基于PLC 的船舶电站监控系统分析

周长江，孙裕林，赵福财

（1. 上海研途船舶海事技术有限公司，上海 200444；2. 上海佳豪船海工程研究设计有限公司，上海201612；3. 安徽长风船舶工程有限公司，合肥 230601）

0 引言

随着造船业的飞速发展，大型高科技船舶变得越来越重要。船舶的发电站和供电系统中强调了许多新概念，新技术和新设备。控制，监视和管理电源系统的必要性变得越来越重要。在当下的船舶行业的发展过程中，通信系统环境处于随时变化的状态，进而通信管理控制系统的难度加大，碍于硬件和软件自身的限制，存在覆盖率低、通信系统波特率差的问题，已经不能适应于当今船舶通信系统的需要，以此，需要基于PLC自动化系统，有效地对船舶的电站进行可靠性方面的管理以及控制，进而有效地实现无人驾驶室的操作方式，大大提升工业的控制能力。

1 研究背景

随着当今科学技术的飞速发展，人类在大数据时代的自动化和智能化生产中已经发挥着越来越重要的作用。作为船舶的辅助动力单元，船舶对机械和设施供电的需求是船舶电站的重要组成部分，而在技术快速发展的时代，船舶电站的监控控制系统需要得到补充，以满足新的需求。对于大型船舶来说，内部结构更复杂，通常有大量的系统。在运行过程中，每个机械设备都需要一个电能的电源。为此，在大型船舶上，通常是电力，以建造一个独立的发电站。自1960年代以来，我国自动化船用发电站被广泛应用。在发电站自动化方面，它可以有效改善船舶行驶过程中电力的稳定性和长期生存能力，在高效工作过程中改善船员工作环境，大大降低劳动强度，是一种经济的与船舶作业劳动强度相关的指标将对系统产生积极影响。

现代船舶自动控制系统不仅可以跟踪和管理船舶发电站，还可以监控工作的各个方面。在操作过程中，它可以提高预期的能源效率，从而确保船舶在不同环境中的稳定性。降低经济成本。因此，有必要研究自动控制系统。

2 船舶电站整体系统框架搭建

本文针对交流380 V和50 Hz船舶电站，设计一套船舶电站监控系统。为了满足船舶电站监测系统的要求，本论文先建立了系统的整体框架。该系统包括设备层、监视层和网络层。设备层主要包括柴油发电机及其调速器参数检测传感器，自动结合装置和调频配电装置等。监控层主要包括 PLC 控制，计算机报警装置和操作界面等。网络层主要包括网络线路计算机和各种电子器件等。该系统采用日本三菱公司生产的FX2N型PLC，主要用于发动机启动、停机、调速、并联和系统故障时的数据收集、监督、分析。通过RS-485串口与计算机通信。主站通过MCGS软件与子站通信。

3 硬件设计

该系统主要由1台PC机、3台发电机PPU并联保护单元（Paralleling and Pro-tection Unit）和3台柴油发电机组组成，其中1台和2台发电机为常规发电机，3台为非常规发电机。系统可自动监测、报警和记录电压、电量、频率、电气参数和运动信号。并为多台发电机设置了启动控制程序。PC上位机会不仅可以通过网络远程访问监控系统，还可以直接操作触摸屏幕实现对可编程逻辑控制器下位机的控制。该界面允许您在控制点、数字和模拟器的实时动画和状态信息的帮助下显示船舶发电厂的运行情况。还可通过相关的功能键完成对应设备的操作。系统结构图见图1。

图1 系统结构图

如果设备的一个部分发生故障而一个部分无法启动，则设备的下一部分可以通过电网自动连接。发动机运行过程中可以实现电压的自动分配。激励装置可以在工作期间通过调节电流波动来充分地保障恒定电源电压。在此过程中，它甚至可以被完全有效地调节，从而有效分配其连接电源的非功能性能量，从而确保电压的正确分配。

4 系统软件设计

设备监控软件，实时数据监控，具有功能完善、操作方便和可视性强等特点。

4.1 电站运行状态、参数的监测

船舶发电站监测系统可以收集和显示发电站的主要参数。数字和工作状态在监测接口中集中显示，这对参数很方便发电厂的工作状态。

4.2 监测故障、报警、故障处理

系统设计各类故障报警，电厂运行情况和参数的实时监控，评估故障的发生和类型，如直流断电报警、母线频率报警、低绝缘报警、主发电机开关故障报警、母线上下限故障报警等。当出现上述故障时，系统可自动开启声光报警[1]，并且界面上还设置有消声、消闪按钮。

母线的电压和频率必须与表1中指定的变差范围相匹配，当它超过时，就会产生警报信号。

表1 母线电压、频率波动范围

4.3 信息参数的显示、储存、打印

监控画面上提供故障信息显示页面，显示当前发生故障的具体日期、地点和类型等。以上信息保存在触摸屏CF卡上。同时系统每秒采集一次数据，然后将结果存储在触摸屏CF卡上。由此，工作人员进入界面后可以直观地看到相关数据，进而对其进行分析，随时了解电站工作的现状，方便操作人员观察和处理。并且可以通过从USB端口外部连接打印设备来打印触摸屏。

4.4 电站功能控制

控制电站有3种方式：手动、自动和遥感。其中，手动控制是指根据设备的工作条件对设备和操作员的控制屏幕进行手动控制。当系统处于自动模式时，PLC自动监控发电站的运行状态。这是指发电站的自动控制和控制。根据不同的情况，发电站的管理是通过各种控制措施进行的。远程控制接口允许人员在系统处于远程控制模式时监视接口上的按钮，以实现管理信息和接口数据的目标。

4.5 系统具有良好的安全功能

该系统提供了多种工作方法和远程监控功能，增强了系统的优势，但在这种情况下，可能会有现场事故导致系统突然故障和大损失。因此，为了有效解决上述任务，有必要配置系统安全功能。同样，您可以设置用户权限在系统的过程中，由于各种因素的影响，很容易犯人为的错误。为避免上述症状，您可以使用软件指定用户级别和权限。只有授权用户才能执行此操作，这大大降低了风险。最后，设置优先级，可以优先处理所有3种操作模式，以防止由于安全功能而损坏系统。

1）设置用户权限。为避免人为错误，应用程序限制了用户的级别和权限，并严格规范不同类型的操作权限，以防止未经授权的操作。

2）设置优先级。3种操作模式，远程控制和自动均按上述顺序排列，以防止3种操作模式的混合。

5 软件程序设计

监控软件包括PLC控制软件和基于触摸的人机界面。PLC程序用于数据处理、逻辑评估及控制执行等功能；软件框图见图2。

图2 软件结构框图

其中，PLC软件的控制功能是，当船舶发电运行过程中发生电源故障时，备用装置可以立即启动，以便在短时间内恢复电源。工作原理是：PPU自动连接后对于网络而言，连接到柴油发动机的网络的电气频率是一种比较，然后自动调整以满足连接网络的要求。同时，中央处理器负责调节频率、加载调节和加载过程。此外，触摸屏界面监控人机界面软件设计的使用情况，配置全面的过程项目，对员工实时监控系统很有用。该程序由多个接口组成，包括：主监控接口、柴油发电机组运行监控接口、监控网络接口、警报接口、接口记录错误、方向数据接口、海岸电源管理接口、设置系统接口和远程访问接口主机界面。在主屏幕上，右上角是时间，底部是切换按钮[2]。完整的主界面详细说明了发电厂的工作。此外，单击相应的按钮查看数据在监控柴油发电机组接口的过程中，将集中显示3个发电机组的运行状态，以便操作员可以及时控制发电机的运行状态，并执行打开、关闭和重置等操作。界面警报显示所有信息都是错误的[3]。当系统出现故障时，警报系统会自动弹出对话框，指示某种类型的故障。同时，可以设置警报时间和灯警报。通过监视屏幕界面工作通过触摸，可以通过浏览器访问主机，查询监控界面，实现参数显示和操作功能。

6 通信设计

计算机、触摸屏和PLC通信接受以太网IP模式。该协议是开放的，并与不同的设备厂家设备兼容。同时，有快速、实时的活动可以确认以太网系统的安全性、效率和稳定性。添加适合配置设备连接设置的视频设计[4-5]。在这种情况下，用户只需编写软件即可访问触摸屏、PLC和计算机。

同时，PLC和PPU通过一系列通信操作并实现电气中心参数的通信功能。首先，请设置RS-485并检查信息的长度。配置完成后，PPU 采样的内部寄存器释放公共信息，并准备一个合适的通信命令来更改PPU的信息。

7 结论

船舶电站监控系统可以显示系统的运行参数并实时采集。电站通过数据运行对船舶电站进行管理和控制，如操作员可以通过人机界面实际分析信息，监控和操作船舶电气数据的运行状态，并根据警报提供的信息，询问信息、类型和其他信息，分析关键信息的历史并询问信息。电力数据的安全和可靠的网络技术应用提高了船舶在发电站的发电的自动化水平和稳定性，并实现了移动目的的远程控制。