基于船用發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)的干式負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸彬， 俞希學(xué)， 陳曉波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫214151)

0 引 言

綜合電力推進(jìn)是未來(lái)船舶的主要?jiǎng)恿π问絒1]，由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的發(fā)電動(dòng)力裝置，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為船舶動(dòng)力裝置的主要發(fā)展方向之一。為了測(cè)試船用發(fā)電機(jī)組的性能，研究不同工作環(huán)境下機(jī)組的運(yùn)行情況，需設(shè)計(jì)一套符合測(cè)試要求的負(fù)載系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的負(fù)載系統(tǒng)，使用基于S7-300 PLC的控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[2]，取代了傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)[3]。通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)同時(shí)控制多個(gè)負(fù)載箱，并且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)提供了多個(gè)故障點(diǎn)的報(bào)警信號(hào)，提高了負(fù)載運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

干式負(fù)載系統(tǒng)主要由干式負(fù)載箱、負(fù)載開關(guān)柜、負(fù)載控制箱、PC操作臺(tái)等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干式負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主回路主要由發(fā)電機(jī)組、配電板、負(fù)載開關(guān)柜和負(fù)載箱組成，配電板除了用來(lái)配電外，還設(shè)有發(fā)電機(jī)過(guò)載、短路、過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)等電氣保護(hù)功能[4]；負(fù)載開關(guān)柜作為配電板和負(fù)載箱的過(guò)渡設(shè)備，同樣帶有相應(yīng)的電氣保護(hù)功能，進(jìn)一步確保發(fā)電機(jī)組的安全；干式負(fù)載箱由直流接觸器和電阻絲組成，電阻絲將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到消耗功率的目的?？刂苹芈分饕≒C操作臺(tái)和負(fù)載控制箱，操作臺(tái)上的PC機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與控制箱中的S7-300 PLC建立通信，PLC作為下位機(jī)接收PC機(jī)發(fā)出的指令，并將指令輸出至中間繼電器，通過(guò)中間繼電器的得、失電，達(dá)到接觸器合、分閘的目的。

除此之外，PC控制臺(tái)上設(shè)有應(yīng)急按鈕，確保在通信中斷或PC機(jī)無(wú)法正常工作的情況下，仍能對(duì)負(fù)載回路進(jìn)行遠(yuǎn)程的功率控制。

2 干式負(fù)載箱設(shè)計(jì)

負(fù)載是用來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)組輸出功率與帶載能力的設(shè)備，可進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)、靜態(tài)調(diào)壓特性試驗(yàn)、調(diào)速特性試驗(yàn)、過(guò)載保護(hù)試驗(yàn)及并車試驗(yàn)等機(jī)組功能和性能試驗(yàn)。

本文采用的干式負(fù)載箱主要由集裝箱、干式電阻器、直流接觸器、軸流風(fēng)機(jī)等部分組成，所有設(shè)備均安裝于集裝箱內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 干式負(fù)載箱

圖2中電阻器由電阻絲通過(guò)串、并聯(lián)的方式組合而成，然后通過(guò)直流接觸器與配電板引出的主電纜相連，其共有8個(gè)回路，包括5個(gè)800 kW回路，1個(gè)400 kW回路，1個(gè)200 kW回路和1個(gè)100 kW回路。在機(jī)組試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)合、分直流接觸器來(lái)接通、斷開相應(yīng)的回路，從而控制發(fā)電機(jī)組的帶載量。不同回路的靈活組合，可以構(gòu)成多種阻值，能夠模擬船用發(fā)電機(jī)組復(fù)雜多變的帶載要求，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

負(fù)載箱采用下部進(jìn)風(fēng)、上部出風(fēng)的強(qiáng)制冷卻方式，底部裝有12臺(tái)風(fēng)機(jī)，可將機(jī)組帶載時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出箱體，保證負(fù)載在安全溫度下運(yùn)行。 每臺(tái)風(fēng)機(jī)出口裝有風(fēng)壓開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，每個(gè)風(fēng)道出口裝有熱電阻，用來(lái)測(cè)量負(fù)載箱各個(gè)通道的溫度，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載箱的各項(xiàng)參數(shù)值，確保負(fù)載正確、安全運(yùn)行。

3 負(fù)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)組成及原理

負(fù)載控制系統(tǒng)組成如圖3所示，主要由PC機(jī)、工業(yè)交換機(jī)、PLC、中間繼電器、二次儀表、風(fēng)壓開關(guān)和熱電阻等設(shè)備組成。其工作原理為：PC機(jī)接收PLC發(fā)送的開關(guān)量、數(shù)字量等信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)并將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上，同時(shí)給PLC下發(fā)分、合閘指令，PLC接收指令并通過(guò)DO模塊輸出信號(hào)，最后由中間繼電器根據(jù)該信號(hào)控制接觸器完成分、合閘動(dòng)作。風(fēng)壓開關(guān)是一個(gè)干接點(diǎn)，風(fēng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)處于常閉狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)壓開關(guān)斷開并將該信號(hào)傳遞給PLC，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的功能。熱電阻用來(lái)測(cè)量風(fēng)道的溫度，其阻值與溫度呈線性關(guān)系，因此只需測(cè)量阻值就能得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值。二次儀表用來(lái)就地顯示溫度值，并將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號(hào)，輸入至PLC的AI模塊。該儀表設(shè)有溫度高報(bào)警值，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出溫度高報(bào)警信號(hào)，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員做出應(yīng)對(duì)措施。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件設(shè)計(jì)

PC操作臺(tái)和PLC控制箱是該控制系統(tǒng)的主要部件，其中PC操作臺(tái)主要由顯示器和IPC組成，IPC即基于PC總線的工業(yè)電腦[5]，采取全鋼機(jī)殼、機(jī)卡壓條過(guò)濾網(wǎng)、雙正壓風(fēng)扇設(shè)計(jì)。其可靠性高，能抗電磁干擾，對(duì)震動(dòng)、灰塵和高/低溫有著較強(qiáng)的防護(hù)功能， MTTF(平衡失效前時(shí)間) 10萬(wàn)小時(shí)以上，而普通PC的MTTF僅為1萬(wàn)～1.5萬(wàn)小時(shí)；擴(kuò)充性強(qiáng)，工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的輸入、輸出功能，可擴(kuò)充多個(gè)板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種外設(shè)相連，以完成各種任務(wù)；兼容性好，能同時(shí)利用ISA與PCI及PCIMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種語(yǔ)言匯編，多任務(wù)操作系統(tǒng)。

PLC控制箱主要由可編程控制器(PLC)、二次儀表、中間繼電器等設(shè)備組成，其中可編程控制器采用S7-300 PLC，主要包括電源模塊PS 307，中央處理單元CPU 315-2DP，通信處理器CP 343，信號(hào)模塊SM 321、SM 331、SM 322。中央處理單元完成控制的功能，通信處理器完成與上位PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能，信號(hào)模塊完成數(shù)據(jù)的輸入及控制量的輸出功能。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PLC通過(guò)模塊SM321、SM331接收開關(guān)量和模擬量，通過(guò)模塊SM322輸出開關(guān)量信號(hào)。編程軟件采用Step 7，首次對(duì)PLC進(jìn)行編程時(shí)采用MPI通信，并組態(tài)硬件，設(shè)置IP地址，用梯形圖語(yǔ)言編寫輸入、輸出等程序，其程序流程如圖4所示。

圖4 PLC程序流程圖

首先，啟動(dòng)PLC并判斷CPU是否正常運(yùn)行，若CPU 315-2 DP模塊上的SF或BF指示燈亮紅燈，則表示系統(tǒng)或硬件故障，需重啟CPU，檢查并排除故障直至沒有紅燈閃爍。然后檢查通信是否正常，若CP343-1模塊上的SF或BF指示燈亮紅燈，則表示通信故障，需重啟CPU，檢查并排除故障直至無(wú)紅燈閃爍，并且X1P1或X2P2有綠燈閃爍，此時(shí)，表示PLC與上位機(jī)通信正常。PLC正常運(yùn)行時(shí)，CPU以規(guī)定的周期掃描OB、FB等程序塊，進(jìn)行開關(guān)量和模擬量的輸入、輸出動(dòng)作。

3.3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的程序開發(fā)環(huán)境采用NI公司研制的LabVIEW軟件[6]，類似于C和Basic開發(fā)環(huán)境。但是，LabVIEW不同于其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式，該程序開發(fā)環(huán)境集成了工程師快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，便于幫助工程師解決問題，提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。

本程序包括讀取、寫入、存儲(chǔ)和顯示等功能，能發(fā)送接觸器的合、分閘指令，并顯示接觸器狀態(tài)，記錄接觸器合、分閘次數(shù)，防止出現(xiàn)某一接觸器使用過(guò)多的情況；能顯示風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)道溫度、控制箱溫度，并設(shè)有溫度報(bào)警點(diǎn)和風(fēng)壓報(bào)警點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；能存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)，便于發(fā)生故障時(shí)查找原因。其程序流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

根據(jù)圖5所示，該控制系統(tǒng)采用手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制方法，手動(dòng)控制即手動(dòng)選擇需要?jiǎng)幼鞯慕佑|器及數(shù)量，針對(duì)發(fā)電機(jī)組較為復(fù)雜的工況可靈活組合；自動(dòng)控制即只要確定需合、分閘的接觸器數(shù)量和動(dòng)作間隔時(shí)間，程序會(huì)根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)完成相應(yīng)操作，這種方式可滿足燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組逐級(jí)、勻速加、減載的試驗(yàn)要求。

3.3.3LabVIEW與PLC的通信設(shè)計(jì)

OPC是一種利用com/Dcom技術(shù)來(lái)達(dá)成自動(dòng)化控制的協(xié)定[7]，不必考慮各項(xiàng)不同硬件間的差異，便可自硬件端取得所需的信息。因此，本文通過(guò)OPC來(lái)實(shí)現(xiàn)LabVIEW與PLC間的數(shù)據(jù)傳遞。Lab VIEW作為上位PC機(jī)上與PLC通信的應(yīng)用程序，其自身帶有的DSC(數(shù)據(jù)監(jiān)控與記錄模塊)，允許用戶通過(guò)Lab VIEW對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行讀寫。在Lab VIEW中添加與OPC連接組中變量綁定的共享變量，將這些共享變量在Lab VIEW中當(dāng)成普通的變量使用，實(shí)現(xiàn)OPC與Lab VIEW的數(shù)據(jù)連接。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)的干式負(fù)載系統(tǒng)，針對(duì)船用發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境復(fù)雜、多變的情況，采用IPC+PLC的硬件組合，編寫了基于LabVIEW運(yùn)行環(huán)境的負(fù)載控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際工作驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，多層次報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。綜上所述，該干式負(fù)載系統(tǒng)在各類發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)中有著廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。