基于CC-Link/LT、PLC、LabVIEW的船舶电站监控系统研究

谭银朝，刘国平，韩正云



基于CC-Link/LT、PLC、LabVIEW的船舶电站监控系统研究

谭银朝，刘国平，韩正云

（浙江海洋学院，浙江舟山 316022）

基于CC-Link/LT现场总线、LabVIEW虚拟仪器开发平台及可编程逻辑控制器三菱PLC，设计了一种船舶电站自动监控系统。设计分为信息层、控制层以及设备层。通过硬件设计、软件编程等实现对各柴油机组、各发电机组以及电网等进行自动化监控及可视化。

船舶电站 CC-Link/LT 三菱PLC LabVIEW 自动监控

0 引言

21世纪以来，航运业经历了前所未有的大繁荣。虽然前几年的经济危机导致航运业的持续低迷，但是从长远来看航运事业的重要性也是不容质疑的。随着社会的发展，对船舶自动化水平的要求也越来越高。

船舶电站自动监控是船舶自动化的核心，现代船舶对船舶电力系统的依赖性越来越强[1]。良好的船舶电站监控系统，可以极大地降低船员的工作强度，提高工作效率，提高船舶供电的安全性、经济性以及可靠性等。本文基于LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument En-gineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)、PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）、CC-Link/LT（Control and Communication Link/LT，开放式现场总线网络)现场总线技术等，设计一种可视化船舶电站自动监控系统。

1 LabVIEW、PLC以及CC-Link/LT概述

LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的一种程序开发环境，它使用的是图形化编辑语言G编写程序，比较形象直观，产生的程序是框图的形式，而不是程序代码[2]。它提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。可以使船舶电站里的一些参数直观的显示在画面上。

所用的控制核心为三菱FX2N系列PLC，其拥有使用灵活、可靠性高、体积小、调试周期短、性价比高、抗干扰能力强等特点，正适用于船舶电站环境恶劣的要求。

CC-Link是现场总线的一种，FCS（Fieldbus Control System，现场总线控制系统）是继DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）之后出现的新一代过程控制体系结构。其采用全数字式的信号传输方式，可提高检测精度，可减少I/O装置，其系统彻底的分散性可提高系统的灵活性，可减少系统的维护量，提高系统的可靠性[3]。CC-Link现场总线自1996年被推出以后，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额，并在欧洲和北美发展迅速。其具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本、优异的抗噪性能和兼容性等优点。CC-Link/LT是在CC-Link的基础上发展而来的，继承了CC-Link的所有优点，是比CC-Link更加低端的分支网络，是最优化的底层现场网络。

在船舶电站自动监控系统过程控制中，现场数据采集分散，所需I/O点数众多，在船上各种仪表的工作环境要比陆地上恶劣的多，采用数据采集卡结合LabVIEW 开发平台进行现场的数据采集以及控制很不合适。而PLC恰恰可以克服数据采集卡在过程控制中的不足，又具有过程控制中所需的所有优点[4]。并且CC-Link/LT就是针对控制点分散、省配线、节省成本的要求和高速响应、高可靠性设计和研发的开放式协议。本文用三者的结合充分发挥各自的优势，来开发这种船舶电站自动监控系统。

图1 船舶电站自动控制系统结构图

2 船舶电站自动监控系统方案

2.1 系统总体结构

本设计总体包括三层结构，如图1所示。采取以装有LabVIEW 软件的工控机为上位机开发平台，即信息层。以三菱FX2N系列PLC为下位机，即控制层。上位机通过工业以太网与下位机进行通信，实现对工业现场的监控与现场数据的分析。以CC-Link/LT现场总线以及数据采集仪表作为设备层。

2.2 系统所实现的主要功能

上位机能够直观的把各机组的实时运行状态包括各发电机组的频率、电压、电流、功率等参数显示出来，单击对应按钮可显示各机组的详细运行状态。并且可以通过界面直接操作来实现对PLC的控制，进而以PLC为依托实现对整个系统的控制。下位机PLC程序实现数据处理、逻辑判断与控制执行等功能，LabVIEW程序通过网络直接访问和修改 PLC变量，实现数据、状态的输出、控制等功能。包括机组电压自动调整、机组自动启动、首机自动投入、自动准同步并车、自动调频调载、自动转移负荷及解列、机组自动停机等功能。

3 船舶电站自动监控系统的硬件设计

该系统的设计针对3台主发电机组以及1台应急发电机组。其主要硬件组成如图1所示。其主要元件有：

1) 联想工控机：本系统采用联想工控机，其与LabVIEW相结合，可实现系统的参数可视化，以及直观的控制操作界面。

2) 三菱FX2N系列 PLC：它是整个系统的运算及控制核心，通讯功能比较强大。

3) FX2N-64CL-M模块：作为系统的CC-Link／LT通讯模块，即CC-Link／LT主站。其可以节省控制柜及设备内接线，最多可与64个远程I/O站模块链接，各远程I/O站通过该模块与PLC进行数据交换，同时PLC也通过该模块对整个系统进行监视和控制。

4) 远程 I/O 模块：远程 I/O 模块是具有通讯功能的数据采集、传送模块，在现场设备与PLC之间传送数据。可选用的型号有：CL1X4-D1B2：四点直流输入、CL2X8-D1B2：8点直流输入、CL2Y8-TP1B2:8点晶体管输出、CL1XY4-DT1B2:2点直流输入/2点晶体管输出、CL1XY8-DR1B2:4点直流输入/4点继电器输出等，具体可根据不同控制柜需要来进行选型。

5) 远程 A/D模块：可选用CL2AD4-B模块，它可以将采集的模拟电量信号比如电压、电流信号就近转化为数字信号后，经CC-Link／LT总线不失真地传送至系统主站，供PLC分析判断使用。

6) 通信接口：工业以太网。以工业以太网技术作为LabVIEW与PLC的通信方式。它是全开放、全数字化的网络，软件硬件成本低廉，通讯速率高。以以太网实现控制层与信息层的无缝连接，形成管控一体化的全开放网络。

7) CL1PAD1电源适配器：由外部电源对CC-Link/LT系统供电时，为了整个系统稳定而使用的电源适配器。

4 船舶电站自动监控系统的软件设计

监控系统软件设计部分分为PLC控制编程和人机操作界面软件编程两部分。PLC控制编程用GX Works2。人机操作界面编程用LabVIEW。通过LabVIEW、PLC、CC-Link／LT 现场总线技术相结合，为船舶电站自动监控系统搭建了一个智能化的控制平台。系统可通过LabVIEW及PLC后台控制程序，对各启/停控制单元、框架式空气断路器、调速器及其它控制器件进行控制和管理。限于篇幅，本文仅介绍部分主要的监测与控制程序设计。

4.1 PLC控制系统开发

本设计用模块结构实现下位机PLC的各控制程序。运行时采用主程序调用子程序的形式进行循环监控。各子程序采取模块化编程。本系统的主要模块有：重载询问模块、备用机自启动模块、自动并车模块、自动负荷分配模块、自动解列、停机模块等。

首先应考虑断电事故对船舶电站的威胁，再考虑船舶电站运行的经济性、环保性等等。当船舶电网突然断电时，需自动启动备用机组以最快的速度恢复供电。其故障解决流程如图2所示。

图2 船舶电站自动监控故障解决流程

当检测到电网失电后，需要同时起动两台备用机组，然后把先启动好的机组首先并入使用，如果首机合闸成功便停止另一机组。否则要把另一机组并车，停止首机组。假如都没有合闸成功则需要声光报警。

其次，PLC要根据首机的各种参数判断电站的各种运行状态，然后采取相应的对策，确保电站的稳定性、经济性等。主控制流程如图3所示。

在单机运行的情况下，要对重载询问、运行机故障情况进行监控，如果需要备用机自启动则调用备用机启动模块的控制子程序，成功后再调用自动并车模块子程序，然后自动调频调载，并联运行。如果是原发电机故障，就自动停机解列，返回。并联运行时如果轻载，就自动把备用机组解列、停机，返回单机运行，继续循环监测。

4.2 监控界面设计

监控界面软件采用LabVIEW设计。根据该系统需要实现的具体功能，本设计实现了主监控界面、各发电机及对应柴油机运行监控界面、并网监控界面、报警界面、数据趋势图等。

图3 船舶电站自动监控主程序流程图

图4 船舶电站自动监控主监控界面

以主监控界面为例，如图4所示。界面的右上角可以显示当前的时间，还可以显示电网的状态参数、各发电机的运行状态以及各种参数，可以实现自动、手动运行方式切换，同时还可以声光报警。点击相应的机组按钮，可以查看更详细的机组信息，如图5所示。包括机组运行的时间（天：时：分）、当前时间、运行情况、机组及柴油机的滑油压力、气瓶压力冷却水温度等各种参数。点击界面底部的返回键又可以回到主监控界面，点击左右按钮可以切换机组。从而实现更好的人机界面操作。

5 总结

本文开发了基于 CC-Link／LT 、PLC、LabVIEW的大型船舶电站自动监控系统，实现了船舶电站系统的可视化管理和控制。在相互的配合下可以把三者的优势进行充分的发挥，使得该系统的可靠性、方便性、可操作性、简洁性等有了进一步提高。经过模拟实验，初步实现了对三台发电机组的监控，系统运行较稳定，这种基于CC-Link／LT 、PLC、LabVIEW相结合的方法，是一种开发智能化图形监控系统的有效方法，具有广泛的应用价值。

图5 机组详细信息

[1] 吕奇伟, 赵殿礼, 张春来. 基于 PLC 的船舶同步发电机自动准同步并车装置的设计[J]. 大连海事大学学报: 自然科学版, 2009 (z1): 76-78.

[2] 朱本坤, 杨洁, 刘维亭. LabVIEW 在电站监控系统中的应用[J]. 舰船科学技术, 2009, 30(6): 70-72.

[3] 刘娟. CC-Link 在中国推出 CC-Link/LT 技术协议[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2002, 4: 010.

[4] 华夏. Labview 与 PLC 在工业场合结合应用探索[J]. 科技创新与应用, 2013 (6): 112-112.

[5] 张迎辉, 邓松, 陈素芳. 基于 CC-Link/LT 总线技术的低压供配电监控系统设计[J]. 电力系统保护与控制, 2009 (9): 129-134.

[6] 蒋晓峰, 施伟锋, 刘以建, 等. 基于触摸屏和 PLC 的船舶电站监控系统设计[J]. 电力自动化设备, 2011, 31(1): 122-125.

Study on Monitoring System of Ship Power Plant Based on CC-Link/LT, PLC and LabVIEW

Tan Yinchao, Liu Guoping, Han Zhengyun

(Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

U665.12

A

1003-4862（2014）12-0019-04

2014-06-05

谭银朝（1989-），男，研究生。专业方向：船舶与海洋工程。