李 欣，宋仔仲，王德利

基于PLC控制的船用蓄電池充電裝置設(shè)計(jì)

李 欣，宋仔仲，王德利

（遼寧航星海洋科技有限公司，遼寧錦州 121000）

為減輕船用蓄電池充電時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低充電操控復(fù)雜程度，提高對(duì)蓄電池充電的自動(dòng)化和智能化水平，本文設(shè)計(jì)了PLC控制的船用大電流蓄電池充電裝置，介紹了該裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其軟硬件設(shè)計(jì)。整個(gè)充電過(guò)程，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，并能有效實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中過(guò)壓、過(guò)流等報(bào)警提示、故障跳閘保護(hù)等。充電過(guò)程監(jiān)測(cè)界面簡(jiǎn)潔直觀，操作靈活方便。

蓄電池充電裝置 PLC 跳閘保護(hù)

0 引言

船用蓄電池給船舶的各種自動(dòng)化裝置、報(bào)警裝置、應(yīng)急照明、通信導(dǎo)航等設(shè)備提供電源。對(duì)于小電流的蓄電池充電需求，船舶中一般會(huì)配備小電流充電裝置。對(duì)于大電流的充電裝置，由于其體積大，不經(jīng)常使用且需要管理和維護(hù)，船舶中一般不配備，而是選擇岸上充電裝置對(duì)船用蓄電池[3]大電流充電。本文基于十二相整流電路[2]，設(shè)計(jì)可移動(dòng)式大電流充電裝置，實(shí)現(xiàn)船用蓄電池恒壓或恒流充電。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著整流裝置功率的進(jìn)一步增大，對(duì)電網(wǎng)的干擾也日益嚴(yán)重，為了減輕整流裝置諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，同時(shí)也為了提高蓄電池的使用壽命，本套蓄電池充電裝置采用十二脈波整流電路[2]實(shí)現(xiàn)，由充電裝置及連接裝置兩部分組成，充電裝置包括整流變壓器屏和整流屏[3]，連接裝置包括電纜卷筒、電纜和連接器。為了得到十二脈波整流電路，需要三相交流電源接入整流變壓器，經(jīng)過(guò)變換得到相位差30°。大小相等的兩組電壓[2]。這兩組電壓再接至相互并聯(lián)的兩組整流橋，最終實(shí)現(xiàn)十二脈波整流以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)整流電源性能的要求。另外，裝置控制電路的設(shè)計(jì)采用了PLC與觸摸屏[1]相結(jié)合的方式，其中PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)集中采集和報(bào)警處理等控制過(guò)程。特別是輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、超溫報(bào)警及充電過(guò)程的自動(dòng)起停等功能都是由西門(mén)子的S7-200 Smart系列PLC[1]基于十二相脈波整流電路實(shí)現(xiàn)的。西門(mén)子精簡(jiǎn)系列的觸摸屏[1]也完美地實(shí)現(xiàn)了整流電路中各個(gè)輸入輸出電量參數(shù)的顯示，報(bào)警記錄與顯示以及觸摸屏上實(shí)現(xiàn)蓄電池充電過(guò)程的自動(dòng)起停功能。大電流蓄電池充電裝置的系統(tǒng)組成及單線(xiàn)如圖1。

圖1 大電流蓄電池充電裝置單線(xiàn)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本套蓄電池充電裝置由斷路器、三相三繞組整流變壓器、三相全控整流橋、平衡電抗器、平波電抗器、十二脈波晶閘管控制器、PLC和觸摸屏等部件組成。首先，三相三繞組整流變壓器提供兩組相位差是30°的三相電源[2]，這兩組三相電源再經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的整流橋后獲得十二脈波直流電源，十二脈波直流電源經(jīng)過(guò)平衡電抗器[2]，使兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的整流橋能夠同時(shí)導(dǎo)電并聯(lián)運(yùn)行[2]，使整流橋的負(fù)載達(dá)到平衡。其次，十二脈波晶閘管控制器為整流電路的晶閘管提供觸發(fā)脈沖信號(hào)，進(jìn)行整流觸發(fā)控制，從而保證輸出穩(wěn)定可靠十二脈波直流電源。最后，PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中管理與自動(dòng)充電控制，控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集輸入輸出的電流電壓信號(hào)，再經(jīng)運(yùn)算處理提供過(guò)流、過(guò)壓等報(bào)警和跳閘的保護(hù)功能。通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)蓄電池自動(dòng)充電控制，即蓄電池自動(dòng)充電控制的起動(dòng)、停機(jī)等控制功能。

由于蓄電池充電裝置的充電電路采用了十二脈波整流方式實(shí)現(xiàn)，整流變壓器初級(jí)額定電流可達(dá)425 A，功率較大，因此在變壓器全壓起動(dòng)的瞬間將會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，容易造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，并在一定程度上影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題。因此在充電電路的整流變壓器前級(jí)設(shè)計(jì)了預(yù)充磁變壓器，以便解決整流變壓器接入電網(wǎng)瞬間的勵(lì)磁涌流[3]問(wèn)題，對(duì)于預(yù)充磁變壓器的接通和斷開(kāi)控制由PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。預(yù)充磁電路單線(xiàn)圖如圖2。

蓄電池充電裝置的自動(dòng)充電控制系統(tǒng)由S7-200 Smart系列的PLC模塊[1]組成，選擇ST40的CPU模塊作為控制系統(tǒng)的核心模塊，ST40的CPU模塊本身自帶了板載的24 點(diǎn)輸入和16 點(diǎn)輸出[1]的開(kāi)關(guān)量功能，根據(jù)采集的開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)，對(duì)ST40模塊進(jìn)行編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電過(guò)程的順序和邏輯控制。另外，PLC控制系統(tǒng)通過(guò)三個(gè)模擬量采集模塊，分別采集主充電電路的輸入電流和電壓、直流輸出的電流和電壓，由ST40模塊進(jìn)行分析、運(yùn)算處理及比較判斷，最后實(shí)現(xiàn)各個(gè)電量參數(shù)的顯示、報(bào)警和故障跳閘等保護(hù)功能。PLC控制系統(tǒng)的觸摸屏用來(lái)實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)的電量參數(shù)顯示，故障報(bào)警顯示及提示，報(bào)警及故障跳閘閾值的參數(shù)設(shè)置，更主要的是通過(guò)觸摸屏的主操作界面完成自動(dòng)充電的起動(dòng)、停止控制。見(jiàn)PLC控制系統(tǒng)組成框圖3。

圖2 預(yù)充磁電路

圖3 控制系統(tǒng)組成示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

蓄電池充電裝置的軟件設(shè)計(jì)可分為二部分，PLC的程序設(shè)計(jì)和觸摸屏的程序設(shè)計(jì)。PLC的程序設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電過(guò)程的自動(dòng)起動(dòng)和停止控制，各個(gè)電量參數(shù)的顯示與報(bào)警和故障跳閘處理，報(bào)警和故障跳閘的閾值設(shè)定等。觸摸屏的程序設(shè)計(jì)需要制作自動(dòng)充電過(guò)程的控制畫(huà)面，閾值參數(shù)設(shè)置畫(huà)面，報(bào)警跳閘畫(huà)面。

3.1 PLC的程序設(shè)計(jì)

PLC中的程序設(shè)計(jì)需要在STEP7-MicroWin SMART軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境[1]下進(jìn)行，程序中設(shè)計(jì)了初始化子程序，報(bào)警閾值參數(shù)設(shè)置子程序，電量參數(shù)采集子程序，報(bào)警處理子程序，自動(dòng)充電控制子程序。主程序通過(guò)順序調(diào)用這5個(gè)子程序完成一個(gè)掃描周期，實(shí)現(xiàn)蓄電池充電裝置內(nèi)的程序控制邏輯，流程圖如圖4。

圖4 蓄電池充電裝置流程圖

其中，報(bào)警閥值設(shè)置子程序可以分別設(shè)置交流、直流側(cè)電流和電壓的上限和下限跳閘保護(hù)的閾值，當(dāng)充電過(guò)程中，其電流和電壓超過(guò)了該設(shè)定的保護(hù)閾值，接觸器跳閘，終止蓄電池充電過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。對(duì)于充電過(guò)程中的各個(gè)控制接觸器的合閘、分閘動(dòng)作時(shí)間，濾波電容的充電時(shí)間，前后兩次充電間隔時(shí)間、充電結(jié)束電流等都可以進(jìn)行分別設(shè)置，使自動(dòng)充電過(guò)程的控制更具有靈活性。

報(bào)警處理子程序可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)報(bào)警功能，包括監(jiān)測(cè)輸入側(cè)和輸出側(cè)電流、電壓，實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓報(bào)警和故障跳閘保護(hù)，風(fēng)機(jī)故障報(bào)警，觸發(fā)控制器故障報(bào)警，變壓器故障報(bào)警等。

自動(dòng)充電控制子程序可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電過(guò)程的全自動(dòng)控制，包括預(yù)充磁的電路的控制，濾波電容的控制，觸發(fā)控制器觸發(fā)脈沖的控制等。采用順序控制的程序設(shè)計(jì)方法，合理設(shè)計(jì)充電過(guò)程的邏輯順序，準(zhǔn)確的控制充電過(guò)程中各個(gè)接觸器的動(dòng)作，保證充電過(guò)程的安全、穩(wěn)定、可靠。

3.2 觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏的控制界面采用WinCC Flexible V4組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行控制、故障報(bào)警三個(gè)界面。參數(shù)設(shè)置界面即可設(shè)置輸入側(cè)、輸出側(cè)的電流和電壓跳閘保護(hù)的閾值，充電過(guò)程中的各個(gè)控制接觸器的合閘、分閘動(dòng)作時(shí)間，濾波電容的充電時(shí)間，前后兩次充電間隔時(shí)間等等，如圖5。運(yùn)行控制界面可進(jìn)行電量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)操作觸摸屏上的按鈕實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電過(guò)程的起動(dòng)、停止控制，如圖6。故障報(bào)警界面可觀測(cè)斷路器、快熔、整流變壓器、晶閘管觸發(fā)控制器等器件的報(bào)警狀態(tài)，查詢(xún)其報(bào)警記錄。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

4 前景展望

由于傳統(tǒng)的充電設(shè)備缺乏靈活性，無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行充電方法的調(diào)整，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池充電過(guò)程，滿(mǎn)足不了智能化、自動(dòng)化充電要求。鑒于船舶對(duì)大電流充電設(shè)備的需求，因此該大電流蓄電池充電裝置具有良好發(fā)展前景，而且對(duì)于推進(jìn)船舶上各種控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化具有重要意義。另外，船舶靠岸后，關(guān)閉船舶自身發(fā)電機(jī)組使用岸電供電可以減少?gòu)U氣排放，降低噪聲。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代船舶的管理及維護(hù)已經(jīng)趨于智能化和自動(dòng)化，船舶的自動(dòng)化水平已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度。船舶上的各種控制系統(tǒng)，包括充電裝置應(yīng)該摒棄或改造老舊設(shè)備，進(jìn)而提高自動(dòng)化水平，改善操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，解放勞動(dòng)力。同時(shí)使用岸電充電裝置，可以保護(hù)環(huán)境，對(duì)于建設(shè)綠色港口具有重要意義。

[1] 廖常初. S7-200 SMART PLC編程及應(yīng)用[M]. 第2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[2] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 第5版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2017.

[3] 鄭華耀. 船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)[M]. 第1版. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2005.

Design of Marine Battery Charger based on PLC Control

Li Xin, Song Zizhong, Wang Deli

(Liaoning Hangxing Marine Technology Co., Ltd, Jinzhou 121000, Liaoning, China)

TM912

A

1003-4862（2021）11-0050-03

2021-03-02

李欣（1975-），女，工程師。研究方向：船舶設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: xblixin@163.com