船舶電站自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

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摘 要

隨著船舶運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，對運(yùn)輸?shù)囊蟛粩嗵嵘瑢?yīng)的船舶電站自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需不斷優(yōu)化和改進(jìn)，這樣才能滿足船舶運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的需求。本文主要介紹了船舶電站以及自動化系統(tǒng)相關(guān)概念、作用，對船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，并從軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，提出船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的策略，希望為實(shí)際的船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞

船舶電站;自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);有效策略

中圖分類號： TM76;TM63 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 29

船舶作為海上運(yùn)輸?shù)闹匾\(yùn)輸工具，由于其運(yùn)行環(huán)境具有一定的特殊性，為了確保其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，不僅需做好日常的管理、養(yǎng)護(hù)工作，還需增強(qiáng)其控制系統(tǒng)的可靠性。同時，隨著當(dāng)前船舶制造朝著大型化、復(fù)雜化等方向發(fā)展，這些發(fā)展趨勢增加了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，而在網(wǎng)絡(luò)化、自動化等技術(shù)不斷成熟的背景下，為船舶自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力支持，根據(jù)船舶實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效控制，確保船舶電站持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，一定程度能夠減少船舶事故發(fā)生的概率。

1 船舶電站自動化系統(tǒng)相關(guān)概述

1.1 船舶電站

船舶電站作為船上重要的電力輔助裝置，主要由原動機(jī)、發(fā)電機(jī)以及信號處理板等設(shè)備構(gòu)成，為整條船只運(yùn)行提供持續(xù)不斷的電能[1]。以電流形式對其分類，分為直流船舶電站和交流船舶電站兩類;以功能進(jìn)行分類，分為主電站、應(yīng)急電站以及臨時應(yīng)急電站三類，船舶的日常供電需要發(fā)揮主電站的作用，在主電站出現(xiàn)故障的情況下，需發(fā)揮應(yīng)急電站供電的功能，來確保船舶重要設(shè)備正常運(yùn)行，而臨時應(yīng)急站只能保障船上最重要設(shè)備短時間內(nèi)正常運(yùn)行。

1.2 船舶電站自動化系統(tǒng)的作用

首先，自動對船舶上相關(guān)電氣參數(shù)、信號等進(jìn)行檢測、記錄以及報(bào)警，有效控制發(fā)電機(jī)組。比如在部分發(fā)電機(jī)組啟動困難的情況下，可借助船舶自動化控制系統(tǒng)將啟動指令發(fā)送給其他機(jī)組，或者船舶電站的備用機(jī)組在接收指令后自動啟動，為整個船舶設(shè)備提供電能。同時，在匯流排不帶電情況下，自動化控制系統(tǒng)能將機(jī)電組自動接道電網(wǎng)中。

其次，在兩臺機(jī)組并聯(lián)工作的情況下，借助自動化控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)頻、調(diào)載設(shè)備與調(diào)速器相互配合工作，將電網(wǎng)頻率維持在正常范圍內(nèi)，根據(jù)機(jī)組容量來實(shí)現(xiàn)各機(jī)組功率的合理分配[2]。當(dāng)船舶電站處于超負(fù)荷的情況下，需及時卸載一些不重要的負(fù)載，通過自動化控制系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的條件實(shí)現(xiàn)自動分級卸載，為船舶其他重要設(shè)備連續(xù)供電提供有力保障。同時，當(dāng)電氣火災(zāi)機(jī)械發(fā)生故障的時候，自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對其他重要設(shè)備的及時保護(hù)，可以自動對主電站和應(yīng)急電站供電方式進(jìn)行切換。

最后，當(dāng)船舶啟動一些大容量用電設(shè)備之前，可以利用自動化控制系統(tǒng)檢查電站發(fā)電機(jī)組是否滿足該用電設(shè)備啟動所需電量，如果檢查其用電量能夠得到滿足，允許該設(shè)備啟動;反之，需要在啟動備用發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上啟動該設(shè)備。同時，船舶電站自動化系統(tǒng)具有模擬實(shí)驗(yàn)的作用，發(fā)揮其功能自動對船舶電站性能進(jìn)行有效檢測，確保各項(xiàng)設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

2 船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

由于船舶電站自動化控制系統(tǒng)是由多個部分構(gòu)成的，在對該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中可以采取模塊控制法來實(shí)現(xiàn)，將CAN總線與可編程控制器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，這樣才能實(shí)現(xiàn)船舶電站自動化控制。其中該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可以借助傳感器來收集電站各環(huán)節(jié)的信息，在對初步信息進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上，將信息發(fā)送給可編程控制器，對這些信息進(jìn)行分析來了解各設(shè)備工作情況，以監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)提出對應(yīng)的管理策略。系統(tǒng)功能模塊具體體現(xiàn)在以下方面：

2.1 現(xiàn)場控制模塊

船舶自動控制系統(tǒng)是由相同或者不同的組網(wǎng)方式的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)、管理級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，根據(jù)分解方式將每個級的網(wǎng)絡(luò)分解成多個子集。船舶的每個控制現(xiàn)場是由現(xiàn)場控制單元組成，能夠?qū)Χ鄠€回路進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)信息的采集、處理[3]。比如對電網(wǎng)、發(fā)動機(jī)壓力以及電流等信息進(jìn)行收集、處理，將加減速等指令發(fā)送給發(fā)電機(jī)，信號輸出模塊對其功能進(jìn)行控制，將船舶電站參數(shù)以動態(tài)的形式顯示出來，根據(jù)所接受到的指令完成相關(guān)操作。

2.2 信息采集模塊

船舶自動控制系統(tǒng)中信息采集模塊主要是實(shí)現(xiàn)信號采集，比如對電壓信號、頻率信號等進(jìn)行采集，借助電壓互感器電磁隔離方式將高壓與電路進(jìn)行有效隔離，檢測發(fā)動機(jī)、電流信號來實(shí)現(xiàn)調(diào)載功能。對于相位差信號的采集，可以借助周期法對輸出頻率的值進(jìn)行計(jì)算，對比所采集的頻率值。

2.3 自動調(diào)載、調(diào)頻

隨著船舶電站工作時間的延長，各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)會發(fā)生一些變化，電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性等將會受到一定影響。針對這種現(xiàn)狀，可以通過優(yōu)化CAN總線設(shè)計(jì)來增強(qiáng)電網(wǎng)的整體性能，以滿足船舶電站自動化控制系統(tǒng)功能需求。同時，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，通過磁力系統(tǒng)對電站各個節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，促使電網(wǎng)功率合理分布，間接性提高功率的有效性。

3 船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以船舶電站構(gòu)成、原理等為參考，對其自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，結(jié)合船舶電站實(shí)際情況，對影響船舶電站運(yùn)行的各方面因素進(jìn)行分析，確保該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于由多臺機(jī)組相互配合實(shí)現(xiàn)供電的船舶電站而言，為了實(shí)現(xiàn)全面自動化控制，要求在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，形成各環(huán)節(jié)自動連接的具有可靠性的總體控制系統(tǒng)，這樣能夠?qū)﹄娬緝?nèi)部各設(shè)備負(fù)載參數(shù)、信息等進(jìn)行準(zhǔn)確收集，對所收集的進(jìn)行分析、判斷，提出具有可行性的措施[4]。比如借助計(jì)算機(jī)來收集電站各方面的信息，對通過相關(guān)指令發(fā)送來實(shí)現(xiàn)部分參數(shù)的調(diào)整和修改，利用計(jì)算機(jī)編程與開發(fā)技術(shù)做好診斷、評估以及報(bào)警。同時，該系統(tǒng)能對電站運(yùn)行過程中潛在的問題進(jìn)行預(yù)測、評估，根據(jù)評估結(jié)果做好相關(guān)應(yīng)急策略，一定程度能降低該系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于船舶自動化控制系統(tǒng)硬件設(shè)備主要分為集控臺、可編程控制箱這兩部分，可編程控制箱作為下位機(jī)，要求完成開關(guān)量、模擬量等相關(guān)操作，控制臺作為上位機(jī)，要求將開關(guān)遙控、運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行信息等顯示出來。比如上位機(jī)和下位機(jī)在串口方式下實(shí)現(xiàn)有效通信，通過轉(zhuǎn)換器將通信距離控制在規(guī)定范圍中，借助轉(zhuǎn)換器將電壓、電流等模擬信號傳輸給模擬端口，最后在處理、計(jì)算等基礎(chǔ)上傳輸給上位機(jī)，將這些模擬信號以數(shù)值形式顯示出來。

同時，當(dāng)該系統(tǒng)處于本地控制模式狀態(tài)下時，上位機(jī)只能顯示船舶電站的狀態(tài)，不能對電站的開關(guān)指令進(jìn)行具體操作，但通過手動操作可以實(shí)現(xiàn)電站集控臺個波段開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷。當(dāng)該系統(tǒng)處于遙控作業(yè)模式情況下，上位機(jī)可以利用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷，將當(dāng)前電站的狀態(tài)顯示出來，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸和控制命令的傳達(dá)，對應(yīng)的控制動作可以有效完成。

3.3 船舶電站自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對該系統(tǒng)整體界面的監(jiān)控，能了解船舶電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，從操作界面中可以了解電站自動運(yùn)行、自動并車以及解列等完成情況，通過各機(jī)組參數(shù)控制界面來實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的存儲、打印。發(fā)電機(jī)根據(jù)控制中心所發(fā)生的指令，來完成開關(guān)通斷、機(jī)制并車以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移等操作，對于采油機(jī)而言，除了完成增減速、啟動或暫停等操作之外，還可以對備車有效控制，來實(shí)現(xiàn)船舶電站的自動化控制。

同時，與船舶電站自動化采取的無觸點(diǎn)控制系統(tǒng)相比較，當(dāng)前所采取的自動化控制技術(shù)趨向于結(jié)構(gòu)化、模塊化。伴隨著計(jì)算機(jī)控制方式的轉(zhuǎn)變，在網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)等影響下，船舶電站運(yùn)行通用性、可靠性等得以提升，在該系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)過程中，需要以船舶情況為參考，全面考慮影響該系統(tǒng)運(yùn)行的因素，這樣所設(shè)計(jì)的自動化控制系統(tǒng)才能更好發(fā)揮其性能，增強(qiáng)實(shí)用性。

4 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前科技不斷更新過程中，自動化技術(shù)被應(yīng)用于各行業(yè)中，其中船舶電站自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，順應(yīng)了當(dāng)前該行業(yè)發(fā)展的需求。隨著船舶電站建設(shè)的要求不斷提高，為了確保其穩(wěn)定、高效運(yùn)行，需要以系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、方向等為參考，對自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，通過收集該系統(tǒng)運(yùn)行過程中相關(guān)數(shù)據(jù)來檢測器運(yùn)行狀態(tài)，對其有效控制，促使該控制系統(tǒng)可行性提高。

參考文獻(xiàn)

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