劉亞雷，顧曉輝，胡旭東

(1.中國人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院艦艇指揮系，寧波 315801; 2.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

隨著中國海洋戰(zhàn)略及“一帶一路”的提出，海警部隊(duì)迅速發(fā)展，海警艦艇噸位由幾百噸發(fā)展到千噸級、萬噸級。艦艇的電氣系統(tǒng)是一個(gè)大型的電站發(fā)電和電能傳輸系統(tǒng)[1-3]。某型海警艦艇電站由原動機(jī)、發(fā)電機(jī)和附屬設(shè)備(組合成發(fā)電機(jī)組)及配電板組成，為全艦提供電能，是艦艇電力系統(tǒng)的供電樞紐，艦艇供電的最主要環(huán)節(jié)。此艦利用柴油機(jī)作為原動機(jī)，配電板由各種開關(guān)、保護(hù)電器、測量儀表、調(diào)節(jié)和信號裝置等電器設(shè)備按一定要求組合而成，實(shí)現(xiàn)電能的接收及分配。電站具有自動監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動起動、投網(wǎng)、調(diào)頻調(diào)載、自動準(zhǔn)同期并車、投切負(fù)載、重載詢問、負(fù)載轉(zhuǎn)移、自動停機(jī)和運(yùn)行參數(shù)的控制、顯示及故障監(jiān)視等功能。隨著艦艇運(yùn)行工況的不同，電站提供的電力負(fù)荷發(fā)生變化，如在靠岸工況下，電力負(fù)荷為430 kW，而在巡航工況下，可達(dá)到1 300 kW。因此，如何可靠、穩(wěn)定保障艦艇在不同工況下電力負(fù)荷的分配，有效地實(shí)現(xiàn)電站的監(jiān)測使用，是保證艦艇安全航行、完成海警部隊(duì)維權(quán)執(zhí)法等各項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[4]針對電站直流并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的升壓比較低、各光伏單元輸出變化時(shí)復(fù)雜的功率控制和電壓平衡問題，提出了一種基于磁集成變壓器的電站直流并網(wǎng)拓?fù)浞桨福⒘讼到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)下進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[5]針對當(dāng)前電站自動功率控制算法沒有針對不同用電量進(jìn)行相應(yīng)的功率控制，導(dǎo)致功率控制效果不佳，穩(wěn)定性較差的問題，提出了一種新的不同電站自動功率控制算法，給出了大型光伏電站功率分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的控制效果。上述研究成果從不同角度研究了電站并網(wǎng)過沖的升壓及功率轉(zhuǎn)換問題，從理論上給出了相應(yīng)的解決方案，但是針對電站并車過程中的電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、報(bào)警、并列監(jiān)測等問題涉及甚少。此外，雖然艦艇電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)存在著多種方式并行的局面，但具體到其內(nèi)部的控制器應(yīng)用，卻不外乎單片機(jī)、可編程邏輯控制器(programmable logic controlle，PLC)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(data communication system，DCS)、工控機(jī)等幾大類[6-7]。相較于這幾類控制器，可編程邏輯控制器(PLC)是比較受人矚目的[8-10]。由于PLC接線十分簡單，方便安裝，容易編程，有較短的開發(fā)周期而且學(xué)起來十分簡單，再加上PLC的抗干擾能力強(qiáng)的同時(shí)帶來的可靠性，因此很少出現(xiàn)故障，維護(hù)起來比較簡單。值得一提的是PLC有較強(qiáng)的防潮、抗震、耐熱等能力，對于艦艇上的嚴(yán)酷工作環(huán)境給予了巨大的幫助。

現(xiàn)以某型海警艦艇電站為研究對象，針對在不同艦艇航行工況下電站電力參數(shù)(電壓、電流、功率、頻率等)穩(wěn)定性問題開展研究，以PLC為控制核心，結(jié)合模擬量輸入、電力模擬量傳感器及上位機(jī)人機(jī)界面等模塊，開展了基于PLC的某型海警艦艇電站自動化設(shè)計(jì)的研究，特別針對電站并網(wǎng)檢測、柴油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測、電網(wǎng)報(bào)警方面進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，完善該型艦艇電站自動化的硬件及軟件設(shè)計(jì)，提升該型艦艇的自動化與智能化水平，保證艦艇航行的安全性與可靠性，以期為該型艦艇電站自動化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)提供技術(shù)借鑒。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用 S7-200 PLC作為系統(tǒng)的控制器，結(jié)合TPC人機(jī)界面完成對艦艇電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上討論，該系統(tǒng)隸屬集散式監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集通過模擬量傳感器來完成。此外由于系統(tǒng)使用了人機(jī)界面，因此，在一定程度上也算是部分引入了現(xiàn)場總線技術(shù)，具體設(shè)計(jì)應(yīng)用了1套人機(jī)界面對2套發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)要求監(jiān)測的參數(shù)主要有電網(wǎng)參數(shù)、柴油機(jī)參數(shù)、發(fā)電機(jī)參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)需要控制的參數(shù)主要有柴油機(jī)速度、起/停車執(zhí)行、并/脫網(wǎng)執(zhí)行。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過以上分析，故決定本系統(tǒng)選用西門子S7系列的PLC CPU 226，并結(jié)合4個(gè)4通道模擬量輸入模塊(EM231)作為本次設(shè)計(jì)的控制核心。CPU S7-226主機(jī)具有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，2個(gè)RS485通信口。另外CPU 226主機(jī)還內(nèi)置6路高速計(jì)數(shù)輸入，2個(gè)100 kHz的高速脈沖輸出端口。該設(shè)備具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，擁有較多接口和內(nèi)置部件。同時(shí)系統(tǒng)自帶較多內(nèi)置功能。這些都使得該設(shè)備具有較為明顯的優(yōu)勢，性能好、處理效率高，是該系列產(chǎn)品中配置最高的一種機(jī)型，所以S7-226 PLC完全能夠滿足本系統(tǒng)的功能和I/O需求。匯總以上各項(xiàng)I/O需求便得到系統(tǒng)的I/O總需求，即輸入數(shù)字3點(diǎn)，輸出數(shù)字10點(diǎn)，模擬量輸入14點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)I/O分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O分配

1.3 控制系統(tǒng)電氣原理圖

在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般要通過電氣原理圖來描述各個(gè)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及連接方式，這種方式有助于明確整個(gè)電氣線路的結(jié)構(gòu)，降低電路中可能存在的故障問題。電氣原理圖總體劃分為控制電路、主電路、配電電路等部分。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求以及各種元件的使用手冊繪制電氣原理圖，如圖2～圖4所示。

圖2所示為系統(tǒng)電氣連接主電路圖，N為中線，A、B、C、L1、L2、L3為三相電網(wǎng)首尾端，T1～T4尾電感線圈，T5為變壓器。此電路圖實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)電源與電站配電站之間的電力傳輸，包含該型艦艇的主動力電源輸配送(AC380V)、照明等供電輸配送(AC220V)、控制電路輸配送(DC24V)。

圖2 電氣原理圖-主電路

圖3所示為控制系統(tǒng)PLC數(shù)字量控制電路圖，該部分主要用于控制的運(yùn)行操作，如啟動、停止、復(fù)位等，此外還包含了系統(tǒng)控制輸出(柴油機(jī)速度、柴油機(jī)運(yùn)行控制、并網(wǎng)控制)及系統(tǒng)狀態(tài)指示(運(yùn)行狀態(tài)、聲光報(bào)警)。

圖3 PLC數(shù)字量控制電路

圖4所示為PLC模擬量控制電路。該圖設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)采集，主要包含電網(wǎng)數(shù)據(jù)(如電網(wǎng)中的電流、電壓、功率和頻率)、柴油機(jī)的數(shù)據(jù)(如潤滑壓力、氣瓶壓力、冷卻溫度、排煙溫度)、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)(如發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率、相位、繞阻溫度、頻率)。

圖4 PLC模擬量控制電路

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)程序控制流程

在該型電站自動化控制過程中，調(diào)用PLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，檢測電網(wǎng)、柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。在發(fā)電機(jī)組啟動時(shí)，若超過3次需要間隔一段時(shí)間才能重啟。具體相關(guān)控制流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序控制流程

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序大體可分為主程序、子程序兩大模塊。由于模擬量數(shù)據(jù)比較多，如果每一個(gè)模擬量數(shù)據(jù)都展開的話，那么整個(gè)程序過程復(fù)雜，增加了計(jì)算量及控制執(zhí)行時(shí)間，因此，采用程序結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)思路，在PLC程序設(shè)計(jì)中將模擬量轉(zhuǎn)換到工程量的程序單獨(dú)作為一個(gè)子程序，并形成為一個(gè)程序塊，并在程序塊中留出相應(yīng)的參數(shù)輸入輸出接口，所有類似的程序就可直接調(diào)用該“程序塊”，簡化了PLC程序的復(fù)雜性。具體程序如下。

2.2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序(模擬量工程量轉(zhuǎn)換)

在系統(tǒng)應(yīng)用過程中需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序來對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中模擬量通常以電壓(0～10 V)、電流(0～20 mA、4～20 mA)形式輸入到PLC，經(jīng)過PLC內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為數(shù)字模式，即數(shù)字量，模擬量稱作工程量。模擬量與工程量之間有很大的不同，但也存在著一定的數(shù)學(xué)聯(lián)系，可以通過一定的算法實(shí)現(xiàn)從模擬量到工程量的轉(zhuǎn)換。在S7-200 PLC程序，即是把壓力的模擬量值(0～32 000)轉(zhuǎn)換為以MPa為單位工程量數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中，模擬量量程為0～20 mA，模擬量值則在0～32 000，工程量量程為工程量最小至工程量最大。圖6所示為模擬量數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換程序，圖7所示為工程量值計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖6 模擬量數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換程序

2.2.2 控制系統(tǒng)部分主程序

根據(jù)圖5編寫PLC控制程序，其中主程序的功能主要體現(xiàn)在啟停、報(bào)警以及其他控制功能，具體如圖8～圖15所示。

圖8所示為電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測程序，主要用于艦艇電站電網(wǎng)的參數(shù)的監(jiān)測，如電壓、電流、功率等參數(shù)。

圖8 電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測程序

圖9所示為柴油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測程序，主要用于發(fā)電柴油機(jī)組的參數(shù)監(jiān)測，如潤滑壓力、氣壓、排氣溫度、冷卻泵溫度等。

圖9 柴油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測程序

圖10所示為發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測程序，用于電站發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)測。

圖10 發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測程序

圖11所示為電網(wǎng)報(bào)警監(jiān)測程序，主要設(shè)置電網(wǎng)電流、電壓、功率等參數(shù)的上下限報(bào)警。

圖12所示為柴油機(jī)機(jī)報(bào)警監(jiān)測程序，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)情況。

圖13所示為發(fā)電機(jī)報(bào)警監(jiān)測程序，主要由于發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)參數(shù)運(yùn)行監(jiān)測。

圖13 發(fā)電機(jī)報(bào)警監(jiān)測程序

圖14所示為設(shè)備啟動監(jiān)測程序，用于監(jiān)測設(shè)備的啟動是否成功。

圖14 設(shè)備啟動監(jiān)測程序

圖15所示為電站合閘、并列檢測程序圖，用于監(jiān)測電站電網(wǎng)并車與解列。

圖15 電站合閘、并列檢測程序

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試過程分為PLC程序調(diào)試、人機(jī)界面調(diào)試。程序調(diào)試經(jīng)過程序編譯、程序下載、運(yùn)行在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)寫入等步驟。結(jié)合“按鈕”和“運(yùn)行策略”，最終通過編輯腳本的方式實(shí)現(xiàn)對多個(gè)控件的一鍵調(diào)試。首先在界面組態(tài)“激活”程序，人機(jī)在模擬運(yùn)行時(shí)“啟動”，人機(jī)立即調(diào)用“運(yùn)行策略”，在執(zhí)行完“腳本程序”后，最終的結(jié)果呈現(xiàn)在界面中。圖16所示為所有控件激活狀態(tài)下的模擬運(yùn)行結(jié)果。

圖16 所有控件都激活的模擬運(yùn)行畫面

4 結(jié)論

基于PLC技術(shù)，結(jié)合某型海警艦艇電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別從硬件及軟件兩部分開展了海警艦艇電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究?；陔娬炯泄芾?、分散控制的原則，完成了包含電網(wǎng)參數(shù)采集和系統(tǒng)電源、系統(tǒng)運(yùn)行操作和系統(tǒng)控制輸出及系統(tǒng)狀態(tài)指示、系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制輸出等部分電氣原理圖的設(shè)計(jì)，給出了電站自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)程序流程，采用程序結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)思路詳細(xì)編寫了電網(wǎng)及柴油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測、電網(wǎng)報(bào)警、電站合閘及并列檢測等控制程序，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。