王定章，文蘭平，許曉暉

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船舶電力推進變頻器監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究

王定章，文蘭平，許曉暉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

電力推進系統(tǒng)是船舶動力的一種重要類型。變頻器作為電力推進系統(tǒng)的關鍵設備，其監(jiān)視、控制系統(tǒng)的設計值得我們深入的研究。本文探討了船舶電力推進變頻器監(jiān)控系統(tǒng)設計方案、功能、需求、硬件、軟件等實現(xiàn)方法。

變頻器、監(jiān)控、軟件

0 引言

目前，船舶電力推進的應用領域日益擴大，與其組成的控制系統(tǒng)的自動化程度也日益提高，運行以及使用條件更加復雜。變頻器作為電力推進系統(tǒng)的核心設備，要求實現(xiàn)對其自身及與其有接口的設備進行監(jiān)視、控制。而隨著自動化設備、通訊網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，以以太網(wǎng)、CAN為基礎發(fā)展出了相當多的通信方法，現(xiàn)在大多數(shù)設備都可以與計算機連接傳輸數(shù)據(jù)，在實時控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)中，通過CAN實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)各設備間的數(shù)據(jù)傳遞是主要的通信手段。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設計思路

1）監(jiān)控系統(tǒng)各個組成部分采取模塊化設計；

2）監(jiān)控系統(tǒng)各個功能分工明確；

3）監(jiān)控系統(tǒng)可擴展性強。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

1.2.1監(jiān)控系統(tǒng)功能

船舶電力推進變頻器監(jiān)控系統(tǒng)，主要對變頻器自身部件的電壓、電流、溫度、壓力、流量、開關狀態(tài)及故障報警信息進行采集、分析及顯示，并對與變頻器工作相關的設備（開關柜、變壓器、風機、電機等）狀態(tài)進行實時的監(jiān)視，結(jié)合現(xiàn)地或遠程的控制指令進行一系列安全有效的邏輯控制。

1.2.2網(wǎng)絡拓撲

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

1.2.3各部件實現(xiàn)功能

控制機箱主要由ARM和DSP組成，DSP主要完成根據(jù)接收到的給定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率，選擇相應的控制模式，采集實際轉(zhuǎn)速、輸出電流、直流母線電壓，完成電機控制算法和調(diào)制策略，輸出多相逆變橋臂的PWM，實現(xiàn)電機調(diào)速等控制功能；完成變頻器過壓、過流、直通等各種軟硬件保護；傳送變頻器運行參數(shù)（電壓,電流，實際轉(zhuǎn)速，功率，功率因數(shù)等）與故障信息到ARM中；通過CAN通訊和同步光纖可與其它DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。ARM主要完成變頻器內(nèi)部數(shù)據(jù)的收集，接收來自DSP的運行參數(shù)和故障報警信息，接收來自底層溫度監(jiān)控單元的溫度信息及溫度報警信息，接收來自制動柜單元的溫度、I/O量信息及報警信息，并將該信息綜合后發(fā)送到主PLC邏輯控制器；接收來自主PLC邏輯控制器的控制指令、設置參數(shù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給DSP；與PC調(diào)試工具采用以太網(wǎng)連接，發(fā)送實驗數(shù)據(jù)以便實驗記錄和分析。

主PLC邏輯控制器主要完成變頻器對外接口擴展，采集外部數(shù)字量、模擬量、溫度等信號，完成邏輯處理、保護及信號輸出；與OP或集控臺通訊，接收集控臺或OP面板控制指令、設置參數(shù)并轉(zhuǎn)發(fā)給ARM，接收來自ARM的變頻器運行參數(shù)和故障報警信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給界面或集控臺顯示。完成控制電源UPS的監(jiān)控與管理；與水冷柜控制器通訊，實現(xiàn)水冷柜的操作、參數(shù)設置及保護。

水冷柜控制器主要完成水冷柜二次配電處理、保護、水冷柜流量、壓力、溫度、電導率等信號采集、處理。

制動柜控制器主要完成直流母線電壓采樣、直流單元能量制動、變頻器放電、制動功率模塊內(nèi)溫度信號的采集、處理、保護。

底層溫度監(jiān)控單元主要完成變頻器柜內(nèi)溫度信號、IO信號采集、處理及保護。

遠程監(jiān)控臺主要完成遠程操作的控制、變頻器參數(shù)上傳、顯示與設置下載、運行信息監(jiān)視與報警故障定位。

OP操作面板主要完成就地操作的控制、變頻器參數(shù)上傳、顯示與設置下載、運行信息監(jiān)控與報警故障定位。

數(shù)據(jù)采集與分析臺與ARM板采用以太網(wǎng)連接，通過PC機觀測各變量，狀態(tài)信息及報警故障監(jiān)控；動態(tài)參數(shù)的跟蹤記錄，采集波形時間間隔設置，波形圖像保存與調(diào)用。

2 監(jiān)控系統(tǒng)需求

2.1 硬件需求

1）變頻控制器機箱：包括電源板組件、CPU板組件、FPGA板組件、調(diào)理板組件、I/O板組件、光纖板組件、AD板組件、DA板組件、驅(qū)動電源反饋光纖板組成；

變頻控制器包括組件驅(qū)動器，位置板、晶閘管驅(qū)動板，制動電源板等。變頻控制器負責整個控制系統(tǒng)的采樣，運算以及通信。組件驅(qū)動器安裝在功率組件內(nèi)部，負責驅(qū)動信號隔離放大，采樣信號調(diào)理。位置板負責采集永磁同步電機的位置和速度信號。晶閘管驅(qū)動板負責對預充電晶閘管進行控制。制動電源板負責為制動驅(qū)動板提供電源。

變頻控制器是為運動控制、測量等應用場合設計、開發(fā)的基于32位定點DSP的數(shù)字控制器，具有良好的擴展性?？刂破鞑捎?U標準控制機箱，由CPU板組件、FPGA擴展板組件、調(diào)理板組件、IO板組件、光纖板組件、光纖擴展板組件和電源組件組成。控制器組成如圖2所示：

圖2中，電源組件將外部輸入的+24 VDC經(jīng)DC/DC變換為各電路板所需的+15 VDC、-15 VDC、+5 VDC電源。擴展組件中，CPU板是控制硬件的核心部分，由DSP（TMS320F2812）、CPLD以及一些外圍擴展電路組成。可實現(xiàn)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等復雜的控制算法運算、生成PWM信號、信號采集、系統(tǒng)保護、通信等功能。信號調(diào)理板完成電壓、電流信號的檢測、故障判斷及報警功能，將調(diào)理后的數(shù)據(jù)送至CPU板的外部ADC進行采樣，并通過SPI總線將故障信息傳送至CPU板。IO板通過SPI總線與CPU板連接，完成開關量狀態(tài)的檢測及輸出斷路器的控制，同時實現(xiàn)增量式編碼器的轉(zhuǎn)速測量。光纖驅(qū)動板主要實現(xiàn)PWM驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、IGBT反饋信號的檢測與判斷等功能。FPGA擴展板完成驅(qū)動信號擴展以及與SSI型絕對式編碼器的數(shù)據(jù)交互，光纖擴展組件完成FPGA擴展板驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、IGBT反饋信號的檢測與判斷等功能。

組件驅(qū)動器由模擬信號調(diào)理及檢測電路、故障信號管理、電源變換及監(jiān)控電路、驅(qū)動電路、光電轉(zhuǎn)換電路組成。功能框圖如圖3。

2）底層控制器；

3）可編程邏輯控制器（PLC）：包括CPU、CAN通訊模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、DI采集模塊、DO采集模塊、AI采集模塊、AO采集模塊；

4）OP操作面板。

2.2 軟件需求

軟件需求包括底層軟件需求和上位軟件需求。1）底層軟件需求包括：軟件控制功能需求、控制性能需求、保護功能需求和接口需求。2）上位軟件需求包括：PLC控制軟件和OP操作面板軟件，其接口包括變頻器與系統(tǒng)設備、水冷柜、控制電源、控制機箱、變頻器柜門接口需求和PLC與底層軟件通訊協(xié)議。

2.2.1控制功能需求

1）制動功能

在變頻器就緒或運行狀態(tài)中，實時檢測總直流母線電壓高于設定值時，啟動制動單元，檢測總直流母線電壓低于設定值時，關閉制動單元。

2）直流母線電壓放電功能

在變頻器待機或故障狀態(tài)中，當主推進開關分斷完成后，啟動制動單元對直流母線電壓進行放電，當檢測總直流母線電壓低于50 V時，放電完成，關閉制動單元。

3）直流母線中點電位平衡調(diào)節(jié)功能

在變頻器運行狀態(tài)下，實時調(diào)節(jié)正、負直流母線電壓，要求正、負直流母線電壓偏差在5%以內(nèi)（實際總直流母線電壓為基準值）。

4）諧波電流抑制功能

根據(jù)系統(tǒng)或用戶要求，控制系統(tǒng)需將3次諧波電流控制在1.5%內(nèi)，5次諧波電流控制在1%內(nèi)，7次諧波電流控制在0.8%內(nèi)（基波額定值為基準值）。

5）無轉(zhuǎn)速傳感器運行功能

變頻器啟動或非低速（10%額定轉(zhuǎn)速以上）運行中，控制系統(tǒng)可實時檢測出轉(zhuǎn)速傳感器狀態(tài)，若轉(zhuǎn)速傳感器損壞，可在線切換到無轉(zhuǎn)速傳感器運行，并提示轉(zhuǎn)速丟失報警，要求切換過程中，轉(zhuǎn)速波動小于2%（額定轉(zhuǎn)速為基準值）。

6）帶速啟動功能

在速度傳感器檢測正常的情況下可正常實現(xiàn)帶速啟動、無故障。

7）功率控制、轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制功能

根據(jù)系統(tǒng)或用戶需求，操作人員可在操作器或遠程控制臺上選擇轉(zhuǎn)速模式、功率模式、轉(zhuǎn)矩模式中一種控制模式正常運行。要求轉(zhuǎn)速控制模式能在4～110%（額定轉(zhuǎn)速為基準值）正常運行，功率控制模式能在5～110%（額定功率為基準值）正常運行，轉(zhuǎn)矩控制模式能在5～110%（額定轉(zhuǎn)矩為基準值）正常運行。

8）功率限制、轉(zhuǎn)速限制、轉(zhuǎn)矩限制功能

根據(jù)系統(tǒng)或用戶需求，操作人員可在操作器或遠程控制臺上實時修改功率限制值、轉(zhuǎn)速限制值、轉(zhuǎn)矩限制值。若電機飛車、負載堵轉(zhuǎn)、電網(wǎng)可用功率突降時，控制系統(tǒng)可將進入轉(zhuǎn)速限制、功率限制、轉(zhuǎn)矩限制，保護設備安全，要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量在5%以內(nèi)（轉(zhuǎn)速限制值為基準值），功率超調(diào)量在8%以內(nèi)（功率限制值為基準值），轉(zhuǎn)矩超調(diào)量在8%以內(nèi)（轉(zhuǎn)矩限制值為基準值）。

9）弱磁控制功能

當異步電機超速運行時，采用弱磁控制，保證變頻器輸出電壓不變，電機可超速1.3倍運行。

2.2.2控制性能需求

1）有速度傳感器輸出頻率范圍為： 1～55 Hz連續(xù)可調(diào)；

2）無速度傳感器輸出頻率范圍為： 5～55 Hz連續(xù)可調(diào)；

3）有速度傳感器速度控制穩(wěn)態(tài)速度誤差為： ≤ 0.4%；

4）無速度傳感器速度控制穩(wěn)態(tài)速度誤差為： ≤ 1%；

5）有速度傳感器功率控制穩(wěn)態(tài)速度誤差為： ≤ 1%；

6）無速度傳感器功率控制穩(wěn)態(tài)速度誤差為： ≤ 2%；

7）有速度傳感器轉(zhuǎn)矩控制穩(wěn)態(tài)速度誤差為： ≤ 1%；

8）無速度傳感器轉(zhuǎn)矩控制穩(wěn)態(tài)速度誤差為： ≤ 2%；

9）轉(zhuǎn)速升、降速時間（0~額定或額定~0）為： 1~200s可調(diào)；

10）功率升、降速時間（0~額定或額定~0）為： 1～200 s可調(diào)；

11）轉(zhuǎn)矩升、降速時間（0~額定或額定~0）為： 0.1～20 s可調(diào)；

12）突加、突減負載（0~額定或額定~0,時間大于100 ms）轉(zhuǎn)速超調(diào)量為： ≤ 7%；

2.2.3保護功能需求

為了保證變頻器安全、可靠運行，要求具備過流、過壓、過溫、過載、超速等報警、故障、硬件故障的三級保護功能。

2.2.4接口需求

底層軟件接口：底層軟件接口主要為控制機箱、底層管理模塊與變頻器接口、與PLC接口、與ARM接口。上位軟件接口：上位軟件包括PLC邏輯控制軟件和OP操作器軟件，其接口包括PLC與系統(tǒng)、水冷柜、控制電源、控制機箱、變頻器柜門接口需求和PLC與底層軟件通訊協(xié)議。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

3.1 軟件結(jié)構

3.1.1監(jiān)控系統(tǒng)PLC軟件結(jié)構

PLC軟件主要完成遠程或現(xiàn)地指令的接收和轉(zhuǎn)發(fā)并進行相應的控制、參數(shù)的讀取和下載、數(shù)據(jù)信息（變頻器、變壓器、電機等）的采集等。監(jiān)控系統(tǒng)PLC軟件結(jié)構如圖4所示。

3.1.2監(jiān)控系控制器軟件結(jié)構

推進變頻器軟件主要為DSP控制單元軟件。DSP控制單元軟件主要完成控制指令的接收，控制對象（永磁同步電機）參數(shù)以及控制軟件的調(diào)節(jié)參數(shù)的接收及預充電操作，根據(jù)接收到的給定轉(zhuǎn)速采樣實際轉(zhuǎn)速與輸出電流，經(jīng)過永磁同步電機矢量控制，實現(xiàn)兩個三相H橋的PWM輸出，達到對電機轉(zhuǎn)速的精確控制；并傳送變頻器的運行參數(shù)（電壓,電流，實際轉(zhuǎn)速等）與變頻器發(fā)生故障時的故障信息到主配電屏，同時在變頻器故障時實行分級保護策略。軟件結(jié)構如圖5所示。

3.2 邏輯流程

3.2.1變頻器監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)標志

變頻器監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)（SystemState）分為：上電、停機、待機、運行和故障。各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關系及對應標志如圖5中所示。

3.2.2自檢邏輯功能

上電或復位時，系統(tǒng)檢查所監(jiān)控的各個設備狀態(tài)是否處于初始狀態(tài)。

3.2.3進入待機邏輯功能

控制變頻器外部設備（充電充磁開關、主斷路器、風機等），使之滿足變頻器運行條件，并改變變頻器系統(tǒng)狀態(tài)，使變頻器處于隨時可以發(fā)送脈沖狀態(tài)。

3.2.4運行邏輯功能

使變頻器處于發(fā)送脈沖狀態(tài)。

3.2.5停機邏輯功能

使變頻器停止發(fā)送脈沖，返回隨時可以發(fā)送脈沖狀態(tài)。

3.2.6退出待機邏輯功能

控制變頻器外部設備（充電充磁開關、主斷路器、風機等），使之返回初始狀態(tài)，并改變變頻器監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，使變頻器也處于初始狀態(tài)。

3.2.7故障處理邏輯功能

變頻器處于故障狀態(tài)時，控制變頻器外部設備，使之返回初始狀態(tài)。

3.2.8實時監(jiān)控邏輯功能

4 結(jié)束語

我國電力推進船舶的發(fā)展較國外發(fā)達國家滯后很多年，早在上個世紀末發(fā)達國家均在推廣采用全電力系統(tǒng)船舶。變頻器作為船舶電力推進的關鍵設備，監(jiān)控系統(tǒng)則是其靈魂所在，它主宰了變頻器的功能、性能、操作、通用性等。更好的研究變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，有利于我國在電力推進船舶的發(fā)展上，快速的趕超發(fā)達國家。

[1] 楊曉麗，沈愛弟，俞宏生. 現(xiàn)代交流調(diào)速技術在船舶電力推進中的應用. 大連海事大學報, 2004,30(3).

[2] 虞謙. 交流變頻器應用中的一些體會. 節(jié)能環(huán)保與發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，2006.

[3] 方萌，吳斐文，史濤. 中國發(fā)展電力推進系統(tǒng)的途徑. 船舶，2002.

Research on Monitoring and Controlling System of Propulsion Inverter for Ships

Wang Dingzhang，Wen Lanping，Xu Xiaohui

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2014）09-0007-05

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

王定章（1982-），男，工學學士，工程師。研究方向：自動化控制。