基于S7-1200 PLC的船舶电站并车装置的设计与实现

徐昭，吴志良



基于S7-1200 PLC的船舶电站并车装置的设计与实现

徐昭，吴志良

(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026)

针对船舶电站自动并联运行技术的要求以及特点，设计自动准同步并车装置。在重点论述并车信号检测基本原理的基础上，选用西门子公司新一代S7-1200 PLC作为核心控制器，以船舶电站物理仿真系统为实验平台，完成了相应的软件编程和外围硬件电路的设计。经实验平台运行验证，该装置完全实现了船舶电站自动准同步并车的功能且运行可靠，并车成功率高。

船舶电站 自动准同步并车 信号检测 S7-1200 PLC 恒定超前时间

0 引言

船舶电站一般由船舶发电机组和配电盘组成，是船舶电力系统的核心。为了满足船舶供电的可靠性和经济性，船舶电站通常设有三或四台同步发电机组作为主电源，规范亦要求至少设置两台船舶主发电机组。两台或两台以上的发电机通过公用母线向全船负荷供电，这就是通常所说的船舶发电机的并联运行，把船舶发电机投入并联运行的操作过程称为并车。

随着船舶电站自动化程度的不断提高和微机控制技术的飞速发展，先进的数字控制式的自动并车装置已显示出其特有的优越性。数字控制方案除了可采用单片机、微机（工控机）作为控制核心之外，还可采用DSP（数字信号处理器）或PLC（可编程逻辑控制器）实现自动控制错误!未找到引用源。。

本文设计的自动并车装置采用西门子公司新一代S7-1200 PLC作为核心控制器，具有集成的PROFINET接口、强大的集成工艺功能（如高速计数器功能、高速脉冲输出或脉宽调制输出PTO/PWM功能、PID功能及运动控制功能等）和灵活的可扩展性等特点，为各种工艺任务提供了简单的通信和有效的解决方案，能满足完全不同的自动化需求错误!未找到引用源。。同时S7-1200 PLC的高可靠性更加适合应用于船舶电站的恶劣工作环境。

1 自动准同步并车信号检测的原理

将一台发电机组投入电网并联运行时，不能随便将待并发电机的主开关与电网相接通，否则可能会产生较大的冲击电流，严重时会造成整个船舶电力系统崩溃。所以在将待并发电机投入电网运行之前，它的某些参数必须满足一定的要求才允许进行并车操作。

经理论和实践证明，准同步并车的三个限制条件为错误!未找到引用源。：

1) 待并发电机电压与电网电压之差应不得大于额定电压的10%；

2) 待并发电机频率与电网频率之差应严格限制在±1%额定频率值以内；

3) 待并发电机电压的初相位与电网电压的初相位之差应限制在±15°以内。

下面将分别对电压、频率、相位这三个参数的采集与处理方法进行详细论述。

1.1 电压信号的采集与处理

到目前为止，因为船用自励恒压发电机的电压都能保证在并车的允许范围内，所以在一般情况下，都省去调压部分，只设大电压差闭锁环节错误!未找到引用源。。

本文设计主要采用交流电压变送器检测电压信号，其获取与测量过程大致如下：首先，将待并发电机侧与母排侧的电压分别经互感器降至100 V；其次，将互感器二次侧的电压信号送至电压变送器的输入端进行处理与转换；最后，将电压变送器的输出端输出的标准直流电压信号经AI/AQ模块SM 1234输入PLC之中，从而完成电压信号的测量。本文选用北京低压电器厂提供的型号为CTA01的交流电压变送器，其输入电压的量程为100 V，输出形式为0~5 V的标准直流电压信号。

为了实现大电压差闭锁环节，本文将PLC采集到的母排电压信号与待并机电压信号进行比较即可判断出电压差条件是否满足要求。当PLC检测到电压差条件满足要求（本文设定为小于10%U）时，则置标志位，并进入下一个条件的检测；若不满足，PLC将禁止发出合闸指令，并发出报警信号。

1.2 频率信号的采集与处理

频率信号的采集与处理是实现自动准同步并车功能的重要环节。本文设计主要采用频率变送器检测频率信号，即把输入的频率信号变换为标准的直流电压信号，最后送至PLC的模拟量输入采集模块。

根据本文所设计的系统参数，选用北京低压电器厂提供的型号为S3-FD-450V2的频率变送器，该频率变送器工作方式灵活可靠，且在量程范围内具有极高的线性度，其输入量程为45 ~55 Hz（100 V），输出范围为0~5 V的标准直流电压信号，此标准直流电压信号经AI/AQ模块SM 1234输入PLC，从而完成对频率参数的测量以及频差的计算。

当频率差的方向和大小不满足并车条件时，PLC发出加速/减速控制信号，调节原动机的转速，从而改变发电机的频率直至满足准同步并车的频率差条件。当系统频率出现异常时，PLC将禁止发出合闸指令，并发出报警信号。

1.3 相位信号的采集与处理

相位信号的采集与处理是实现自动准同步并车功能的难点和关键环节。在将待并发电机投入电网时，主开关的触头应该在相位差为零时闭合，但是考虑到主开关的固有动作时间的影响，系统必须在相位差过零之前的某一时刻就发出合闸指令，这一提前指令可以用时间来衡量。

本文采用恒定超前时间的方法来获取提前合闸量。首先把电网的正弦波电压和待并发电机的正弦波电压通过波形变换电路分别变换为同频方波，波形变换电路如图1所示。

然后对电网和待并发电机的电压方波U和U的边沿进行检测，通过测量两方波信号对应的上升沿之间的时间差，就可以获得提前发出合闸指令的时间

如图2所示。

在图2中，设电网电压和待并发电机电压的周期分别为T、T，待并发电机电压滞后于电网电压的时间为t，主开关的固有动作时间为t，若要求在同相点合闸，此时t的值是唯一的，且可以由一个以T、T和t为变量的函数关系确定，即：

具体的推导过程如下：

在已知频差周期T

公式（3）所表达的物理意义是：已知检测到的t，则在经过时间t后，相位角差为零，即电网电压和待并发电机电压的相角相等。

也就是说，若t为已知的主开关的固有动作时间，则对应的t，为：

在公式（4）中代入主开关的固有动作时间为t和T、T的值，便可计算出t的理想值t，。在程序中，不断拿实际检测到的t值与理想值t，相比较，当两者非常接近时即表示满足条件，发出合闸脉冲信号错误!未找到引用源。。

本文采用S7-1200 PLC中CPU自带的高速计数器HSC6来测量时间差t，其基准脉冲时钟信号为20 kHz。以U的上升沿触发高速计数器清零并开始计数，当U的上升沿到来时读出HSC6的计数值，此时得到的计数值就可以换算出t。

本文设计的自动并车装置原理框图如图3所示。

2 系统的工作流程

本文设计的自动准同步并车装置的工作流程如图4所示。

1) 系统初始化后，首先检测电压条件是否满足并车要求。当电压差条件满足要求时，程序进入下一流程，否则系统将禁止发出合闸指令，并发出报警指示；

2）检测电网的频率，若电网频率偏离额定值，则将其调整到额定值；

3）需要进行并车操作时，则将进行待并发电机组的频率检测。为了避免并车时出现逆功的现象，提高并联运行环节的稳定性，本文将待并机与电网的频率差的范围限定为+0.1～+0.25Hz；

4）最后检测相位差条件是否满足并车要求，按照本文前述的相位条件检测的实现方法获取了合闸的恒定超前时间发出合闸指令，从而完成整个系统的自动并车功能。

3 主要技术环节的实现与分析

3.1 高速计数器的组态与配置

本文选取的S7-1200 PLC的CPU模块为CPU 1214C DC/DC/DC，该模块具有14点数字输入和10点数字输出，并提供了六个高速计数器（HSC1～HSC6），其独立于CPU的扫描周期进行计数，可测量的单相脉冲频率最高为100 kHz。经综合考虑，本文采用高速计数器HSC6来测量恒定超前时间，其最高的计数频率为30 kHz。HSC6的组态和配置如图5所示。

图4 系统工作流程图

3.2 20 kHz基准脉冲时钟信号的产生

本文选取的S7-1200 PLC的CPU模块还集成了四个输出通道（PTO1/PWM1~ PTO4/PWM4）用于高速脉冲输出，分别可组态为PTO或PWM。但是，由于PTO的功能只能由运动控制指令来实现，所以本文将PTO1/PWM1组态为PWM功能用来产生20kHz的基准脉冲时钟信号，其组态与配置如图6所示。

但是需要注意的是，此方法产生的基准脉冲信号是双极性的，而PLC的高数计数器只能识别单极性的脉冲信号。为了解决这一问题，本文将PLC的PWM输出端口Q0.0输出的基准脉冲信号经二极管滤除掉负半周部分之后再送至PLC的高速计数器HSC6的计数脉冲输入端口I1.3。实验结果表明，利用PLC本身输出的基准脉冲，方法简单方便、抗干扰能力强，其波形质量基本不受外界影响，稳定性好。

3.3 误差分析

通常情况下，相位差是影响并车成功率的主要因素。下面将对本文设计的船舶电站自动准同步并车装置的合闸时刻相角的误差进行详细分析。

S7-1200 PLC高速计数器HSC6单相的计数频率为30 kHz，周期约为0.033 ms，即被测的时钟信号周期不得小于0.033 ms。本装置采用的基准脉冲时钟信号的频率为20 kHz，周期为0.05 ms，满足高速计数器的计数要求。

由于高速计数器每隔0.05 ms计数一次，所以实际检测到的t值可以表示为：

其中为与t对应的高速计数器的计数脉冲个数。

通常主开关的固有动作时间t为100 ms，频率差（f-f）为0.25 Hz，电网频率f为50 Hz，代入公式（4），即可算出t的理想值t，为0.5 ms。由于

由公式（6）可以看出，t与t，之间的比较可以看成是与其相对应的计数脉冲个数之间的比较。

在此部分程序中，本文设定当t与t，的差值小于0.1 ms时发出合闸指令，即|-10|<2，可得8<<12，满足上述不等式的的值为9、10、11。则当=11时，合闸时刻的相角误差最大，与之相对应的t的实际值为11×0.05 ms=0.55 ms，此时对应的最大相角误差∣Δ∣=9.9°，完全满足准同步并车的相位差条件。

4 结论

本文设计的自动准同步并车装置在船舶电站物理仿真实验平台上经过了反复试验，结果证明该装置性能稳定、抗干扰能力强、可靠性高，与传统的自动并车装置相比它有着明显的优势，对于提高我国船舶电站的自动化水平起到了一定的借鉴作用。

[1] 吴志良.船舶电站[M].大连:大连海事大学出版社, 2012.

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Design of Automatic Parallel Operation Set for Marine Power Station Based on S7-1200 PLC

Xu Zhao, Wu Zhiliang

（Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning , China）

U665

A

1003-4862（2014）11-0048-04

2014-09-13

徐昭（1989-），男，硕士研究生。研究方向：船舶电力系统。