基于船用发电机组试验的干式负载系统设计

陆彬， 俞希学， 陈晓波

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所无锡分部，江苏 无锡214151)

0 引 言

综合电力推进是未来船舶的主要动力形式[1]，由柴油机和发电机组成的发电动力装置，凭借其结构简单、体积小、质量轻、启动快等优点，已经成为船舶动力装置的主要发展方向之一。为了测试船用发电机组的性能，研究不同工作环境下机组的运行情况，需设计一套符合测试要求的负载系统。本文所设计的负载系统，使用基于S7-300 PLC的控制系统对负载进行远程控制[2]，取代了传统的继电器控制技术[3]。通过一台PC机同时控制多个负载箱，并且能实时监测各项参数，同时提供了多个故障点的报警信号，提高了负载运行的安全性和可靠性。

1 系统组成和工作原理

干式负载系统主要由干式负载箱、负载开关柜、负载控制箱、PC操作台等部分组成，其结构如图1所示。

图1 干式负载系统结构图

主回路主要由发电机组、配电板、负载开关柜和负载箱组成，配电板除了用来配电外，还设有发电机过载、短路、过电压、欠电压保护等电气保护功能[4]；负载开关柜作为配电板和负载箱的过渡设备，同样带有相应的电气保护功能，进一步确保发电机组的安全；干式负载箱由直流接触器和电阻丝组成，电阻丝将发电机产生的电能转化为热能，从而达到消耗功率的目的。控制回路主要包括PC操作台和负载控制箱，操作台上的PC机通过工业以太网与控制箱中的S7-300 PLC建立通信，PLC作为下位机接收PC机发出的指令，并将指令输出至中间继电器，通过中间继电器的得、失电，达到接触器合、分闸的目的。

除此之外，PC控制台上设有应急按钮，确保在通信中断或PC机无法正常工作的情况下，仍能对负载回路进行远程的功率控制。

2 干式负载箱设计

负载是用来检测发电机组输出功率与带载能力的设备，可进行负荷试验、静态调压特性试验、调速特性试验、过载保护试验及并车试验等机组功能和性能试验。

本文采用的干式负载箱主要由集装箱、干式电阻器、直流接触器、轴流风机等部分组成，所有设备均安装于集装箱内，具体结构如图2所示。

图2 干式负载箱

图2中电阻器由电阻丝通过串、并联的方式组合而成，然后通过直流接触器与配电板引出的主电缆相连，其共有8个回路，包括5个800 kW回路，1个400 kW回路，1个200 kW回路和1个100 kW回路。在机组试验过程中，通过合、分直流接触器来接通、断开相应的回路，从而控制发电机组的带载量。不同回路的灵活组合，可以构成多种阻值，能够模拟船用发电机组复杂多变的带载要求，达到试验目的。

负载箱采用下部进风、上部出风的强制冷却方式，底部装有12台风机，可将机组带载时产生的热量及时排出箱体，保证负载在安全温度下运行。 每台风机出口装有风压开关，用来检测风机的运行状态，每个风道出口装有热电阻，用来测量负载箱各个通道的温度，通过实时监测负载箱的各项参数值，确保负载正确、安全运行。

3 负载控制系统设计

3.1 控制系统组成及原理

负载控制系统组成如图3所示，主要由PC机、工业交换机、PLC、中间继电器、二次仪表、风压开关和热电阻等设备组成。其工作原理为：PC机接收PLC发送的开关量、数字量等信号，进行计算、存储并将结果显示在人机界面上，同时给PLC下发分、合闸指令，PLC接收指令并通过DO模块输出信号，最后由中间继电器根据该信号控制接触器完成分、合闸动作。风压开关是一个干接点，风机不运行时处于常闭状态，当风机启动时，风压开关断开并将该信号传递给PLC，从而达到监测风机运行状态的功能。热电阻用来测量风道的温度，其阻值与温度呈线性关系，因此只需测量阻值就能得到各个测点的温度值。二次仪表用来就地显示温度值，并将电阻信号转化为4～20 mA电流信号，输入至PLC的AI模块。该仪表设有温度高报警值，当温度高于设定值时，发出温度高报警信号，提醒现场操作人员做出应对措施。

图3 控制系统结构图

3.2 硬件设计

PC操作台和PLC控制箱是该控制系统的主要部件，其中PC操作台主要由显示器和IPC组成，IPC即基于PC总线的工业电脑[5]，采取全钢机壳、机卡压条过滤网、双正压风扇设计。其可靠性高，能抗电磁干扰，对震动、灰尘和高/低温有着较强的防护功能， MTTF(平衡失效前时间) 10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为1万～1.5万小时；扩充性强，工业PC由于采用底板+CPU卡结构，具有很强的输入、输出功能，可扩充多个板卡，能与工业现场的各种外设相连，以完成各种任务；兼容性好，能同时利用ISA与PCI及PCIMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。

PLC控制箱主要由可编程控制器(PLC)、二次仪表、中间继电器等设备组成，其中可编程控制器采用S7-300 PLC，主要包括电源模块PS 307，中央处理单元CPU 315-2DP，通信处理器CP 343，信号模块SM 321、SM 331、SM 322。中央处理单元完成控制的功能，通信处理器完成与上位PC机的数据通信功能，信号模块完成数据的输入及控制量的输出功能。

3.3 软件设计

3.3.1下位机程序设计

PLC通过模块SM321、SM331接收开关量和模拟量，通过模块SM322输出开关量信号。编程软件采用Step 7，首次对PLC进行编程时采用MPI通信，并组态硬件，设置IP地址，用梯形图语言编写输入、输出等程序，其程序流程如图4所示。

图4 PLC程序流程图

首先，启动PLC并判断CPU是否正常运行，若CPU 315-2 DP模块上的SF或BF指示灯亮红灯，则表示系统或硬件故障，需重启CPU，检查并排除故障直至没有红灯闪烁。然后检查通信是否正常，若CP343-1模块上的SF或BF指示灯亮红灯，则表示通信故障，需重启CPU，检查并排除故障直至无红灯闪烁，并且X1P1或X2P2有绿灯闪烁，此时，表示PLC与上位机通信正常。PLC正常运行时，CPU以规定的周期扫描OB、FB等程序块，进行开关量和模拟量的输入、输出动作。

3.3.2上位机程序设计

上位机的程序开发环境采用NI公司研制的LabVIEW软件[6]，类似于C和Basic开发环境。但是，LabVIEW不同于其他计算机语言，使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图形式，该程序开发环境集成了工程师快速构建各种应用所需的所有工具，便于帮助工程师解决问题，提高生产力和不断创新。

本程序包括读取、写入、存储和显示等功能，能发送接触器的合、分闸指令，并显示接触器状态，记录接触器合、分闸次数，防止出现某一接触器使用过多的情况；能显示风机的运行状态、风道温度、控制箱温度，并设有温度报警点和风压报警点，实时监测各个设备的运行状态；能存储系统参数数据，便于发生故障时查找原因。其程序流程如图5所示。

图5 上位机程序流程图

根据图5所示，该控制系统采用手动控制和自动控制两种控制方法，手动控制即手动选择需要动作的接触器及数量，针对发电机组较为复杂的工况可灵活组合；自动控制即只要确定需合、分闸的接触器数量和动作间隔时间，程序会根据设定值自动完成相应操作，这种方式可满足燃汽轮机发电机组逐级、匀速加、减载的试验要求。

3.3.3LabVIEW与PLC的通信设计

OPC是一种利用com/Dcom技术来达成自动化控制的协定[7]，不必考虑各项不同硬件间的差异，便可自硬件端取得所需的信息。因此，本文通过OPC来实现LabVIEW与PLC间的数据传递。Lab VIEW作为上位PC机上与PLC通信的应用程序，其自身带有的DSC(数据监控与记录模块)，允许用户通过Lab VIEW对OPC服务器进行读写。在Lab VIEW中添加与OPC连接组中变量绑定的共享变量，将这些共享变量在Lab VIEW中当成普通的变量使用，实现OPC与Lab VIEW的数据连接。

4 结束语

本文设计了基于柴油机发电机组试验的干式负载系统，针对船用发电机组工作环境复杂、多变的情况，采用IPC+PLC的硬件组合，编写了基于LabVIEW运行环境的负载控制系统。经实际工作验证，系统稳定、操作简单，多层次报警点的设置大大提高了系统的安全性和可靠性。综上所述，该干式负载系统在各类发电机组试验中有着广泛的应用前景和实际应用价值。