電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的研究

高 燕， 張 菁， 李亞軒， 劉 瑾

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620； 2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的研究

高 燕1， 張 菁1， 李亞軒2， 劉 瑾1

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620； 2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

采用三相異步電動(dòng)機(jī)模擬螺旋槳負(fù)載，應(yīng)用PLC、變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳仿真電動(dòng)機(jī)等通過(guò)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)構(gòu)建了電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)；并給出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序和控制程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電力推進(jìn)系統(tǒng)在不同工況下的工作狀態(tài)和螺旋槳特性。本系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

電力推進(jìn)； 螺旋槳負(fù)載仿真； 實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟得益于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展[1-3]，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)方式,電力推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)不斷顯現(xiàn)[4]，使得船舶電力推進(jìn)方式迎來(lái)了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期[5]。電力推進(jìn)方式的系統(tǒng)作為一種被廣泛采用的先進(jìn)船舶推進(jìn)系統(tǒng)，是現(xiàn)代化船舶發(fā)展的必然趨勢(shì)[6-7]。現(xiàn)代化的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已全面融合了交流變頻調(diào)速技術(shù)、最先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[8-10]。因此，進(jìn)行船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研究，對(duì)我國(guó)航海事業(yè)的發(fā)展具有重大意義[11-14]。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)與控制功能構(gòu)成。本文從船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，構(gòu)建了集監(jiān)測(cè)與控制一體化的小比例半實(shí)物船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)。為了保證船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備間高速、大容量、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信,該系統(tǒng)運(yùn)用CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并選用RS-232串口通信實(shí)現(xiàn)PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的連接。

1 船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)選擇三相交流異步電動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用變頻器驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)并對(duì)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、螺旋槳和調(diào)速控制系統(tǒng)三部分組成，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研究中，用物理模擬實(shí)現(xiàn)螺旋槳負(fù)載的仿真是一種常用的實(shí)驗(yàn)方法，本設(shè)計(jì)利用一臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)模擬真實(shí)螺旋槳的工作特性，為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供仿真的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過(guò)一臺(tái)變頻器控制螺旋槳仿真電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

負(fù)載變頻器、螺旋槳負(fù)載仿真電動(dòng)機(jī)和負(fù)載控制單元組成負(fù)載模擬子系統(tǒng)，控制螺旋槳仿真電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)際模擬螺旋槳運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和推進(jìn)控制單元組成推進(jìn)子系統(tǒng)，控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)選擇可編程控制器(PLC)作為兩個(gè)子系統(tǒng)的控制單元，控制功能由軟件實(shí)現(xiàn)。船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)原理框圖

2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)的構(gòu)建

系統(tǒng)設(shè)兩個(gè)PLC，PLC1位于集中控制室，是系統(tǒng)的控制單元；PLC2位于變頻器附近，作為PLC1的遠(yuǎn)程模塊，通過(guò)其模擬量輸入模塊為PLC1采集轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)。PLC1、PLC2、推進(jìn)變頻器和負(fù)載變頻器通過(guò)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接，船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)集控制、監(jiān)測(cè)與報(bào)警一體化，主要實(shí)現(xiàn)的功能為：①推進(jìn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制；②負(fù)載模擬子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制；③實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)子系統(tǒng)的重要參數(shù)和狀態(tài)，包括推進(jìn)變頻器和負(fù)載變頻器的輸出頻率、輸出電壓和輸出電流，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳仿真電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)或操縱臺(tái)向PLC1發(fā)送控制命令，如推進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、轉(zhuǎn)速給定命令；PLC2通過(guò)其模擬量模塊接收轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值和實(shí)際轉(zhuǎn)矩值，通過(guò)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將轉(zhuǎn)矩測(cè)量值、轉(zhuǎn)速測(cè)量值實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇LC1；PLC1根據(jù)控制命令、轉(zhuǎn)速測(cè)量值、轉(zhuǎn)矩測(cè)量值計(jì)算控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和負(fù)載模擬子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

PLC1通過(guò)CC-Link總線(xiàn)從推進(jìn)變頻器和負(fù)載變頻器實(shí)時(shí)讀取兩個(gè)子系統(tǒng)的重要參數(shù)和狀態(tài)，上位機(jī)再通過(guò)RS-232串口從PLC1讀取這些參數(shù)。

PLC1、PLC2均選擇三菱FX2N系列PLC，推進(jìn)變頻器和負(fù)載變頻器選擇三菱FR-F500系列變頻器。要實(shí)現(xiàn)CC-Link通信，需要為每個(gè)設(shè)備配置通信模塊并設(shè)置站號(hào)。本文將PLC1設(shè)為主站，PLC2、推進(jìn)變頻器和負(fù)載變頻器為遠(yuǎn)程設(shè)備站。系統(tǒng)配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置

CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)在硬件連接設(shè)置無(wú)誤后，為了啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接還需進(jìn)行通信初始化設(shè)置。三菱FX2N系列PLC作為CC-Link主站時(shí)，通信初始化設(shè)置通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)。在調(diào)試階段，主站PLC編程將通信初始化參數(shù)寫(xiě)入FX2N-16CCL-M的緩沖存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址中，然后通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器的參數(shù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接，正常啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接后再將參數(shù)寫(xiě)入EEPROM中；在程序運(yùn)行階段，則通過(guò)EEPROM的參數(shù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的軟件設(shè)計(jì)包括：①推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和負(fù)載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制；②系統(tǒng)重要參數(shù)監(jiān)測(cè)，即下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序；③主站PLC1與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的串口通信程序。

系統(tǒng)控制程序和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序皆由主站PLC實(shí)現(xiàn)；根據(jù)三菱FX系列PLC與計(jì)算機(jī)通信的專(zhuān)用協(xié)議，F(xiàn)X系列PLC與計(jì)算機(jī)通信時(shí)由計(jì)算機(jī)編程向FX系列PLC發(fā)送數(shù)據(jù)讀寫(xiě)請(qǐng)求，PLC自動(dòng)響應(yīng)不需要編程。由于篇幅所限，本文只介紹主站PLC中的軟件設(shè)計(jì)。

主站PLC采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。FX2N系列PLC提供了PID控制用的功能指令，用戶(hù)不需要對(duì)PID運(yùn)算編程，使用時(shí)只需設(shè)置一些控制參數(shù)。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在某些速度值時(shí)，可能引起船舶共振或電動(dòng)機(jī)速度振蕩，稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速。在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩則導(dǎo)致負(fù)載仿真電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，所以推進(jìn)電機(jī)應(yīng)避開(kāi)臨界轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，控制子程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 系統(tǒng)控制子程序流程圖

主站PLC通過(guò)CC-Link從推進(jìn)變頻器和負(fù)載變頻器的通信模塊FR-A5NC中讀取系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的各個(gè)參數(shù)。FR-A5NC的遠(yuǎn)程寄存器RWw0存放監(jiān)控代碼，RWr0中是由RWw0指定的監(jiān)測(cè)值。PLC向FR-A5NC的RWw0寫(xiě)入監(jiān)控代碼并置位監(jiān)控命令RYC，RWr0中的監(jiān)測(cè)值就不斷更新，同時(shí)監(jiān)控狀態(tài)位RXC被置位為ON。PLC從RWr0中讀取監(jiān)測(cè)值后向RWw0寫(xiě)入下一個(gè)監(jiān)控代碼，由于所有監(jiān)測(cè)值共用同一個(gè)地址RWr0，為避免錯(cuò)誤地存取，PLC讀取上一個(gè)監(jiān)測(cè)值后應(yīng)復(fù)位監(jiān)控命令RYC，這樣監(jiān)控狀態(tài)位RXC也被復(fù)位，在下一次讀取之前先判斷監(jiān)控狀態(tài)位是否被重新置位。從兩個(gè)變頻器中采集數(shù)據(jù)的過(guò)程相同，本文僅以采集推進(jìn)子系統(tǒng)的參數(shù)為例，推進(jìn)變頻器的通信模塊FR-A5NC的相應(yīng)緩沖存儲(chǔ)器在主站FX2N-16CCL-M中的映射地址如表2所示。

表2 緩沖存儲(chǔ)器地址映射表

主站PLC的D0預(yù)置監(jiān)控代碼，系統(tǒng)需從變頻器采集輸出頻率、輸出電流、輸出電壓和運(yùn)行速度4個(gè)監(jiān)測(cè)值，所以在不同時(shí)刻向D0寫(xiě)入如下對(duì)應(yīng)監(jiān)控代碼(十六進(jìn)制):輸出頻率,0001H；輸出電流,0002H；輸出電壓,0003H；運(yùn)行速度,0006H。

主站PLC將D0中預(yù)置的監(jiān)控代碼寫(xiě)入BFM #01E4H，同時(shí)置位BFM#0162H b12，則BFM#02E4中的監(jiān)測(cè)值被不斷更新。PLC將讀取監(jiān)測(cè)值時(shí)，同時(shí)復(fù)位BFM#0162H b12，然后向BFM #01E4H寫(xiě)入下一個(gè)監(jiān)控代碼。4個(gè)監(jiān)測(cè)值從BFM #02E4H分別讀出到D1、D2、D3和D4，程序中使用了變址寄存器簡(jiǎn)化編程，數(shù)據(jù)采集子程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用較高實(shí)時(shí)性和可靠性的CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以及目前廣泛應(yīng)用的RS-232串口通信技術(shù)，能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下構(gòu)建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。經(jīng)多次測(cè)試，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的工業(yè)實(shí)際要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。船舶航行時(shí)遠(yuǎn)離陸地、工作環(huán)境惡劣[15-16]，本文的設(shè)計(jì)能夠很好地滿(mǎn)足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的高要求。

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The Research on Real-time Monitoring Platform of Electric Propulsion System

GAOYan1，ZHANGJing1，LIYaxuan2，LIUJin1

(1. School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China； 2. School of Scientific Control and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

In this paper, a three-phase asynchronous motor was used to simulate propeller load, and PLC, inverters, propulsion motor and propeller simulation motor were used to build the simulation platform of electric propulsion system by CC-Link field bus. The data collection program and control program of this system were introduced. The results of many experiments showed that the system can simulate the working states and provide the propeller’s characteristics of the marine electric propulsion system under different operating regimes. In addition, the system has been applied in real-time monitoring in electric propulsion system.

electric propulsion; propeller load simulation; real-time monitoring

2016-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61503238)；上海市教委資助基金項(xiàng)目(ZZgcd14015)

高 燕(1985-)，女,上海人,博士,講師，主要研究方向?yàn)殡S機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),傳感器網(wǎng)絡(luò)控制及工業(yè)過(guò)程控制。

Tel.:15026791158;E-mail:gy@sues.edu.cn

TP 274

A

1006-7167(2017)03-0083-03