若是严重故障，先停故障机，在起动备用机；若是较严重故障，先起动备用机组，并网后解列故障机。 在自动起动过程中，还必须对机组是否成功起动进行 检测，若不是三次起动，在一定时间间隔后，重新起动；若机组起动三次仍不成功，则向上位机报告，联系另一台 PLC，起动其相应的机组。 同时，发出“起动失败”的声光报警。 下图为具有三次起动功能的起动流程 ： 基于 PLC 的船舶电站自动化系统方案设计与实现 14 起 起 起 起起 起 起 起起 起 起起 起 起 起T 起 起 起起 起 起T 起 起 起起 起 起 起起 起 起起 起 起起 起 起 起起 起 起 起 起起起 起 起 起起 起 起 起起起起起起 起起 起 起 起起起起起起起起起起起 图 发电机组起动程序流程图 Generator set start program flow chart 在起动备用机组用完的情况下，发出“备用机组用完”的指示报警。 机组起动成功后，在一定时。