基于PLC的能量监测及管理系统设计

于 朝，王孙清，李彬彬，张 炜，郑恒持

基于PLC的能量监测及管理系统设计

于 朝1,2，王孙清1,2，李彬彬1,2，张 炜1,2，郑恒持1,2

（1．中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082；2. 深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214082）

能量监测及管理系统可保证舰船综合电力系统能够可靠、安全以及健康地运行。针对现有船舶能量管理系统中线路连接复杂、穿舱线缆多等问题，设计基于PLC和分布式控制器的舰船能量监测及管理系统，分舱室采集各传感器信号并实现状态信号和控制信号的集中处理，来实现对全舰设备的集中监测与控制并保证系统的可靠性。

综合电力系统 能量监测及管理系统 PLC

0 引言

舰船综合电力系统实现舰船电能的产生、输送、变换、分配及使用的高效与智能化管理[1]。能量监测及管理分系统利用传感器和网络通信技术、计算机和智能辅助技术，对舰船电能实现集中监测报警、调度控制，有助于实现对全船电能、变电装置和用电设备的集中监测，有利于实现对无人舱室电力设备的远程监控和电网故障重构，有助于提高舰船的智能化，是综合电力系统的核心控制部分之一。在能量监测及管理系统中，各发电装置、变电装置和用电设备分布在舰船各个部位，需要采集和发送大量状态信号和控制信号[2]。如果各个设备都分别与能量监测及管理系统控制器直接连接，需要大量信号线进行穿舱连接，不利于舰船安全。因此，采用分布式PLC集中处理各舱室监控信号，并与能量监测及管理系统控制器直接相连，从而最大限度地集中处理庞大的状态信号和控制信号。

目前，俞万能[3]等基于PLC及总线控制技术，研发多能源船舶微网能量控制系统；胡红钱[4]等由M430 PLC扩展为Modbus/TCP交换机，改进现场总线缺点，实现船舶电力系统数据传输；许智豪[5]等使用STM32F407作为微控制器，设计基于I2C总线的能量管理系统，对底层控制器的I/O端口进行有效控制；钱美[6]等基于现场CAN网络搭建监控管理系统来实现舰船电力监控。

从上述可知，目前舰船能量管理系统结构基本为控制器与底层设备直接相连，导致线路连接复杂，穿舱线缆多。因此，本文将基于分布式PLC处理各舱室信号，并与主控制器直接相连的架构来搭建舰船能量监测及管理系统，降低线路连接复杂程度并提高系统可靠性。

1 能量监测及管理系统硬件设计

电站舱与推进舱采用分布式控制器，负责传感器信号采集与控制信号输出，驾驶舱PLC接收分布式PLC采集的传感器信号，集中处理、运算后输出相应控制信号，控制全舰设备，能量监测及管理系统的硬件组成如图1所示。

图1 控制系统硬件组成

主要硬件选型有：

1）集控台显示屏选用西门子TP2200系列，可实时显示能量监测及管理系统各传感器、接触器、断路器状态信息，电站1和电站2工作状态，电机1和电机2驱动状态，并可下发操作指令，控制各装置运行。

2）驾驶舱PLC选用西门子CPU 1515-2 PN控制器，配备模拟量采集模块和数字量输入/输出模块，采集相应传感器和接触器状态信息，并与分布式PLC通过以太网接口相连，获取其它舱室状态信息并控制；并与集控台显示屏相连，实时输出信号在显示屏上显示。

3）分布式PLC选用西门子ET200 MP控制器，该分布式PLC不带CPU，只配信号输入/输出模块，通过接口模块IM 155-5 PN与驾驶舱PLC通讯。

2 能量监测及管理系统软件设计

2.1 软件功能设计

能量监测及管理系统须对全舰能量进行集中监测、评估、调度和控制，实现电力系统的高度自动化管理，主要功能如下：

1）全舰分布式电源、变电装置、用电负荷状态集中监测

能量监测及管理系统应采集分布式电源、各变电装置、各用电负荷的基本参数与运行状态，集中以直观形式显示于监控界面，并具备报警、记录、历史查询功能。

2）电网状态实时监测

能量监测及管理系统应采集主要回路的电压、电流、绝缘状态以及配电开关合分闸状态，以直观方式在监控界面进行显示，并具备报警、记录、历史查询功能。

3）无人舱室电力设备远程监控

能量监测及管理系统可实时监测无人舱室电力设备运行状态，判断故障发生及故障类型，并产生声光报警。并可针对不同运行状态和工况需求，在取得操作权限后可发送遥控指令控制相关电力设备运行。

4）恢复性重构控制

当舰船综合电力系统发生故障时，会导致电网用电设备停电。因此，当电网故障，能量监测及管理系统应能够及时定位故障区域与类型，通过控制相应接触器与断路器，改变电网拓扑结构，隔离故障区域，恢复重要负载供电。

2.2 程序设计

能量监测及管理系统的程序设计可分为三部分，包括主控制器S7-1500的程序设计、触摸屏监控软件设计和PLC与各设备通讯设计。主控制器通过采集各舱传感器信号，并根据触摸屏的控制指令或机旁控制指令，进行数据分析和处理，发出控制信号，实现全舰的集中管理和监控。

驾驶舱PLC采用博途软件进行开发，包括1个主程序和9个子程序，其中子程序分别为初始化子程序、驾驶舱传感器采集和信号输出子程序、驾驶舱数据处理子程序、电站舱传感器采集和信号输出子程序、电站舱数据处理子程序、推进舱传感器采集和信号输出子程序、推进舱数据处理子程序、报警阙值设置及报警子程序和设备通讯配置子程序。

其中传感器采集和信号处理模块，将PLC信号采集模块过程输入映像表中的数据处理后输入到工作存储区的数据块DB中，用于后续程序编程；并将程序处理后的控制信号信号输出到过程输出映像表中，用于PLC信号输出模块输出控制信号。对于模拟量信号，PLC采集卡将传感器信号转为16位数字信号，需编程将数字信号转为传感器实际量程，如图2所示。

图2 传感器采集和信号输出子程序

数据处理子程序通过扫描接收到的输入信号与控制命令，按照预设程序，逐一执行控制程序，输出相应的控制信号，用于对执行机构（接触器、变频器等）的控制，如图3所示。

图3 数据处理子程序

图4 报警阙值设置及报警子程序

报警阙值设置及报警子程序实时监测传感器信号以及系统状态信息，当传感器数值超过正常范围时，置位超限或低限指令，并触发报警子程序，自动断开相应设备并具有声光报警功能，并可在监控界面提示故障信息，如图4所示。

3 通讯设计

能量监测及管理系统主要与分布式PLC、触摸屏和推进电机变频器通讯。

对于分布式PLC和触摸屏，皆采用西门子系列产品，与驾驶舱PLC CPU 1515-2 PN控制器采用以太网接口连接通讯，只需将三个设备以太网地址配置为同一网段，软件可自动配置进行设备间的数据交互，完成传感器信号以及控制信号的传输。

与推进电机变频器采用Modbus RTU协议通讯，可实现变频器开关器件和系统运行状态、故障状态、输入电压、输出电流监控以及转速设置与显示等参数的设置。使用博途软件配置Modbus RTU通讯需设置从站设备的通讯波特率、奇偶校验、从站地址、通信模式、从站地址区开始地址、传输数据长度等参数，具体配置如图5所示。

图5 Modbus通讯配置程序

4 监控界面设计

能量监测及管理系统可实时监测全舰各舱室传感器信息，并实现对各舱室执行机构的控制。因此，在全舰建立综合监控系统，将船上所有电源、变电装置、用电负荷与执行机构纳入综合监控系统。将全舰的设备按照位置的不同划分为驾驶舱、电站舱和推进舱三个子系统。在驾驶舱监控主界面可集中显示各舱室主要回路电压、电流和绝缘状态以及电站和推进装置工作状态；各子系统监控界面可详细显示各舱室内设备和执行机构状态并发出控制指令，如图6所示。

图6 监控主界面

5 结束语

本文针对传统能量监测及管理系统中各设备和传感器信号直接与主控制器相连造成穿舱线缆多、线路复杂等缺点，提出一种基于分布式PLC监控各舱室设备信息并与主控制器通讯的控制系统设计方案并加以分析。该系统设计实现了各设备分散控制和集中管理，各分布式PLC与主控PLC仅需一条网线连接，减少了穿舱电缆数量，实现了对全舰设备、用电负荷和执行机构的有效控制和监测。

[1] 付立军, 刘鲁锋, 王刚等.我国舰船中压直流综合电力系统研究进展[J]. 中国舰船研究, 2016, 11(1): 72-79.

[2] 王守相, 孟子涵. 舰船综合电力系统分析技术研究现状与展望[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(2): 107-117.

[3] 俞万能, 廖卫强, 杨荣峰等. 基于太阳能锂电池及柴油发电机组的多能源船舶微网能量控制系统研发[J]. 中国造船, 2017, (1): 170-176.

[4] 胡红钱, 施伟锋, 兰莹等. 基于以太网的船舶电力系统动态电能质量监测与故障诊断系统设计[J]. 中国舰船研究, 2018, 13(1): 120-126.

[5] 许智豪, 李维波, 华逸飞等. I2C 总线技术在舰船能量管理系统 I/O 端口扩展中的应用[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(1): 144-149.

[6] 钱美, 吴正国, 韩江桂. 船舶综合电力系统监控网络实时性分析[J]. 电力系统保护与控制, 2010, (15): 38-4279.

[7] 刘芃澎, 刘志刚. 综合电力系统电力推进分系统集控台设计[J]. 船电技术, 2021, (02): 60-64.

Design of energy monitoring and management system based on PLC

Yu Zhao1,2，Wang Sunqing1,2，Li Binbin1,2，Zhang Wei1,2，Zheng Hengchi1,2

(1. China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2 Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM76

A

1003-4862（2022）09-0039-04

2022-03-10

于朝（1994-），男，工程师，硕士，研究方向：能量监测及管理。E-mail：694752200@qq.com