候云飛，施偉鋒，楊義偉

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基于工控機(jī)和PLC的船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

候云飛，施偉鋒，楊義偉

（上海海事大學(xué)電氣自動(dòng)化系，上海201306）

為了提高船舶電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性，文中設(shè)計(jì)了一套基于施耐德M340 PLC和ACP-4000工控機(jī)的船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置。裝置硬件方面，運(yùn)用PM800電力參數(shù)測(cè)量?jī)x和NI數(shù)據(jù)采集儀對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，運(yùn)用ACP-4000工控機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并將數(shù)據(jù)在matlab中實(shí)時(shí)顯示，運(yùn)用施耐德M340 PLC對(duì)所發(fā)生的故障做出相應(yīng)的故障判斷、分類(lèi)與報(bào)警。裝置通信方面，運(yùn)用3條網(wǎng)絡(luò)通訊回路實(shí)現(xiàn)ACP-4000工控機(jī)、觸摸屏、施耐德M340 PLC、PM800電力參數(shù)測(cè)量?jī)x之間的數(shù)據(jù)傳遞與共享。裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在GUI界面上進(jìn)行顯示，并以.mat文件儲(chǔ)存于電腦中供用戶查看與使用。實(shí)驗(yàn)表明，其功能可以滿足船舶電力電力系統(tǒng)監(jiān)控的要求。

船舶電力系統(tǒng) 故障報(bào)警裝置 工控機(jī) PLC GUI界面

0 引言

隨著船舶日趨大型化和自動(dòng)化，船舶電力系統(tǒng)的容量日益增大，復(fù)雜性日益提高，船舶電力系統(tǒng)在船舶中的重要性越來(lái)越高[1,2]。

本文通過(guò)對(duì)船舶電力系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)與負(fù)載側(cè)電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與監(jiān)視，設(shè)計(jì)一套基于施耐德M340 PLC和ACP-4000工控機(jī)的船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置。該故障報(bào)警裝置不僅能夠?qū)Υ半娏ο到y(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)控，而且能對(duì)船舶電力系統(tǒng)中所發(fā)生的故障做出相應(yīng)的故障判斷與分類(lèi)，最終報(bào)警面板上相應(yīng)的報(bào)警器動(dòng)作、工控機(jī)中記錄報(bào)警數(shù)據(jù)為研究人員提供借鑒。

1 裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)是指在多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行情況下所組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：數(shù)臺(tái)船用發(fā)電機(jī)組、供配電裝置與電網(wǎng)、負(fù)載電機(jī)[3]；船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 船舶電力系統(tǒng)

為了增加電力系統(tǒng)故障診斷裝置診斷的準(zhǔn)確性，將裝置設(shè)計(jì)成為自動(dòng)化電站相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，并且利用單元組合式儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視功能，實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，提高系統(tǒng)安全性與診斷的準(zhǔn)確性[4]。

本文設(shè)計(jì)的船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置硬件主要由施耐德M340 PLC、ACP-4000工控機(jī)、報(bào)警指示燈面板、電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量裝置PM800、EGX300以太網(wǎng)關(guān)等器件所組成。該裝置分為兩層：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層與遠(yuǎn)程監(jiān)控層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換與路由器數(shù)據(jù)共享來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳遞與共享。船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，又稱為下位機(jī)。主要是由7個(gè)模擬儀表、電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量裝置PM800、電流互感器、電壓變送器、NI數(shù)據(jù)采集儀、本地控制按鈕及指示燈所組成[5]。測(cè)量?jī)x表面板分為上下兩部分：

面板上層部分適用于測(cè)量負(fù)載側(cè)電力參數(shù)的數(shù)值，負(fù)載側(cè)電力參數(shù)即變頻器到推進(jìn)電機(jī)之間的電力參數(shù)。

面板下層部分適用于測(cè)量電網(wǎng)側(cè)電力參數(shù)的數(shù)值，電網(wǎng)側(cè)電力參數(shù)即柴油發(fā)電機(jī)組到變頻器之間的電力參數(shù)。

圖2 船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

2）遠(yuǎn)程監(jiān)控層，又稱為上位機(jī)。主要是由XBTGT7340觸摸屏、ACP-4000工控機(jī)屏幕等組成。上位機(jī)顯示屏有不同功能，如下：

XBTGT7340觸摸屏主要是對(duì)下位機(jī)傳遞上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線的形式在上位機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

ACP-4000工控機(jī)屏幕主要是對(duì)路由器、NI數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過(guò)特殊的數(shù)據(jù)傳輸線建立與施耐德M340 PLC中數(shù)據(jù)傳輸模塊聯(lián)系，ACP-4000工控機(jī)中通過(guò)matlab編寫(xiě)m文件讀取施耐德M340 PLC中寄存器地址中數(shù)據(jù)，在GUI界面中進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

2 裝置網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)

該套故障報(bào)警裝置數(shù)據(jù)采集與共享、裝置的網(wǎng)絡(luò)通訊是通過(guò)3條網(wǎng)絡(luò)通訊回路實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示。

電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量裝置PM800對(duì)電壓、電流、功率等現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)傳遞至EGX300網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳遞至路由器中進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，ACP-4000工控機(jī)機(jī)箱通過(guò)網(wǎng)線與路由器進(jìn)行交互使數(shù)據(jù)能夠在ACP-4000工控機(jī)顯示器上進(jìn)行相應(yīng)的顯示，此為裝置通訊一回路[6,7]。

施耐德M340 PLC中通訊模塊通過(guò)網(wǎng)線與路由器進(jìn)行交互，讀取現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷，最終控制報(bào)警指示燈面板進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警指示燈動(dòng)作，此為裝置通訊二回路。

圖3 船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置網(wǎng)絡(luò)通訊圖

施耐德M340 PLC中數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)特殊的數(shù)據(jù)傳輸線與ACP-4000工控機(jī)機(jī)箱相連接，ACP-4000工控機(jī)中通過(guò)matlab編寫(xiě)m文件讀取施耐德M340 PLC中寄存器地址中數(shù)據(jù)，在GUI界面中進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，此為裝置通訊三回路。

遠(yuǎn)程Web監(jiān)視界面可以使用戶通過(guò)訪問(wèn)相應(yīng)硬件裝置的IP地址來(lái)讀取、控制、監(jiān)控電力系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。該監(jiān)視界面主要分為2個(gè)部分：第一部分是對(duì)電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與讀取；第二部分是對(duì)負(fù)載側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的采集與讀取。這2部分可以在監(jiān)視界面上切換[8]。

在監(jiān)視界面中可實(shí)現(xiàn)對(duì)PM800電力參數(shù)測(cè)量?jī)x性能的集中顯示、電力系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)顯示以及對(duì)電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)記錄。

在監(jiān)視選項(xiàng)卡中選擇若干項(xiàng)電力參數(shù)進(jìn)入趨勢(shì)記錄界面，兩個(gè)功能區(qū)域分別以趨勢(shì)圖和數(shù)據(jù)表的形式向用戶提供直觀數(shù)據(jù)及其變化過(guò)程。如圖4所示。

3 裝置報(bào)警程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)信息處理、功能、輪機(jī)員值班三個(gè)大方面進(jìn)行了報(bào)警程序的設(shè)計(jì)。報(bào)警流程圖，如圖5所示。

1）報(bào)警系統(tǒng)分組，分為分組報(bào)警與延伸報(bào)警[9]。延伸報(bào)警是專為無(wú)人機(jī)艙設(shè)置的。在機(jī)艙無(wú)人值班的情況下，必須將機(jī)艙的故障報(bào)警分組后延伸到駕駛室、公共場(chǎng)所、輪機(jī)長(zhǎng)和輪機(jī)值班員住處。延伸報(bào)警通常按故障的嚴(yán)重性，將故障分為：①重要故障報(bào)警；②一般故障報(bào)警。分組報(bào)警則是將具體的故障報(bào)警類(lèi)型按照船舶上故障的重要程度劃分進(jìn)延伸報(bào)警中。

圖4 Web趨勢(shì)記錄界面

2）報(bào)警系統(tǒng)信息處理，分為短時(shí)故障報(bào)警與長(zhǎng)時(shí)故障報(bào)警[10]。短時(shí)故障報(bào)警是指在系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警后，值班輪機(jī)員尚未來(lái)得及作出應(yīng)答操作，參數(shù)已自動(dòng)恢復(fù)正常，這時(shí)報(bào)警聲應(yīng)繼續(xù)保持，同時(shí)報(bào)警指示燈轉(zhuǎn)為慢閃，以記憶報(bào)警狀態(tài)。值班輪機(jī)員在獲悉后，首先應(yīng)在集控室進(jìn)行消聲。使聲響報(bào)警停止，同時(shí)恢復(fù)3 min計(jì)時(shí)，以免系統(tǒng)發(fā)出失職報(bào)警。然后根據(jù)閃光燈確認(rèn)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行消閃，報(bào)警指示燈從慢閃切換成熄滅。長(zhǎng)時(shí)故障報(bào)警是指在系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警后，值班輪機(jī)員尚未來(lái)得及作出應(yīng)答操作，而參數(shù)未能自動(dòng)恢復(fù)正常，此時(shí)故障報(bào)警指示燈常亮。

3）輪機(jī)員值班，是指失職報(bào)警[9,10]。失職報(bào)警是指故障已經(jīng)產(chǎn)生并且傳到值班員住處，但值班人員在3 min內(nèi)未能做出相應(yīng)的應(yīng)答操作所設(shè)置的報(bào)警，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出失職報(bào)警后，失職報(bào)警燈常亮，輪機(jī)員只能在集控室消聲應(yīng)答，復(fù)位3 min失職報(bào)警計(jì)時(shí)后方能撤銷(xiāo)。

4 裝置GUI界面設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代船舶通信技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化水平的不斷進(jìn)步，信息集成度要求越來(lái)越高，對(duì)推進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)和重要參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控與管理在船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控中至關(guān)重要。

圖5 船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警流程圖

圖6 故障報(bào)警GUI界面

本裝置針對(duì)船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置的要求，利用ACP-4000工控機(jī)中matlab編寫(xiě)了m文件，設(shè)計(jì)了故障報(bào)警GUI界面，實(shí)現(xiàn)了ACP-4000工控機(jī)與施耐德M340 PLC之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)讀取與相應(yīng)故障報(bào)警程序。如圖6所示。

1）過(guò)壓故障GUI界面

故障報(bào)警裝置設(shè)置過(guò)電壓的臨界值為115 V，如果調(diào)壓器電壓高于115 V，診斷系統(tǒng)則判定電力系統(tǒng)存在過(guò)電壓故障，如圖7所示。

圖7 過(guò)壓故障GUI界面

2）欠壓故障GUI界面

設(shè)置報(bào)警裝置欠電壓的臨界值為95 V，如果調(diào)節(jié)器電壓低于95 V，報(bào)警裝置則判定電力系統(tǒng)存在欠電壓故障，如圖8所示。

3）正常工況GUI界面

當(dāng)系統(tǒng)電壓在95~115 V，并且無(wú)其他故障時(shí)，GUI界面上正常工況按鈕則會(huì)亮起，此時(shí)報(bào)警指示燈面板工作正常，無(wú)報(bào)警燈亮，如圖9所示。

4）A相斷路故障GUI界面

本文以三相短路故障中A相斷路為例，利用GUI界面采集了A相斷路故障中電壓、電流的整體變化過(guò)程，以及對(duì)應(yīng)過(guò)程中故障類(lèi)型的變化。如圖10所示。

圖8 欠壓故障GUI界面

圖9 正常工況GUI界面

5 結(jié)論

船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置作為電力系統(tǒng)控制的關(guān)鍵設(shè)備之一，其研究與應(yīng)用主要涉及電力參數(shù)檢測(cè)儀表的應(yīng)用、故障報(bào)警PLC控制、報(bào)警控制面板實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和報(bào)警裝置網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。在監(jiān)視方面，裝置實(shí)現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障報(bào)警功能和故障診斷功能。實(shí)驗(yàn)表明，船舶電力系統(tǒng)故障報(bào)警裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶常見(jiàn)的故障進(jìn)行判別與報(bào)警功能，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖10 A相斷路故障

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Design of Fault Alarm Device for Shipboard Electrical Power System Based on IPC and PLC

Hou Yunfei, Shi Weifeng, Yang Yiwei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM774

A

1003-4862（2017）06-0026-05

2016-11-01

候云飛（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)故障診斷。E-mail: houyunfei@sssri.com