楊劍簫

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海 200135)

0 引言

船舶上有許多工作和生活設(shè)備需要用電,所以需要設(shè)置電站。船舶電力系統(tǒng)具有以下特點:船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組是柴油發(fā)電機(jī)組,系統(tǒng)用電負(fù)載的種類比較多。電力系統(tǒng)的動態(tài)變化范圍比較大,系統(tǒng)的動態(tài)過程變化頻繁[1]。實現(xiàn)船舶電站的實時監(jiān)控,除了用電設(shè)備可以得到高質(zhì)量的電能之外,還可以保證船舶電站供電的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性,提高船舶的生命力和可靠性[2]。

1 船舶電站監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

隨著船舶自動化程度的不斷提高,電站自動化也必然由局部的、就地的控制發(fā)展到綜合的、集中的控制,并成為機(jī)艙自動化以至船舶自動化的重要組成部分[3]。本文基于 PLC和以太網(wǎng)通信的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)由下位機(jī)控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成,兩個子系統(tǒng)是既互相獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)的。

下位機(jī)控制系統(tǒng):由1臺M340PLC和3臺PPU (protection and paralleling Unit)共同構(gòu)成,來完成對3臺發(fā)電機(jī)組的控制與監(jiān)控任務(wù)。系統(tǒng)能夠進(jìn)行發(fā)電機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下的預(yù)潤滑,發(fā)電機(jī)組自動起動、并車,并聯(lián)運(yùn)行中功率的自動分配、轉(zhuǎn)移與電網(wǎng)頻率的自動調(diào)整,發(fā)電機(jī)組自動、故障狀態(tài)下解列、停機(jī)控制等各項控制功能。系統(tǒng)還具有自動處理功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,控制系統(tǒng)可自動地使處于備用狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組立即起動,自動準(zhǔn)同步投入電網(wǎng)運(yùn)行;并網(wǎng)成功后,發(fā)生故障的機(jī)組將負(fù)荷降低至不大于額定功率的20%時,自動脫離電網(wǎng)。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng):能夠進(jìn)行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視,運(yùn)行中系統(tǒng)給定參數(shù)的監(jiān)視與修改。其主要任務(wù)包括:自動地實時監(jiān)測電站各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài),這些設(shè)備包括機(jī)組原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)、電氣參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài),監(jiān)測量有模擬量,也有開關(guān)量。同時還要對監(jiān)測結(jié)果記錄。

2 數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的控制器使用的是施耐德電氣中小型可編程控制器——M340PLC。該P(yáng)LC具有處理器性能高、存儲容量大、維護(hù)便捷等優(yōu)點,最重要的是提供的Web服務(wù)功能為數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)布提供了途徑。M340提供標(biāo)準(zhǔn)的可供用戶隨時訪問的網(wǎng)頁,可以進(jìn)行系統(tǒng)診斷和圓形數(shù)據(jù)監(jiān)視。遠(yuǎn)程服務(wù)功能由CPU模塊和通訊模塊提供。BMX NOE 0110通訊模塊如圖1所示。

圖1 BMX NOE 0110通訊模塊

圖1中:①為LED顯示:在每個Modicon M340模塊或處理器的前面板上都有多個 LED,通過它們可以對PLC狀態(tài)進(jìn)行快速診斷。這些LED提供了PLC工作情況、存儲卡、與模塊的通訊、串行通訊、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊的狀態(tài)。

②為USB端口:可以方便高效的與編程PC進(jìn)行連接。

③為以太網(wǎng)端口:模塊的10/100 BASE-T接口是標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器。

④為復(fù)位按鈕:按此按鈕可以冷啟動模塊(復(fù)位后,網(wǎng)絡(luò)會將該設(shè)備識別為新設(shè)備)。

2.2 軟件實現(xiàn)

船舶電站信息監(jiān)視網(wǎng)站的地址設(shè)置、數(shù)據(jù)配置、變量監(jiān)視由施耐德電氣提供的FactoryCast組件實現(xiàn)。FactoryCast組件是一個軟件包,用于自定義“嵌入式Web服務(wù)器”模塊上的網(wǎng)站。該站點可以通過瀏覽器進(jìn)行訪問,以便查看和修改 M 340中的數(shù)據(jù)。FactoryCast提供了查看控制器中運(yùn)行時數(shù)據(jù)所需的全部網(wǎng)頁和Java小程序。通過配置模塊并使用內(nèi)部網(wǎng)瀏覽器進(jìn)行訪問FactoryCast缺省網(wǎng)站。

FactoryCast組件包括:

①FactoryCast服務(wù)器:由嵌入Modicon M340以太網(wǎng)選項模塊的HTTP和FTP服務(wù)器組成。這些服務(wù)器都包含一組缺省的診斷網(wǎng)頁和Java小程序。

②Unity Pro:對控制編程。

③Web Designer for Modicon M340。④Web瀏覽器:察看網(wǎng)絡(luò)。

3 使用Web Designer編輯監(jiān)視網(wǎng)頁

3.1 W eb Designer功能介紹

Web Designer是施耐德電氣提供的一款用來編輯、配置M340 PLC通訊模塊內(nèi)嵌網(wǎng)頁的軟件?？梢杂脕砼渲镁W(wǎng)站,下載數(shù)據(jù)并維護(hù)服務(wù)器上的站點;還可以用它創(chuàng)建啟用Web的變量(符號)和直接地址的數(shù)據(jù)庫,這些內(nèi)容可在運(yùn)行時通過Web進(jìn)行查看和修改。Web Designer的另一個功能是提供常規(guī)FTP功能,可以將自定義網(wǎng)頁加載到FactoryCast模塊,設(shè)置安全性,包括密碼和讀/寫保護(hù),將自己的網(wǎng)頁、圖像和Java小程序添加到站點下載文件以及將文件上傳到嵌入式服務(wù)器。該配置工具允許用戶使用Unity Pro數(shù)據(jù)庫中的符號(變量)和直接地址來創(chuàng)建啟用Web的數(shù)據(jù)庫。可以使用此啟用Web的數(shù)據(jù)庫,在控制器運(yùn)行時查看和修改符號(變量)和直接地址的值[4]。Web Designer可以備份文件、還原文件,并在必要時將文件重刷到嵌入式服務(wù)器。

3.2 編輯站點

啟動Web Designer,點擊“新建”項目,選擇通訊模塊添加到目標(biāo)中;編輯目標(biāo)的名稱和地址(使用Unity Pro分配IP地址);點擊“下一步”,添加M340設(shè)備,點擊“完成”。

使用數(shù)據(jù)編輯器創(chuàng)建數(shù)據(jù)監(jiān)控表:

數(shù)據(jù)編輯器可以編輯/創(chuàng)建數(shù)據(jù)監(jiān)控表或顯示數(shù)據(jù)表。通過數(shù)據(jù)表可以對應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和設(shè)備寄存器進(jìn)行讀/寫訪問。寫訪問受密碼保護(hù)。數(shù)據(jù)編輯器界面如圖 2所示。

圖2 數(shù)據(jù)編輯器

圖2中:①為工具欄。按從左到右順序,各按鈕分別表示:創(chuàng)建新對象;保存當(dāng)前應(yīng)用程序;復(fù)制對象;粘貼對象;刪除對象;更改密碼;啟動或停止動態(tài)顯示。

②為數(shù)據(jù)編輯器模板。顯示數(shù)據(jù)的符號,地址,數(shù)據(jù)類型,值,格式及狀態(tài)。

③為所有數(shù)據(jù)模板的列表。

④為配置區(qū)。能夠選擇/修改符號;修改符號值;選擇/修改地址;選擇變量類型;選擇變量的顯示格式;選中只讀選項。

參照PLC程序,把每一個需要監(jiān)視的數(shù)據(jù)的符號、地址、類型及格式四個屬性逐一添加到數(shù)據(jù)監(jiān)控表中。數(shù)據(jù)監(jiān)視表的編輯在瀏覽器中的顯示效果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)視表在瀏覽器中的顯示效果

使用圖形編輯器創(chuàng)建圖形界面:

圖形編輯器是一個Java小程序,它可讓用戶使用一組預(yù)先定義的圖形對象,通過Web瀏覽器創(chuàng)建動態(tài)的圖形顯示。圖形編輯器用作一個創(chuàng)建和修改顯示的編輯器。圖形查看器是用來查看顯示運(yùn)行時的環(huán)境,并且可以動態(tài)地呈現(xiàn)來自PLC的運(yùn)行數(shù)據(jù)。此查看器比編輯器輕便,因而加載時間更短,操作速度更快。Web Designer提供了標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展兩套模板:標(biāo)準(zhǔn)模板提供了水平/垂直指示器、水平/垂直滑動模塊、水平/垂直選擇器等控件;擴(kuò)展模板提供了條形圖、位圖、圖形鏈接、指示燈等控件。由于控件數(shù)量較多,本文只詳細(xì)介紹本系統(tǒng)所使用的控件編輯方法。

配置模擬測量計:雙擊該控件,打開屬性編輯對話框。地址選項填入要監(jiān)控的直接地址或符號(變量)的地址(電流值地址);數(shù)據(jù)類型選擇直接地址或符號(變量)的數(shù)據(jù)類型(整形);選擇背景顏色(白色);選擇圖形對象中顯示的標(biāo)簽(A);選擇標(biāo)簽的顏色及字體(黑色);選擇主/次標(biāo)度區(qū)分度(6, 30);標(biāo)度的顏色及字體(黑色);標(biāo)度精度(0);最大/小值(300/0)。

配置數(shù)字顯示器:選擇與上面相同的地址,選擇顯示精度(0.01)。這樣,使用模擬測量計與數(shù)字顯示器組合顯示的方法就實現(xiàn)了電流表顯示功能,如圖 4所示。使用同樣的方法配置功率因數(shù)表,頻率表以及電壓表。

圖4 電流表

配置指示燈及旋鈕:雙擊控件,打開屬性編輯對話框。地址選項填入要監(jiān)控的直接地址或符號(變量)的地址(電流值地址);數(shù)據(jù)類型選擇直接地址或符號(變量)的數(shù)據(jù)類型(布爾形);選擇背景顏色(白色);選擇圖形對象中顯示的標(biāo)簽(CB CLOSE);選擇標(biāo)簽的顏色及字體(黑色);選擇監(jiān)視地址值為“0”時按鈕狀態(tài);選擇監(jiān)視地址值為“1”時按鈕狀態(tài);默認(rèn)狀態(tài)下值(0),如圖5所示。

配置趨勢記錄器:雙擊該控件,打開屬性編輯對話框。地址選項填入要顯示的直接地址或符號(變量)的地址(電流值地址);數(shù)據(jù)類型中選擇直接地址或符號(變量)的數(shù)據(jù)類型(整形);選擇背景顏色(白色);選擇圖形對象中顯示的標(biāo)簽(A);選擇標(biāo)簽的顏色及字體(黑色);選擇主/次標(biāo)度區(qū)分度(5, 25);標(biāo)度的顏色及字體(黑色);圖標(biāo)更新時間(0.5 s);標(biāo)度精度(0);最大/小值(500/0)。

圖5 按鈕及旋鈕顯示效果

各個基本圖形對象編輯好后,使用布局控件對界面進(jìn)行布置。按照上面的方法分別編輯好 1、2、3號發(fā)電機(jī)組監(jiān)視屏、同步并車屏以及 1、2、3號發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況記錄屏共計 7個監(jiān)視界面。數(shù)據(jù)監(jiān)控表和圖形界面編輯好后將項目保存。選擇目標(biāo),傳輸選項,找到通訊模塊地址,將項目上傳到模塊中。在瀏覽器中輸入通訊模塊地址進(jìn)入缺省界面。

選擇需要監(jiān)視的界面,如需要對 2號發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視,選擇GEN2進(jìn)入界面,如圖6所示。

圖6 2號發(fā)電機(jī)組監(jiān)視界面

并車屏及 2號發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)記錄監(jiān)視界面分別如圖 7,圖 8所示。

4 結(jié)語

該方法已在上海海事大學(xué)——施耐德電氣聯(lián)合實驗室的船舶電站試驗平臺得到驗證,信息傳輸快速、準(zhǔn)確,能夠?qū)崟r監(jiān)視電站的運(yùn)行狀態(tài)。通過上位機(jī)組態(tài)軟件還可將 PLC運(yùn)行數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)出。這些歷史數(shù)據(jù)作為樣本保存,為故障預(yù)測研究提供了基礎(chǔ)。

圖7 并車屏狀態(tài)監(jiān)視界面

圖8 2號發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)記錄器界面

船舶電站隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展,自動化電站控制與計算機(jī)技術(shù)密不可分,船舶電站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是船舶電站自動化必不可少的組成部分[5]。隨著Internet技術(shù)的普及,信息共享的程度越來越高,將船舶電站運(yùn)行的相關(guān)信息傳送到Internet上實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測是非常有意義的。

[1] 施偉鋒,陳子順.船舶電力系統(tǒng)建模[J].中國航海,2004,60 (3):64-69.

[2] 王煥文.艦船電力系統(tǒng)及自動裝置[M].北京:科學(xué)出版社, 2004.

[3] 杜曉滔.基于PLC和串行通信的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[4] 沈愛弟,高迪駒,褚建新.船舶變頻傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)研究[J].上海海事大學(xué)學(xué)報,2008,29(1):58-61.

[5]李艷杰.基于TCP/IP協(xié)議的船舶電站遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2008.