船舶高壓電站遙控操控臺的設計與實現

1、<p><b>　　大連海事大學</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p><b>　　二○一五年六月</b></p><p>　　船舶高壓電站遙控操控臺的設計與實現</p><p>　　專業(yè)班級：電氣工程及其自動化四班</p&

2、gt;<p>　　姓 名： 宋蘭波 </p><p>　　指導教師： 吳志良 </p><p><b>　　輪機工程學院</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科學技術的不斷進步，船舶的電氣設備也

3、不斷變得大型化、網絡化、高速化和自動化。由于船舶高壓電站是船舶上最重要、最復雜、可靠度要求很高的船舶設備，所以船舶高壓電站自動控制系統越來越廣泛地應用在各種船舶電力系統中，作為自動控制系統的一部分，船舶高壓電站遙控操控臺讓工作人員可以舒適、安全地在集控室中監(jiān)測和控制高壓電站。本文設計了一種基于PLC和MCGS的船舶高壓電站遙控操控臺。</p><p>　　本文設計的船舶高壓電站遙控操控臺的主要實現發(fā)電機三次啟動和

4、發(fā)電機準同步并車兩個過程的監(jiān)測、報警和相關操作。利用TCP7062KX嵌入式一體化工控機來作為操控臺。</p><p>　　PLC憑借著其高度可靠性和強大的功能，廣泛地應用在各種自動控制系統中。本文采用西門子S7-200 PLC來實現遙控操控臺的監(jiān)測、控制功能，簡要介紹了使用STEP 7-Micro/Win編程軟件編寫程序的方法。經過不斷調試修改，PLC程序實現了所設計的相關功能之后，使用MCGS組態(tài)軟件設計了遙

5、控操控臺的界面，并且完成了TPC觸控屏和PLC的組態(tài)，實現了一個界面友好、操作方便的船舶高壓電站遙控操控臺。</p><p>　　關鍵詞：船舶高壓電站；遙控操控臺；PLC；MCGS</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of the industrial

6、technology,the electrical equipment of ship is becoming large-scale,high speed,network and automatic.Because of high voltage power station is the most important and complex and high reliability requirements of marine equ

7、ipment,the automatic control system is widely used in all kinds of ship power system.As a part of automatic control system,the remote control console makes stuff members control ship power station in a central control ro

8、om comfortably </p><p>　　This console mainly realizes monitoring,alarm and operate the process of auto startup and auto parallel with the use of TCP7062KX integral industry controller. </p><p>　

9、　As PLC is powerful and highly reliable,is has a great use in the automatic control system.In this paper we use PLC and TPC to realize a friendly and easily-operate ship high-voltage power station remote control console.

10、</p><p>　　Key Words: Ship high-voltage power station; remote control console; PLC; MCGS目 錄</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的背景和意義1</p><p>　　1.2

11、船舶高壓電站及其組成和分類1</p><p>　　1.3 PLC在控制系統中的應用2</p><p>　　1.4本課題研究的主要內容3</p><p>　　第2章 船舶高壓電站遙控操控臺的功能4</p><p>　　2.1船舶高壓電站遙控操控臺的自動啟動部分4</p><p>　　2.1.1發(fā)電機組自動啟動的

12、邏輯判斷條件4</p><p>　　2.1.2發(fā)電機組自動啟動部分操控臺的設計4</p><p>　　2.1.3發(fā)電機組自動啟動的流程圖5</p><p>　　2.1.4遙控操控臺啟動模塊在PLC上的實現5</p><p>　　2.2船舶高壓電站遙控操控臺的并車部分10</p><p>　　2.2.1船舶同步

13、發(fā)電機的并聯運行10</p><p>　　2.2.2船舶同步發(fā)電機的準同步并車11</p><p>　　2.2.3自動并車裝置的功能及組成12</p><p>　　2.2.4遙控操控臺并車模塊的功能12</p><p>　　2.2.5遙控操控臺并車模塊在PLC上的實現13</p><p>　　2.3 PLC程

14、序調試過程中遇到的問題和解決過程16</p><p>　　2.4本章總結17</p><p>　　第3章 基于MCGS的遙控操控臺設計18</p><p>　　3.1組態(tài)軟件概述18</p><p>　　3.1.1組態(tài)軟件的選用18</p><p>　　3.1.2 MCGS的主要特性和功能18</p&

15、gt;<p>　　3.1.3 MCGS的構成19</p><p>　　3.2 三次啟動操控臺界面的設計20</p><p>　　3.2.1發(fā)電機組三次啟動界面20</p><p>　　3.2.2三次啟動操控界面與PLC的組態(tài)過程20</p><p>　　3.2.3 觸摸屏、PC、PLC之間的連接和通訊23</p&

16、gt;<p>　　3.3準同步并車操控臺界面的設計25</p><p>　　3.3.1準同步并車操控臺界面25</p><p>　　3.3.2準同步并車操控臺界面與PLC的組態(tài)過程25</p><p>　　3.4本章小結26</p><p><b>　　結論27</b></p>&l

17、t;p>　　參 考 文 獻28</p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的背景和意義</p><p>　　船舶工業(yè)反映了一個國家的綜合國力水平，船舶電站是船舶的一個重要組成部分，是船舶技術的重

18、要標志[1]。船舶工業(yè)是為航運業(yè)、海洋開發(fā)及國防建設提供技術裝備的綜合性產業(yè)，對鋼鐵、石化、輕工、紡織、裝備制造、電子信息等重點產業(yè)發(fā)展和擴大出口具有較強的帶動作用[2]。</p><p>　　進入二十一世紀以來，中國船舶工業(yè)進入快速發(fā)展軌道，產業(yè)規(guī)模迅速擴大，綜合實力顯著增強，國際地位大幅提升，總體上取得了長足的進步[3]。 隨著船舶向著大型化、高速化、自動化、網絡化的方向發(fā)展，對于船舶電站的自動化的要求不斷地

19、提高，各種新技術如控制理論、數據處理、人工智能、網絡通信等不斷地應用到船舶上來[4]。</p><p>　　為了實現自動化船舶電站的各種功能，船舶電站自動控制技術經歷了由有觸點控制系統到無觸點控制系統的進化。其中有觸點控制系統主要由接觸器和繼電器構成；無觸點控制系統則由分立元件和集成元件構成。九十年代以來，越來越多的科研機構認識到了PLC系統的高度可靠性，于是開始將PLC應用在船舶電站、主機遙控和集中監(jiān)視等控制系

20、統中。</p><p>　　因為越來越多的計算機技術被應用在了船舶電站自動控制系統，使得其成為擁有檢測、報警和自動控制等功能于一體的監(jiān)控系統。如今，船舶電站自動控制技術已經是船舶工業(yè)發(fā)展研究的重要技術之一，是包括了計算機網絡技術、傳感器、現代控制技術、電力電子等多種學科和技術綜合應用的一體化產物。</p><p>　　總的說來，船舶電站的自動控制是船舶工業(yè)技術的關鍵組成部分，自動控制系統及

21、裝備發(fā)展不斷加快，更新換代的速度也是驚人的，船舶電站自動控制技術正朝著數字化、智能化、模塊化、網絡化、集成化的方向迅速發(fā)展，這是今后國際船舶電站自動化技術發(fā)展總趨勢[5]。</p><p>　　1.2船舶高壓電站及其組成和分類</p><p>　　船舶電站是船舶電力系統最重要的組成部分，是船舶電力系統的核心。船舶電站是一個能量轉換裝置，其將非電形態(tài)的能量轉化為符合實際使用要求的電能并向電網

22、供電的各種設備的總稱。整個系統一般有發(fā)電機組（原動機和發(fā)電機）以及開關電器、測量儀表、保護裝置、控制單元等構成的配電盤組合而成。</p><p>　　按照電流的種類，船舶電站可分為交流電站和直流電站；按照原動機的類型又可以分為柴油機、蒸汽機、汽輪機和燃氣輪機四種電站；如果按照自動化程度來分類，則有手動、半自動和全自動船舶電站。</p><p>　　當主發(fā)電機由于故障或其他原因失去供電能力時

23、，則由應急電站通過應急電網向重要的應急設備供電，一般應急電站由一臺功率稍低的應急發(fā)電機組構成，當船舶主電站失去供電能力時，要求應急發(fā)電機組45s內完成自動啟動、向應急電網供電的任務。由蓄電池和充放電板組成立臨時應急電站，當船舶主發(fā)電機組失去供電能力并且應急電站尚未成功啟動的一小段時間間隔內，或者主電站和應急電站都失去供電能力時，則由臨時應急電站給必要的照明和船舶通訊導航設備供電。但是臨時應急電站只能連續(xù)供電30min。</p>

24、;<p>　　隨著現代船舶用電設備功率的不斷提高，高壓電力系統的應用又不斷增加的趨勢。使越來越多的大型船舶采用船舶高壓電站的原因是：</p><p>　　對500V以下的電力系統，開關電器和保護裝置的斷流容量無法承受過大的短路電流，使電站無法滿足實際生產需要。</p><p>　　制造500V以下的大功率發(fā)電機和電動機（分別為2000kw以上和200kw以上）由于已經接近功率

25、極限所以實際很難被制造應用，也很不經濟。</p><p>　　如果使用500V以下電壓來進行大功率電能輸送，將會導致電纜有金屬橫截面變大，且需要多根并聯，導致安裝和布線過程很不方便。隨著電站電壓的提高，在輸送相同功率使用電纜數量和規(guī)格都會大大降低，進而使敷設的工作量大大降低，所以船舶高壓電力系統已經成為大型油輪、客輪、某些特殊工程船舶和電力推進船舶等的必選。</p><p>　　在使用船舶

26、高壓電力系統后，配電方式、開關形式、保護裝置、電纜端頭、接地和變壓器的構造和處理方法都和使用500V以下的低壓船舶電站有很大差別。其中，高壓系統往往采用中性點接地系統，但是低壓電站通常使用中性點絕緣系統，他們有著本質的區(qū)別[6]?，F在船舶高壓電站系統一般采用高電阻接地方式。 </p><p>　　1.3 PLC在控制系統中的應用</p><p>　　PLC（可編程邏輯控制器）是一種專門為在

27、工業(yè)環(huán)境應用而設計的計算機控制裝置，主要用來替代繼電器來實現邏輯控制。PLC的主要功能有開關量控制、模擬量控制、定時控制、計數控制、步進控制、數據處理、定位控制、自診斷功能、通訊聯網功能和顯示打印功能等。</p><p>　　PLC的最主要特點有：可靠性高、通用性強且適應性好、接口能力強、編程直觀簡單、模塊化結構、體積小、結構緊湊、方便安裝和維修。</p><p>　　由于船舶電站的控制系

28、統需要長時間在多變的環(huán)境下工作，其復雜的元器件和控制設備很有可能會受到干擾，所以船舶電站的控制系統必須保證可以可靠運行，PLC憑借著對惡劣工業(yè)環(huán)境的高適應性和高可靠性，越來越多地應用在船舶電站的控制系統中。</p><p>　　1.4本課題研究的主要內容</p><p>　?。?）船舶高壓電站遙控操控臺功能的相關理論基礎。</p><p>　　本部分是整個課題的理論

29、基礎，介紹了電機自動啟停的條件和過程、自動并車過程的原理和應滿足的條件，以及相關的保護報警裝置。</p><p>　?。?）使用PLC來實現船舶高壓電站遙控操控臺的功能</p><p>　　本部分設計了船舶高壓電站操控臺的主要功能的控制框圖，并根據控制框圖來編寫PLC程序。</p><p>　?。?）使用MCGS組態(tài)軟件來設計遙控操控臺界面</p>&

30、lt;p>　　本部分主要是使用MCGS組態(tài)軟件來繪制操控臺的交互界面，設計原則為方便操作，信息全面，讀取清晰。并且嘗試實現上位機和下位機的互聯，完成整個操控臺功能的模擬。</p><p>　　第2章 船舶高壓電站遙控操控臺的功能</p><p>　　2.1船舶高壓電站遙控操控臺的自動啟動部分</p><p>　　2.1.1發(fā)電機組自動啟動的邏輯判斷條件<

31、/p><p>　　有以下三種情況就應該發(fā)出“備用發(fā)電機組啟動”的指令。</p><p>　　電網是否已經失電。一旦電網已經失電，系統將按照各個備用機組的優(yōu)先啟動順序將已經準備就緒的備用機組啟動，經過延時合閘，將電網恢復供電。</p><p>　　正在電網工作的機組出現故障不能繼續(xù)正常工作。與上條的過程相似，系統將按照各個備用機組的優(yōu)先啟動順序將已經準備就緒的備用機組自動

32、啟動，經過延時合閘，替換掉之前出現故障的機組。</p><p>　　在船舶電站需要并入新的機組工作時。分兩種情況，第一種情況是在網運行的機組已經“重載”。所謂“重載”即當在網運行的各臺機組的負荷已經達到80%并且有可能繼續(xù)上升，將自動啟動相關備用機組，經過準同步并車將其與在網電機并聯運行以滿足不斷上升的負載。第二種情況是當在網運行的機組數量比系統事先設定的最小在網運行機組數小時，則自動啟動下一臺準備就緒的機組，經

33、過準同步并車并入電網一起并聯運行。</p><p>　　2.1.2發(fā)電機組自動啟動部分操控臺的設計</p><p>　　關于機組的自動啟動過程，不同場合有不同的方法，總體上有兩種方法，一種是嘗試啟動三次，一種是只啟動一次。本次使用嘗試啟動三次的方法。</p><p>　　當目前條件已經滿足機組自動啟動的條件時，發(fā)出自動啟動指令。自動啟動程序在被執(zhí)行后，系統會檢測是否

34、已經啟動成功，如果啟動失敗，系統將再次嘗試啟動，發(fā)出啟動指令。在這個過程中系統會發(fā)出三次啟動指令，如果三次都未能成功啟動，系統將放棄本臺機組，發(fā)出“某臺機組啟動失敗”的報警信號，提示相關人員準備啟動其他機組。</p><p>　　在啟動成功之后，系統將檢測母排是否有電。如果母排失電，說明啟動備用機組的原因為電網失電或者在網電機故障已經停機，此時PLC控制器會發(fā)出合閘指令，使本臺機組直接向母排供電，即“首機合閘”。

35、如果此時母排已經有電，則說明在網運行機組重載需要并入新的機組，這時PLC控制器會發(fā)出“請求并車”指令，執(zhí)行自動準同步并車模塊。</p><p>　　2.1.3發(fā)電機組自動啟動的流程圖</p><p>　　圖2.1 發(fā)電機組自動啟動流程圖</p><p>　　2.1.4遙控操控臺啟動模塊在PLC上的實現</p><p>　　使用西門子S7-20

36、0系列PLC，在Step 7-Micro/Win編程軟件中編寫梯形圖，下面介紹整個功能實現的過程。</p><p>　　梯形圖如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 發(fā)電機三次自動啟動PLC梯形圖</p><p>　?。?）發(fā)電機三次啟動操控臺程序的設計思想</p><p>　　在實驗室中，本文使用西門子S7-200 CPU-226

37、來實現上述程序的邏輯控制功能，由于需要模擬量輸入，另外連接了具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能的EM235模擬量擴展模塊。</p><p>　　為了方便調試、修改，我編輯了符號表，如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 操控臺三次自動啟動模塊PLC符號表</p><p>　　限于實驗室的條件，使用0-15V的可調恒壓源來模擬電網原有電壓和待啟動發(fā)電機的電

38、壓，然后運用上述梯形圖的“網絡1”和“網絡2”將0-15V的輸入數值轉化成實際上的數量級，變換后的電網電壓存儲在VD6上，待啟動發(fā)電機的電壓存儲在VD16。</p><p>　　開關量I0.0~I0.2為三次嘗試啟動輸入，用導線連接在實驗室的硬件開關上。整個系統的實物連接照片如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 系統連接實物圖</p><p>　　本文使用

39、成本最低、應用最廣泛的PC/PPI電纜將計算機與PLC連接，在STEP 7-Micro/Win編程軟件設置好PG/PC接口，再自動搜索到正在使用的在線PLC，將程序下載到PLC中，然后把PLC設置成RUN模式開始運行程序。撥動第一個物理開關將開關輸入量I0.0接通，開始整個“發(fā)電機三次啟動”的過程。</p><p>　　與惡劣的實際使用環(huán)境相比，在實驗室中基本無法自然遇到啟動失敗的情況，所以為了檢驗報警系統是否正

40、常工作，需要模擬各種失敗的情況。</p><p>　　啟動失敗。以模擬第一次啟動失敗為例，這種情況是在開關輸入量I0.0置1時，延時接通定時器T37延時三秒置1（網絡5），然而標志第一次啟動成功的變量M0.0并沒有置1（網絡6）。所以我在網絡6上添加了新的開關輸入量I1.1，作為第一次啟動的失敗模擬開關。同理，在網絡8和網絡10前面也同樣添加啟動失敗模擬開關，分別為I1.2和I1.3 。在測試過程中，需要失敗幾次

41、就順序撥動幾個失敗模擬開關即可。三次都沒啟動成功時（I1.1、I1.2、I1.3.都置1），輸出量Q0.0輸出1，發(fā)出啟動失敗報警（網絡11）。</p><p>　　無法建立電壓的情況。檢測是否建壓是在啟動成功的前提下進行的，在實驗室中模擬建壓失敗的情況，只需要通過旋轉恒壓源的旋鈕，將待啟動電機電壓VD16的數值人為降低即可，當VD16的數值在建壓成功條件（不小于450V，且不大于550V）之外時，變量M0.4值

42、為零（網絡13），此時延時接通計時器T40開始計時，超過時限仍未建壓則T40值為1（網絡14），Q0.1有能流通過值為1，報警（網絡15）。</p><p>　　在待啟動電機成功啟動且成功建立電壓之后，需要判斷此時電網是否有電（判斷VD6是否為0），如果帶電，說明該發(fā)電機是用來并車的，發(fā)出“并車請求：指示（網絡16）；如果不帶電，則這臺發(fā)電機為首機合閘，發(fā)出“首機合閘”指示（網絡17）。</p>&

43、lt;p>　　經過運行調試，這組程序較好地完成了發(fā)電機組三次啟動的功能，為后來制作MCGS人機交互觸控屏打好了基礎。</p><p>　　2.2船舶高壓電站遙控操控臺的并車部分</p><p>　　2.2.1船舶同步發(fā)電機的并聯運行</p><p>　　船舶在航行時對供電的可靠性和經濟性有比較高的要求，所以船舶電站上裝設的同步發(fā)電機通常會有兩臺或者兩臺以上。多

44、臺發(fā)電機通過公用母線向整個船舶的用電設備供電，即發(fā)電機組的并聯運行?！安④嚒敝傅氖前寻l(fā)電機組投入并聯運行的過程。</p><p>　　一般來說，有以下三種情況需要進行并車操作。</p><p>　　為了滿足電網負荷的需求。當負載達到在網運行機組總容量的80%，而且負載仍有可能增加時，就要請求并車。</p><p>　　當船舶正在進出港口、靠離碼頭或者在進出狹窄水道等

45、需要不斷做機動航行時，為了保證航行的安全性，需要兩臺或者以上的發(fā)電機組并聯運行，此時可能會請求并車以達到在網發(fā)電機組的數量要求。</p><p>　　當某臺在網運行機組需要被備用機組替換掉的時候，為了在替換過程中保證全船不失電且時刻滿足負載要求，就需要提前通過并車進行替換。</p><p>　　船舶同步發(fā)電機采用多機組并聯運行的優(yōu)點是：</p><p>　　提高了船

46、舶發(fā)電機組的工作效率。如今大多數發(fā)電機如果要以最佳效率運行，都要在接近滿負載的情況下才可以。而且大多數船舶在不同工況下，它的負載量會相差很大，比如一些大型工程船舶，在普通航行時和工作生產時的負載相差巨大，所以它們一般會有多個發(fā)電機組并聯運行。在負載較小時使用較少的機組使它們都接近滿載運行，以達成最高的工作效率，當負載增加時，就最小限度地并入備用機組，因此在各種工況下總能維持發(fā)電機組的對高效率運行。</p><p>

47、;　　維護、檢修發(fā)電機組方便。當船舶在正常工作時需要對某臺在網運行機組進行檢修時，可以先將備用機組并入電網運行，進行負載轉移，然后再將需要維修的機組從電網上解列。這樣保證了在整個維修過程中全船不失電，使檢修發(fā)電機的過程更加方便、安全和經濟。</p><p>　　保證船舶運行的可靠性。由于多臺機組并聯運行，當某臺機組發(fā)生故障無法運行時，可以由剩下的機組維持全船基本的用電需求，相比于單機組電站來說大大地提高了供電可靠

48、性。</p><p>　　2.2.2船舶同步發(fā)電機的準同步并車</p><p>　　同步發(fā)電機組的并車方式分為兩大類：自同步并車和準同步并車。原動機把尚未勵磁的待并發(fā)電機轉速拉到同步轉速時，將其合閘，同時立即給發(fā)電機組勵磁，由于機組間的自整步作用，使其同步，實現了待并機組與原電力系統并聯運行。與準同步并車不同的是，待并機組在并聯之前定子是無電壓的，相當于一個感性負載，合閘時會造成較大的母線

49、電壓下降，同時產生很大的沖擊電流和沖擊轉矩。因為陸地電力系統的容量是無限大的，所以這種沖擊并不明顯，但是在船舶電力系統中，由于容量較小，會給整個船舶電網造成很大影響[7]。因此，船舶上普遍采用準同步并車的方法。</p><p>　　理想的準同步并車有三個條件：待并發(fā)電機的電壓與運行發(fā)電機（或電網）的電壓大小相等；待并發(fā)電機的頻率與運行發(fā)電機（或電網）的頻率數值相等；待并發(fā)電機電壓的初相位（初相角）與運行發(fā)電機（或

50、電網）電壓的初相位（初相角）一致。</p><p>　　如果滿足了上述三個條件，則待并發(fā)電機的電壓向量與電網的電壓向量完全重合，而且同步運行。此時并車，沖擊電流為零，是最理想的情況。把電壓相等、頻率相等相等和相位完全一致成為理想的并車條件。并車操作實際上就是不斷調整待并機組的電壓、頻率和相位，在達到理想條件時通過合閘來并入電網，這樣就使得并入瞬間沖擊電流為零，并聯之后電站各機組能保持穩(wěn)定的同步運行。</p&

51、gt;<p>　　在實際生產中，船舶電站要在進行準同步并車時完全達到理想的準同步并車條件是不可能的，但只要電壓差、頻差和相角差差別不大，在并車時產生的沖擊電流就會在允許范圍內，并入電網之后，通過自整步作用各機組會逐漸同步工作[1]。</p><p>　　所以，實際并車的三個條件為：</p><p>　　并車操作中電壓差不得大于額定電壓的10%，即△U≤±10%Ue。

52、在電網負載比較平穩(wěn)的情況下，通常船舶發(fā)電機的調壓器是能夠滿足這一條件的，因為一般船舶發(fā)電機的調壓器靜態(tài)電壓調整率為±2.5%，如果發(fā)電機調壓器正常，完全可以滿足并車操作電壓差不大于±10%Ue的要求。</p><p>　　并車操作時相位差在±15°以內。</p><p>　　并車操作時頻差△f≤±1%fe。如果船舶電站的額定頻率為50Hz，

53、則并車時的頻差△f≤±0.5Hz即可。</p><p>　　2.2.3自動并車裝置的功能及組成</p><p>　　自動并車裝置的主要功能為：</p><p>　　頻差方向鑒別。即檢測待并發(fā)電機組和電網電壓的頻率差和正負，根據其大小和正負自動控制待并發(fā)電機加速或減速，這個過程稱為頻率預調，讓兩者的頻率接近，創(chuàng)造合閘條件[8]。</p><

54、;p>　　鑒別合閘條件。設置一個與門，與門置1的條件為帶并發(fā)電機組的電壓差、頻率差和相位差符合實際操作要求。</p><p>　　由于主開關有固有的動作時間，所以需要在同步點之前提前發(fā)出合閘指令，這樣就實現了自動準同步并車。</p><p>　　根據上面的功能，自動并車裝置由以下幾個模塊組成：脈動電壓形成，頻差方向鑒別，調速脈沖控制電路，獲取恒定超前相角或者超前時間信號的環(huán)節(jié)，允許合

55、閘的頻差和電壓差檢測，和一個合閘與門。當頻差、電壓差和恒定超前相角/超前時間環(huán)節(jié)都滿足要求時，合閘與門輸出1發(fā)出合閘指令。只要有一個條件不滿足，則合閘與門輸出為0不合閘[9]。</p><p>　　2.2.4遙控操控臺并車模塊的功能</p><p>　　（1）頻率預調功能。顯示待并發(fā)電機和電網的頻率，得出頻率差的大小和正負來做出相應的顯示，向帶并發(fā)電機組發(fā)出加速或者減速的信號，使待并發(fā)電機

56、的頻率不斷接近電網頻率，為合閘創(chuàng)造條件。</p><p>　　（2）將合閘的三個條件用指示燈顯示在操控臺上，當三個條件都符合要求時，通過一個與門在操作臺上提示相關人員可以進行合閘操作。 </p><p>　　并車模塊操控臺的功能框圖如圖2.5所示。

57、 </p><p>　　圖2.5 并車模塊操控臺功能框圖</p><p>　　2.2.5遙控操控臺并車模塊在PLC上的實現</p><p>　　使用西門子S7-200系列PLC，在Step 7-Micro/Win編程軟件中編寫梯形圖，下面介紹整個功能實現的過程。</p><p>

58、;　?。?）梯形圖如圖2.6所示： </p><p>　　圖2.6 操控臺并車模塊PLC梯形圖</p><p>　?。?）發(fā)電機準同步并車操作臺程序的設計思想</p><p>　　在實驗室中使用西門子S7-200 CPU-226 來實現上述程序的邏輯控制功能，由于需要模擬量輸入，另外連接了具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能的EM235模擬量擴展模塊。</p

59、><p>　　為了方便閱讀、調試和修改程序，編輯了符號圖，如下圖所示：</p><p>　　圖2.7 操控臺并車模塊PLC符號表</p><p>　　限于實驗室的條件，使用兩個可調恒壓源來作為“在網電機頻率”和“待并電機頻率”的信號輸入（分別為網絡18的AIW4和網絡19的AIW6）。經過轉換和標準化輸出為0~1連續(xù)變化且可調的VD26和VD36，乘以10后再加45.0

60、，輸出數值為45~55的“頻率信號”（VD26和VD36）。</p><p>　　把來自“發(fā)電機三次啟動”界面的“并車請求信號”存放入M2.0中（網絡16），作為“準同步發(fā)電機并車操作臺”開始工作的條件。同時設置I0.6“開始監(jiān)視”按鈕，既保證了目前系統條件可以開始進行并車操作，又確保操作臺前有工作人員。（網絡20）</p><p>　　電網頻率和待并發(fā)電機頻率相減后得到頻率差信號VD50

61、，如果VD50小于0則表示此時為負頻差，輸出加速信號Q2.0；如果VD50大于0.5說明△f＞1%fe，輸出減速信號Q2.1 。（網絡20）</p><p>　　進行加減速，即頻率預調的時間限制為10s，使用有記憶的接通延時定時器T5來實現，累計預調超過10s后輸出頻率預調超時報警Q2.2 。（網絡21、網絡22）當頻率差滿足條件后，輸出頻率差合格信號M2.4 。（網絡25）</p><p&g

62、t;　　接下來判斷電壓差VD54是否滿足△U≤±10%U?的條件，如果不滿足則輸出電壓差不合格報警Q2.3 。（網絡23和網絡24）。</p><p>　　合閘與門的條件為：開始進行并車操作M2.0、電壓差合格M2.3、頻率差合格M2.4、合閘時間到M2.5 。條件都滿足時置1，輸出可以合閘信號Q2.4 。（網絡27）</p><p>　　關于模擬故障的情況，即頻率預調超時和電壓

63、差不合格，在實驗室中人為地調整直流恒壓源的輸出使之不滿足既定條件即可。將程序下載到S7-200系列PLC中并且運行，各能流通斷正常，實現了準同步并車遙控操控臺的功能。為之后在MCGS上實現打好了基礎。</p><p>　　2.3 PLC程序調試過程中遇到的問題和解決過程</p><p>　　模擬量輸入數值不穩(wěn)定</p><p>　　本文使用EM235作為PLC的模擬

64、量輸入輸出擴展模塊，模擬量信號由實驗室的直流恒壓源產生。在調試過程中，發(fā)現模擬量輸入變量AIW0、AIW2、AIW4和AIW6的數值總在最大值和正常值之間不規(guī)律地跳動，導致程序的各個比較、計算環(huán)節(jié)的結果不斷變化，無法實現設計的功能。</p><p>　　首先我懷疑是電壓源本身輸出的電壓不穩(wěn)定，進而使用萬用表測量了恒壓源各個輸出端的電壓，發(fā)現很準確且并不跳動。其次考慮到PLC各模塊和電源、PC、恒壓源之間的導線比較

65、雜亂，可能某些裸露導線互相接觸導致接觸不良，于是在斷電的情況下將所有導線拆下重新連接并且有序分組，通電之后發(fā)現并不能解決問題。</p><p>　　幾天后再次調試程序時，發(fā)現在扭動恒壓源旋鈕時模擬量輸入值不跳動，當調整結束手指離開旋鈕后重新跳動。經過反復對比研究后發(fā)現是恒壓源的接地出現故障，用導線將恒壓源的金屬外殼和金屬操作臺相連后故障解決。</p><p>　?。?）有記憶延時接通定時器

66、T5的復位</p><p>　　在調試準同步并車操作界面時，發(fā)現頻率預調超時報警功能出現問題，由于有記憶延時接通定時器T5的當前值在EN端沒有能流輸入后并不會自動清零，導致超時報警后系統一直保持報警，無法關閉。為解決這個問題增加了一條T5復位的語句。</p><p>　　三次啟動失敗報警錯誤</p><p>　　在模擬發(fā)電機三次啟動失敗的過程中，發(fā)現如若第一次啟動失

67、敗但尚未嘗試第二、第三次啟動時，三次啟動失敗報警指示燈錯誤報警。經研究相關語句，將該語句的T37、T38、T39或門判斷條件改為三次嘗試啟動開關輸入量I0.0、I0.1、I0.2與門判斷條件，問題解決。</p><p>　　并車界面的電壓差報警提前報警</p><p>　　在調試準同步并車操作界面時，發(fā)現即使尚未開始準同步并車操作，仍然進行電壓差報警。產生這個問題的原因是因為該報警語句缺少

68、一個與門條件，把“開始進行并車操作”的變量M2.0以與的方式加入即可解決問題。</p><p><b>　　2.4本章總結</b></p><p>　　本章首先研究了船舶電站同步發(fā)電機啟動和準同步并車的原理和條件。根據以上的理論基礎和遙控操控臺需要實現的功能，繪制了功能框圖并按照框圖編寫了PLC程序。</p><p>　　將PLC程序下載到S7

69、-200系列PLC中進行調試的過程中發(fā)現了很多問題，經過不斷修改，逐一解決了問題并完善了功能。</p><p>　　第3章 基于MCGS的遙控操控臺設計</p><p><b>　　3.1組態(tài)軟件概述</b></p><p>　　組態(tài)軟件譯自英文SCADA，即Supervision Control and Data Acquisition（數據

70、采集與監(jiān)視控制）[10]。組態(tài)軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，他們是在自動控制系統監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具[11]。</p><p>　　3.1.1組態(tài)軟件的選用</p><p>　　可編程邏輯控制器PLC實時傳送數據到上位機，這些數據需要被用戶操作、監(jiān)視，它們需要顯示在操控臺上，進行人機

71、交互。所以在選擇組態(tài)軟件時，需要注意以下兩點：</p><p>　　上位機監(jiān)控操作界面要和PLC之間擁有快速準確的通信。</p><p>　　由于操作界面直接面向用戶，需要友好的人機交互，方便用戶使用、維護和管理。</p><p>　　本次課題選擇MCGS組態(tài)軟件，它可以驅動西門子PLC，用戶不需要接觸PLC與上位機間的通訊協議，只需經過簡單熟悉即可按照說明書將上位

72、機與PLC互聯。MCGS軟件內置種類多樣的元件和功能模塊，讓用戶可以快捷方便地按照實際情況設計上位機操作界面。</p><p>　　3.1.2 MCGS的主要特性和功能</p><p>　　MCGS（Monitor and Control Generated System,通用監(jiān)控系統）是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的一套中文工控組態(tài)軟件，用于快速構造和實現上位機控制系統[12

73、]。它能夠在Windows平臺上運行，通過對PLC數據的采集和處理，以報警處理、動畫顯示、流程控制等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案[13]。</p><p>　　MCGS的主要特性和功能如下[14]：</p><p>　　可視化控制界面直觀而且設計修改方便。</p><p>　　實時性強、良好的并行處理性能。</p><p>　　豐

74、富、生動的多媒體畫面。</p><p>　　結構開放廣泛的數據獲取和強大的數據處理功能。</p><p><b>　　完善的安全機制。</b></p><p><b>　　強大的網絡功能。</b></p><p><b>　　多樣化的報警功能。</b></p>&

75、lt;p>　　實時數據庫為用戶分步組態(tài)提供極大方便。</p><p>　　支持多種硬件設備，實現“設備無關”。</p><p>　　方便控制復雜的運行流程。</p><p>　　良好的可維護性和可擴充性。</p><p>　　用數據庫來管理數據儲存，系統可靠性高。</p><p>　　設立對象元件庫，組態(tài)工作簡單

76、方便。</p><p>　　實現對工控系統的分布式控制和管理。</p><p>　　3.1.3 MCGS的構成</p><p>　　MCGS系統包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分[15]。</p><p>　　組態(tài)環(huán)境可以看做一個完整工具軟件，工具箱中有各種元件，比如矩形、指示燈、開關等，使用起來更像一個畫圖軟件，根據要實現的功能和自己的想法來添

77、加必要的元件，在進行擺放、調整大小，來繪制出一個友好的人機交互界面。組態(tài)生成的結果是一個數據庫文件，成為組態(tài)結果數據庫[9]。</p><p>　　運行環(huán)境是一個獨立的系統，它按照組態(tài)生成的數據庫文件中用戶設定的程序進行相應的運算處理，完成設計的功能[16]。它只有和組態(tài)結果數據庫連接起來才能構成用戶應用系統[17]。所謂組態(tài)就是將界面上的各種工具（比如開關、指示燈、表等）和PLC下位機的具體變量按照事先編寫的程

78、序有機地“連接”起來，將PLC的工作過程形象地表達出來。組態(tài)成功后，運行環(huán)境和組態(tài)結果數據庫就可以獨立運行在監(jiān)控計算機（觸摸屏等）上，不再與組態(tài)環(huán)境相關。</p><p>　　組態(tài)結果數據庫完成了MCGS系統從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的關系如圖3.1所示[18]： </p><p>　　圖3.1 組態(tài)環(huán)境、組態(tài)結果數據庫和運行環(huán)境的關系</p><p>　

79、　3.2 三次啟動操控臺界面的設計</p><p>　　3.2.1發(fā)電機組三次啟動界面</p><p>　　如圖3.2所示，發(fā)電機組三次啟動界面：</p><p>　　圖3.2 發(fā)電機三次啟動界面</p><p>　　操控臺界面為對稱設計，直觀方便。左右兩邊的儀表分別讀取并顯示電網電壓和待并機組電壓。當按下啟動開關后，下方的“啟動進程”指示燈

80、會顯示目前正在進行第幾次啟動，如果三次嘗試啟動都失敗，則下方的“三次失敗”指示燈會閃爍紅燈。在啟動成功并建壓成功后，根據目前電網是否有電，“請求并車”和“首機合閘”指示燈會變成綠色提示相關操作。按右下方“進入同步并車”按鈕可以進入同步并車界面。</p><p>　　3.2.2三次啟動操控界面與PLC的組態(tài)過程</p><p><b>　　創(chuàng)建對象。 </b></

81、p><p>　　進入工作臺的實時數據庫頁面，按照操作臺界面上添加的元件（如儀表、指示燈等）來增加對象，并且設置對象屬性，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 設置對象屬性</p><p>　　先要編輯對象名稱，以“第二次啟動”為例，它在程序中對應的是開關輸入量I0.0，所以對象初值設為0，對象類型選擇“開關”，然后確認。按照這種方法以一定次序逐個新增對象即可。

82、這個步驟添加了整個過程中所需要的操作對象，但是這些對象既沒有和操控臺上的元件連接，也沒有和S7-200程序中的變量連接，下面我需要把增加的對象和操控臺上的元件連接。</p><p>　　操控臺界面各構件的操作屬性</p><p>　　要設置各個構建的操作屬性，實際上就是要實現構建和其對應的變量能互相做出反應。以“啟動成功”指示燈為例，雙擊，如圖3.4所示：</p><p

83、>　　圖3.4 操作屬性設置</p><p>　　進入“數據對象”選項卡，單擊“？”，彈出變量選擇窗口，我們選擇剛才創(chuàng)建的“啟動成功”對象，確認。這樣就完成了開關型對象“啟動成功”和操作臺上的“操作成功指示燈”互聯，當開關型對象的數值發(fā)生變化時，指示燈會相應作出反應（填充顏色）。</p><p>　　將對象與PLC程序中的變量連接</p><p><b&

84、gt;　　圖3.5 設備窗口</b></p><p>　　如圖3.5所示，在工作臺窗口進入“設備窗口”選項卡，雙擊“設備窗口”圖標進行設備組態(tài)，在尚未設置前，設備窗口是空的，需要單擊主菜單中的“工具箱”來進入設備工具箱選擇我所使用的PLC型號，雙擊“通用串口父設備”之后再雙擊“西門子_S7200PPI”，至此完成了設備選擇。</p><p>　　現在開始將PLC程序中的變量與M

85、CGS中的對象關聯，如圖3.6所示。雙擊設備窗口中的“設備0--[西門子_S7200PPI]”進入設備編輯窗口；單擊“增加設備通道”，我們以創(chuàng)建功能為“第一次啟動”的I0.0開關輸入量為例，通道類型選擇“I寄存器”，通道地址為0，數據類型選擇“通道的第00位”，確認，這一步我們在MCGS上添加了開關變量I0.0 。</p><p>　　圖3.6設備編輯窗口</p><p>　　下面來把I0

86、.0與第一步創(chuàng)建的對象關聯。如圖3.7所示，雙擊“只讀I000.0”行、“連接變量”列的空白處，彈出了“變量選擇”窗口，選擇“第一次啟動”變量，確認。至此，已經把“操作臺界面構件”、“MCGS軟件中的對象”和“PLC程序中的變量”這三者一一對應起來，它們的狀態(tài)會互相影響，同時改變。</p><p>　　圖3.7 變量選擇窗口</p><p>　　3.2.3 觸摸屏、PC、PLC之間的連接和

87、通訊</p><p>　　三個硬件之間的物理連接。</p><p>　　如圖3.8所示, 用USB線將觸摸屏與PC相連，用COM口將觸摸屏與S7-200 CPU226相連，同時用PC-PPI線纜將PLC和PC相連。</p><p>　　圖3.8 PC、PLC和涂抹平之間的實物連接</p><p>　　TPC觸摸屏、PC機、S7-200PLC之

88、間的通訊</p><p>　　首先需要將船舶高壓電站操控臺的MCGS工程文件下載到TPC觸摸屏中，讓其顯示。如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 MCGS下載配置界面</p><p>　　單擊主菜單中的“下載工程并進入運行環(huán)境”按鈕，彈出下載配置窗口，選擇聯機運行，連接方式選擇USB通訊，單擊通訊測試，測試成功后單擊工程下載即可將文件下載到TPC觸摸屏中。

89、幾秒鐘后，我設計的操控界面便顯示在了觸摸屏上。</p><p>　　接下來打開STEP-7 Micro/Win編程軟件，打開之前編輯的PLC程序文件，設置PG/PC接口的分配參數為“PC/PPI cable(PPI)”,再進入通信界面找到連接的S7-200 CPU 226。通信設置完成后將程序下載到PLC中，單擊RUN按鈕將PLC運行。</p><p>　　現在在進行相應操作時，PLC按照

90、程序進行邏輯運算，同時在TPC觸摸屏上顯示出各種信息，進行人機交互。如圖3.10所示 .</p><p>　　圖3.10 TPC觸摸屏按程序工作</p><p>　　3.3準同步并車操控臺界面的設計</p><p>　　3.3.1準同步并車操控臺界面</p><p>　　準同步并車操控臺界面如圖3.11所示：</p><p

91、>　　圖3.11 MCGS操控臺并車界面</p><p>　　操控臺的左半部分分別用儀表顯示電壓差和頻率差，并根據二者的正負和大小相應地報警或提示加減速，右側指示燈指示并車的條件是否達到，在都達到時提示合閘。</p><p>　　3.3.2準同步并車操控臺界面與PLC的組態(tài)過程</p><p>　　因為組態(tài)過程是類似的，所以需要為準同步并車操控臺界面上的各種構

92、件新建連接變量，新增的變量和PLC程序中的寄存器對應關系如下：</p><p>　　頻差顯示： 讀寫VD50</p><p>　　電壓差顯示： 讀寫VD54</p><p>　　頻率預調加速： 讀寫Q002.0</p><p>　　頻率預調減速： 讀寫Q002.1</p>&l

93、t;p>　　調節(jié)時間當前值： 讀寫TDUB005</p><p>　　調頻超時： 讀寫Q002.2</p><p>　　壓差報警： 讀寫Q002.3</p><p>　　電壓差合格： 讀寫M002.3</p><p>　　頻率差合格： 讀寫M002.4</p&g

94、t;<p>　　合閘時刻到： 讀寫M002.5</p><p>　　可以合閘： 讀寫Q002.4</p><p><b>　　3.4本章小結</b></p><p>　　本章主要完成了基于MCGS的組態(tài)工作。根據遙控操控臺要實現的功能繪制了界面友好、操作直觀方便的操控臺人機交互界面，并且使用TPC7

95、062KW嵌入式工控一體機顯示。詳細演示了通過MCGS軟件將PLC和觸控屏操作臺的組態(tài)過程，研究了其相互通信的原理。組態(tài)成功后對硬件和軟件進行了最后的調試。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本論文首先簡單介紹了船舶高壓電站的應用現狀，引出了船舶電站自動控制系統的相關知識，以此為基礎討論了自動控制系統各環(huán)節(jié)的理論知識，由于要用到西門子S7-

96、200系列PLC和組態(tài)軟件，本文也將所用到的硬件和軟件進行了簡單介紹。作者在遙控臺設計與實現之前系統地學習了PLC組態(tài)和編程的相關知識，并且學習了MCGS組態(tài)軟件的使用方法，前者實現了操控臺內部對所需信號的采集和簡單控制，后者讓整個操控過程直觀、友好地和用戶交互。</p><p>　　在實現的過程中，基于實驗室和個人水平兩個條件，給出了模擬故障以檢驗系統功能的方法，并且在調試過程中，反復修改程序和人機交互界面，使

97、之邏輯功能清晰準確，各信號顯示符合操作習慣，實現了船舶高壓電站遙控操控臺的基本功能。</p><p>　　在整個過程中，所學的理論知識得到了檢驗，在應用的過程中，遇到了大大小小平時在紙上無法預見的問題，在調試過程中，多角度思考去嘗試解決問題，體會到了理論與實踐的不同，鍛煉了解決問題的能力。同時本文用到的MCGS組態(tài)軟件是完全自學才學會使用的，鍛煉了自己的學習能力。</p><p>　　同時

98、，限于所學知識，本文的遙控操控臺的功能仍然比較基礎，還有一些高級功能無法實現，這是本文的局限性，也是本人繼續(xù)深入研究下去的方向。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 吳志良. 船舶電站及其自動化系統[M]. 大連: 大連海事大學出版社,2010.</p><p>　　[2] 張廣欽. 中國船舶工業(yè)發(fā)展

99、現狀及未來展望[J]. 上海造船，2007(4) : 10-11.</p><p>　　[3] Shaun Horning,Andrew Gonis. Understanding How a Propulsion System Functions in the Real World [J]. Marine Technology, 2015(1): 30-32.</p><p>　　[4]

100、席雯. 船舶電站自動控制系統的設計與實現[D]. 武漢理工大學碩士學位論文，2012.</p><p>　　[5] 祝賀. 船舶電力監(jiān)控系統設計[D]. 哈爾濱工程大學碩士學位論文，2009.</p><p>　　[6] Zhaomin,Fanyinhai. The Voltage Stability Research of Ship Electric Power System[J]. S

101、hip Building, 2014(12): 27-34. </p><p>　　[7] 宋健. 船舶中壓電站實驗室的設計與研究[D]. 大連海事大學碩士學位論文，2009.</p><p>　　[8] 田靜. 基于PAC的船舶電站自動控制裝置的研究[D]. 大連海事大學碩士學位論文，2010.</p><p>　　[9] 周劉靖. 監(jiān)控組態(tài)軟件網絡功能模塊的設計

102、與開發(fā)[D]. 復旦大學碩士學位論文，2010.</p><p>　　[10] 袁秀英. 組態(tài)控制技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[11] Wei HU. Dynamic Hybrid Automatic Voltage Control of the Power System[C]. The 7th World Congress on Intellige

103、nt Control and Automation. June 25-27,2008. </p><p>　　[12] 方彥軍,戚宇威. 基于MCGS組態(tài)軟件的嵌入式串口通信的實現[J].電子工程師，2003(11): 9~11.</p><p>　　[13] 白一鳴.船舶電站自動監(jiān)控系統的設計與研究[D]. 大連海事大學碩士學位論文，2009.</p><p>　

104、　[14] 高鑫. 船舶電站自動控制裝置的研究與設計[D]. 大連海事大學碩士學位論文，2011.</p><p>　　[15] 胡勤耕.基于PLC的船舶電站控制系統研究[D]. 西南石油大學碩士學位論文，2012.</p><p>　　[16] 吳志良,王闖. 基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統的設計[J]. 船電技術，2009(2): 31-34.</p><p>　

105、　[17] 李梅. 基于組態(tài)王的船舶配電系統監(jiān)控軟件研制[J]. 船舶工程，2007(2): 73-76.</p><p>　　[18] 查輔江. 基于PLC的船舶電站控制系統設計與應用[J] 造船技術，2008(4): 27-31. </p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　撰寫畢業(yè)論文是本科學習期間最重要的一項

106、任務之一?；仡欉^去半年，從文章的選題，到收集資料、整理思路，直至最終定稿，老師和同學都給了我極大的鼓勵和支持。</p><p>　　首先感謝我的導師吳志良教授。吳老師學識淵博，態(tài)度嚴謹，待人和藹可親。在整個過程中，我迷茫過，焦急過，每當我找到吳老師求教時，他都能耐心地解答指導，給我指明方向，樹立信心。可以說沒有吳老師，我絕對會走很多彎路。 </p><p>　　同時，感謝和我選擇同一導師的