基于PLC和觸摸屏的船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

李偉翔，施偉鋒，張威，徐培杰

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基于PLC和觸摸屏的船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

李偉翔，施偉鋒，張威，徐培杰

（上海海事大學(xué) 電氣自動(dòng)化系，上海 201306）

為提高船舶電力推進(jìn)的控制質(zhì)量與安全可靠性，設(shè)計(jì)了基于施耐德M340 PLC和XBTGT7340觸摸屏的電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控裝置。裝置的硬件方面，以Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用ATV61變頻器實(shí)施推進(jìn)電機(jī)控制，運(yùn)用PM850和ION7650兩種電力參數(shù)檢測(cè)儀表實(shí)施推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)視。裝置的軟件方面，在完成現(xiàn)場(chǎng)總線通訊、推進(jìn)系統(tǒng)故障報(bào)警編程的基礎(chǔ)上，鑒于船舶航行海況等因素對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)行的巨大影響，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合的控制方式和兩種控制方式進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換的邏輯功能。裝置制作完成后進(jìn)行的推進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)表明，其功能可以滿(mǎn)足船舶電力推進(jìn)監(jiān)控的主要要求。

船舶電力推進(jìn) 監(jiān)控裝置 PLC 觸摸屏 人機(jī)界面

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有操縱靈活、低速性能好、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制對(duì)象包括發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器、電機(jī)等設(shè)備[1]，非線性元件多，電能質(zhì)量復(fù)雜，不僅要考慮推進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速等控制對(duì)電網(wǎng)的影響，而且要根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)及時(shí)調(diào)整推進(jìn)電機(jī)的控制。此外，隨著船舶全網(wǎng)一體化的進(jìn)程不斷發(fā)展，各系統(tǒng)之間相互作用，系統(tǒng)功率密度越來(lái)越高，要求船舶電力推進(jìn)監(jiān)控平臺(tái)具備功能更強(qiáng)的監(jiān)控作用，并同時(shí)具備電能質(zhì)量管理、監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能以提高電力推進(jìn)穩(wěn)定性和安全性的要求。本文設(shè)計(jì)了基于施耐德M340 PLC和XBTGT7340觸摸屏的船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置。

1 船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控層兩層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，網(wǎng)絡(luò)之間有通訊接口連接，如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層：監(jiān)控部位將實(shí)體按鈕、旋鈕和狀態(tài)指示燈作為監(jiān)控指令發(fā)送和狀態(tài)顯示元件。通過(guò)電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表PM850和ION7650采集推進(jìn)系統(tǒng)電力數(shù)據(jù)。通過(guò)I/O模塊掃描監(jiān)控指令和推進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以邏輯量形式顯示在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部位，并向變頻器發(fā)出頻率給定信號(hào)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層：遠(yuǎn)程監(jiān)控部位以XBTGT7340觸摸屏為主要設(shè)備。在觸摸屏中設(shè)計(jì)上位人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，提高信息集成度和自動(dòng)化水平。主要功能包括推進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)速、監(jiān)控部位的切換、電力推進(jìn)參數(shù)與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)視、故障的監(jiān)測(cè)報(bào)警與處理及其他安全功能。

通信接口：裝置采用分布式現(xiàn)場(chǎng)總線，將電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控功能下放到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備PM850和ION7650，最大限度利用現(xiàn)場(chǎng)信息，增加系統(tǒng)可靠性，降低成本。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備采用RS485串行通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備采用基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)通信，以確保高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。通信接口通過(guò)以太網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的通信協(xié)議，并利用交換機(jī)建立以太局域網(wǎng)。

2 船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置軟件設(shè)計(jì)與編程

2.1 PLC監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

一般推進(jìn)系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速控制為主，而將轉(zhuǎn)矩控制僅用于對(duì)電機(jī)的保護(hù)。但在船舶起動(dòng)階段、吃水較深或遭遇惡劣海況時(shí)，需要對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，以獲取最大推力或應(yīng)對(duì)頻繁并且巨大的負(fù)載變化。裝置提升了轉(zhuǎn)矩控制的地位，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合閉環(huán)控制策略，控制流程如圖2所示。輪機(jī)長(zhǎng)在集控室收到駕駛室的船速傳令后，可根據(jù)情況選擇將船速指令轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速信號(hào)或轉(zhuǎn)矩信號(hào)，通過(guò)“轉(zhuǎn)矩分級(jí)限制”或“臨界轉(zhuǎn)速回避”環(huán)節(jié)的預(yù)處理后，再與各限幅環(huán)節(jié)進(jìn)行選小，最后經(jīng)過(guò)PID控制器生成頻率信號(hào)傳給變頻器。轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合閉環(huán)控制策略不僅提高了船舶調(diào)速控制的靈活性，也能一定程度上減少?gòu)?qiáng)烈負(fù)載變化對(duì)船舶推進(jìn)設(shè)備的損害，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

圖1 船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC程序設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PID調(diào)速程序?yàn)楹诵?，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制無(wú)擾動(dòng)切換程序、基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制程序、推進(jìn)電機(jī)起動(dòng)程序、監(jiān)控部位切換程序、故障報(bào)警與處理程序等。

圖2 轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)聯(lián)合控制流程圖

2.1.1轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩聯(lián)合控制程序設(shè)計(jì)

在電機(jī)處于高負(fù)荷運(yùn)行的情況下對(duì)轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行直接切換，會(huì)導(dǎo)致電流突增，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)并損壞電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制的無(wú)擾動(dòng)切換，裝置設(shè)計(jì)了切換條件以及請(qǐng)求和應(yīng)答操作流程，如圖3所示。駕駛臺(tái)沒(méi)有權(quán)限對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，因此轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制的切換前提是當(dāng)前操作權(quán)限在本地監(jiān)控部位。切換操作由輪機(jī)長(zhǎng)進(jìn)行，切換時(shí)要求調(diào)節(jié)相應(yīng)的車(chē)鐘以免在切換時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)。

2.1.2基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制程序設(shè)計(jì)

在惡劣海況下，一般采用負(fù)荷控制方法。常用方法是“惡劣海況轉(zhuǎn)速控制”和“定油量模式控制”。文獻(xiàn)[3]對(duì)兩種控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。其不足在于，控制程序動(dòng)作之后無(wú)法回歸到原來(lái)的控制方式或車(chē)鐘指令，自動(dòng)化程度不夠高。

圖3 監(jiān)控部位切換程序流程

圖4 基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制過(guò)程

裝置采用了基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制方法。在轉(zhuǎn)矩控制模式下，當(dāng)電機(jī)跟蹤到車(chē)令轉(zhuǎn)矩后，系統(tǒng)自動(dòng)將穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速保存為參考轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速超限時(shí)，自動(dòng)切斷轉(zhuǎn)矩輸出，待轉(zhuǎn)速回落至參考轉(zhuǎn)速后將轉(zhuǎn)矩輸出恢復(fù)至車(chē)令轉(zhuǎn)矩?；谵D(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制過(guò)程示意圖和程序流程圖分別如圖4和圖5所示。該控制策略的優(yōu)點(diǎn)在于，在每次動(dòng)作之后電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)都能恢復(fù)到之前的操作模式和車(chē)鐘指令，避免了重復(fù)操作，提升了自動(dòng)化水平，并且轉(zhuǎn)速上限的設(shè)定更加靈活，進(jìn)一步提升了轉(zhuǎn)矩控制的適用性。

2.2 駕駛室監(jiān)控人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電力推進(jìn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能要求，在XBTGT7340觸摸屏中設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控人機(jī)界面。

圖5 基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制程序流程

2.2.1駕駛室監(jiān)控主界面設(shè)計(jì)

船舶電力推進(jìn)監(jiān)控主界面是遠(yuǎn)程監(jiān)控最重要的界面，應(yīng)可以顯示推進(jìn)電機(jī)的基本運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息，點(diǎn)擊參數(shù)后，相關(guān)的文字信息、圖形儀表等會(huì)立刻顯現(xiàn)，同時(shí)還應(yīng)該可以通過(guò)軟鍵在不同界面之間進(jìn)行切換和導(dǎo)航[4]，并具有車(chē)令發(fā)訊功能。裝置所設(shè)計(jì)的監(jiān)控主界面配備遙控模擬車(chē)鐘來(lái)對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)速，并顯示推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、頻率和功率等重要運(yùn)行參數(shù)。界面上方的狀態(tài)欄中可獲悉系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。點(diǎn)擊界面下方的軟鍵可進(jìn)入切換監(jiān)控部位、限制功能、電能質(zhì)量和報(bào)警等子界面。

2.2.2監(jiān)控部位切換界面設(shè)計(jì)

裝置的監(jiān)控部位分為本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，分別置于集控室和駕駛室中。當(dāng)監(jiān)控部位進(jìn)行切換時(shí)，需要在兩地進(jìn)行請(qǐng)求-應(yīng)答操作，目的是對(duì)兩地車(chē)令和推進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行同步性檢查，避免切換時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)。裝置在觸摸屏中設(shè)計(jì)了位于遠(yuǎn)程監(jiān)控部位的監(jiān)控部位切換界面。在該界面中可獲悉當(dāng)前所處的監(jiān)控部位，在進(jìn)行監(jiān)控部位切換操作時(shí)根據(jù)切換程序流程顯示未滿(mǎn)足的切換條件并發(fā)出聲光信息。該界面還實(shí)時(shí)顯示兩地車(chē)鐘情況，使切換過(guò)程更透明，降低錯(cuò)誤率。

2.2.3限制功能界面設(shè)計(jì)

在非緊急情況下，一般要求推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的加減速率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行限制，限制值設(shè)為最大值的80%~90%，作用是減小電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)的大功率輸出對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)以及長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行對(duì)設(shè)備的損耗。限制功能在緊急情況下將自動(dòng)失效，以發(fā)揮出推進(jìn)電機(jī)的最大能力進(jìn)行避險(xiǎn)。裝置將該功能放在限制功能界面中。該界面顯示了所有限制功能，包括加減速率限制、臨界轉(zhuǎn)速回避、轉(zhuǎn)矩分級(jí)限制、最大/最小轉(zhuǎn)速限制以及最大/最小轉(zhuǎn)矩限制等。當(dāng)車(chē)鐘指令超出限定值時(shí)，系統(tǒng)將以限定值運(yùn)行，并且相關(guān)的限制功能顯示高亮，點(diǎn)擊可顯示詳細(xì)信息，并可選擇取消該限制功能。在限制功能界面還可以對(duì)限制值進(jìn)行調(diào)節(jié)并預(yù)覽限制過(guò)程曲線。

2.2.4電力推進(jìn)電能質(zhì)量監(jiān)視界面設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)作為小容量的獨(dú)立電網(wǎng)，對(duì)電能質(zhì)量具有較高的要求。電力推進(jìn)系統(tǒng)的電功率占電網(wǎng)總功率的50%以上[5]，且包含變頻器等眾多大容量的電力電子器件，運(yùn)行過(guò)程中的諧波干擾會(huì)產(chǎn)生有功功率和無(wú)功功率損耗，導(dǎo)致電壓諧振，對(duì)船舶電網(wǎng)和主要負(fù)載及通信設(shè)備造成嚴(yán)重影響和損害[6]。因此，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)視至關(guān)重要。裝置在遠(yuǎn)程監(jiān)控部位設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量監(jiān)視界面，不僅能顯示電壓、功率、頻率等電力推進(jìn)系統(tǒng)的常規(guī)電力參數(shù)，而且能對(duì)電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波、電壓閃變和波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算，并在電能質(zhì)量低下時(shí)，為調(diào)整電網(wǎng)配電和電機(jī)運(yùn)行方式、隔離對(duì)電壓擾動(dòng)及諧波敏感的用電設(shè)備或投入諧波抑制設(shè)備等操作提供依據(jù)。

2.2.5監(jiān)控延伸報(bào)警界面設(shè)計(jì)

先進(jìn)完善的延伸報(bào)警是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙和船舶自動(dòng)化的關(guān)鍵之一。在無(wú)人值班時(shí)，必須要將電力推進(jìn)系統(tǒng)的故障報(bào)警信息傳送到駕駛室的延伸報(bào)警界面中[7]。本裝置設(shè)計(jì)的延伸報(bào)警界面，按故障嚴(yán)重程度將報(bào)警分為兩種：重要報(bào)警和次要報(bào)警。重要警報(bào)是指故障會(huì)直接導(dǎo)致電力推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行或造成設(shè)備損壞，甚至威脅全船安全，包括：推進(jìn)電機(jī)故障自動(dòng)停車(chē)或降速、推進(jìn)電機(jī)起動(dòng)失敗、控制或切換邏輯錯(cuò)誤、三相短路和斷路等。次要警報(bào)是指故障會(huì)影響電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行效能或?qū)е略O(shè)備磨損，包括：轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩超限、電壓或頻率超幅、電能質(zhì)量異常等。故障發(fā)生時(shí)，界面將顯示故障文本信息和確認(rèn)操作按鈕，并發(fā)出聲光信號(hào)。聲光信號(hào)將根據(jù)故障種類(lèi)和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行不同形式的區(qū)分。延伸報(bào)警界面還具備故障記錄功能，顯示歷史故障的類(lèi)型、發(fā)生的時(shí)刻、持續(xù)的時(shí)間等，便于進(jìn)行故障分析[8]。

3 監(jiān)控裝置兩層網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

裝置是基于施耐德Modbus總線協(xié)議的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)。裝置通信采用客戶(hù)端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體需求將任務(wù)合理分配給客戶(hù)端和服務(wù)器，發(fā)揮了客戶(hù)端的處理能力，降低了系統(tǒng)的通訊開(kāi)銷(xiāo)，減輕了服務(wù)器的工作量[9]，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Modbus TCP/IP 通信結(jié)構(gòu)

Modbus是一種請(qǐng)求-應(yīng)答協(xié)議[10]。主站通過(guò)單播模式對(duì)從站進(jìn)行讀寫(xiě)操作。PM850和ION7650作為從站設(shè)備，采用基于RS-485串行鏈路的Modbus通信，通信過(guò)程中采用RTU傳輸方式，差錯(cuò)校驗(yàn)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)方式（CRC）。M340 PLC通過(guò)讀從站寄存器的方式獲取推進(jìn)系統(tǒng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)。圖7所示的M340 PLC功能塊語(yǔ)言（FBD）“READ_VAR”將PM850采集并保存在寄存器內(nèi)的電力參數(shù)依次讀到PLC的內(nèi)存中。

圖7 PLC讀寄存器

4 結(jié)論

船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置作為推進(jìn)控制的關(guān)鍵設(shè)備，其研究與應(yīng)用涉及PLC控制、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和電力參數(shù)檢測(cè)儀表應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，裝置設(shè)計(jì)在監(jiān)視方面實(shí)現(xiàn)了船舶電力推進(jìn)的本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控、電能質(zhì)量監(jiān)視以及故障報(bào)警功能，在控制方面實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩閉環(huán)聯(lián)合控制方式，提高了電力推進(jìn)控制對(duì)于不同海況的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的船舶電力推進(jìn)監(jiān)控裝置可以滿(mǎn)足船舶電力推進(jìn)變頻調(diào)速監(jiān)控的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳次祥, 唐石青, 王良秀, 等. 電力推進(jìn)技術(shù)下的船舶電站發(fā)展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2010, (8): 30-32.

[2] 胡紅錢(qián), 劉曉勤, 施偉鋒. 基于PowerLogic系統(tǒng)構(gòu)架的船舶自動(dòng)化電站監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 32(3): 20-24.

[3] 林葉錦. 輪機(jī)自動(dòng)化[M], 第1版. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2009: 269.

[4] 賈寶柱, 韓學(xué)勝. 輪機(jī)自動(dòng)化基礎(chǔ)[M], 第1版. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2011, (3): 181.

[5] 焦東升, 陸冬良, 應(yīng)俊豪, 等. 基于Profibus的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(5): 117-121.

[6] 范嘯平, 韓龍, 邰能靈. 電力推進(jìn)船舶諧波問(wèn)題及實(shí)例分析[J]. 船舶, 2012, 23(1): 58-64.

[7] 仲偉波, 丁修方. 基于CAN總線的船舶機(jī)艙延伸報(bào)警系統(tǒng)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 33(3): 316-320.

[8] 蔣曉峰, 施偉鋒, 劉以建, 等. 基于觸摸屏和PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(1) : 122-125.

[9] 蔡禮松, 余楚中. 基于CAN的船舶數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)造船, 2013, 54(3): 184-189.

[10] 華镕. 從Modbus到透明就緒——施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用[M], 第1版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 25-26.

Design of Shipboard Electrical Propulsion Monitoring Control Device Based on PLC and Touch Screen

Li Weixiang, Shi Weifeng, Zhang Wei, Xu Peijie

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TP29

A

1003-4862（2014）12-0023-04

2014-05-21

上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ155)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20123121110003)

李偉翔（1990-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控。