于 朝，王孫清，李彬彬，張 煒，鄭恒持

基于PLC的能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)設計

于 朝1,2，王孫清1,2，李彬彬1,2，張 煒1,2，鄭恒持1,2

（1．中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082；2. 深海技術(shù)科學太湖實驗室，江蘇無錫 214082）

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)可保證艦船綜合電力系統(tǒng)能夠可靠、安全以及健康地運行。針對現(xiàn)有船舶能量管理系統(tǒng)中線路連接復雜、穿艙線纜多等問題，設計基于PLC和分布式控制器的艦船能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)，分艙室采集各傳感器信號并實現(xiàn)狀態(tài)信號和控制信號的集中處理，來實現(xiàn)對全艦設備的集中監(jiān)測與控制并保證系統(tǒng)的可靠性。

綜合電力系統(tǒng) 能量監(jiān)測及管理系統(tǒng) PLC

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)實現(xiàn)艦船電能的產(chǎn)生、輸送、變換、分配及使用的高效與智能化管理[1]。能量監(jiān)測及管理分系統(tǒng)利用傳感器和網(wǎng)絡通信技術(shù)、計算機和智能輔助技術(shù)，對艦船電能實現(xiàn)集中監(jiān)測報警、調(diào)度控制，有助于實現(xiàn)對全船電能、變電裝置和用電設備的集中監(jiān)測，有利于實現(xiàn)對無人艙室電力設備的遠程監(jiān)控和電網(wǎng)故障重構(gòu)，有助于提高艦船的智能化，是綜合電力系統(tǒng)的核心控制部分之一。在能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)中，各發(fā)電裝置、變電裝置和用電設備分布在艦船各個部位，需要采集和發(fā)送大量狀態(tài)信號和控制信號[2]。如果各個設備都分別與能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)控制器直接連接，需要大量信號線進行穿艙連接，不利于艦船安全。因此，采用分布式PLC集中處理各艙室監(jiān)控信號，并與能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)控制器直接相連，從而最大限度地集中處理龐大的狀態(tài)信號和控制信號。

目前，俞萬能[3]等基于PLC及總線控制技術(shù)，研發(fā)多能源船舶微網(wǎng)能量控制系統(tǒng)；胡紅錢[4]等由M430 PLC擴展為Modbus/TCP交換機，改進現(xiàn)場總線缺點，實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸；許智豪[5]等使用STM32F407作為微控制器，設計基于I2C總線的能量管理系統(tǒng)，對底層控制器的I/O端口進行有效控制；錢美[6]等基于現(xiàn)場CAN網(wǎng)絡搭建監(jiān)控管理系統(tǒng)來實現(xiàn)艦船電力監(jiān)控。

從上述可知，目前艦船能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本為控制器與底層設備直接相連，導致線路連接復雜，穿艙線纜多。因此，本文將基于分布式PLC處理各艙室信號，并與主控制器直接相連的架構(gòu)來搭建艦船能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)，降低線路連接復雜程度并提高系統(tǒng)可靠性。

1 能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)硬件設計

電站艙與推進艙采用分布式控制器，負責傳感器信號采集與控制信號輸出，駕駛艙PLC接收分布式PLC采集的傳感器信號，集中處理、運算后輸出相應控制信號，控制全艦設備，能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成

主要硬件選型有：

1）集控臺顯示屏選用西門子TP2200系列，可實時顯示能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)各傳感器、接觸器、斷路器狀態(tài)信息，電站1和電站2工作狀態(tài)，電機1和電機2驅(qū)動狀態(tài)，并可下發(fā)操作指令，控制各裝置運行。

2）駕駛艙PLC選用西門子CPU 1515-2 PN控制器，配備模擬量采集模塊和數(shù)字量輸入/輸出模塊，采集相應傳感器和接觸器狀態(tài)信息，并與分布式PLC通過以太網(wǎng)接口相連，獲取其它艙室狀態(tài)信息并控制；并與集控臺顯示屏相連，實時輸出信號在顯示屏上顯示。

3）分布式PLC選用西門子ET200 MP控制器，該分布式PLC不帶CPU，只配信號輸入/輸出模塊，通過接口模塊IM 155-5 PN與駕駛艙PLC通訊。

2 能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件功能設計

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)須對全艦能量進行集中監(jiān)測、評估、調(diào)度和控制，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高度自動化管理，主要功能如下：

1）全艦分布式電源、變電裝置、用電負荷狀態(tài)集中監(jiān)測

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)應采集分布式電源、各變電裝置、各用電負荷的基本參數(shù)與運行狀態(tài)，集中以直觀形式顯示于監(jiān)控界面，并具備報警、記錄、歷史查詢功能。

2）電網(wǎng)狀態(tài)實時監(jiān)測

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)應采集主要回路的電壓、電流、絕緣狀態(tài)以及配電開關(guān)合分閘狀態(tài)，以直觀方式在監(jiān)控界面進行顯示，并具備報警、記錄、歷史查詢功能。

3）無人艙室電力設備遠程監(jiān)控

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)可實時監(jiān)測無人艙室電力設備運行狀態(tài)，判斷故障發(fā)生及故障類型，并產(chǎn)生聲光報警。并可針對不同運行狀態(tài)和工況需求，在取得操作權(quán)限后可發(fā)送遙控指令控制相關(guān)電力設備運行。

4）恢復性重構(gòu)控制

當艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，會導致電網(wǎng)用電設備停電。因此，當電網(wǎng)故障，能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)應能夠及時定位故障區(qū)域與類型，通過控制相應接觸器與斷路器，改變電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，隔離故障區(qū)域，恢復重要負載供電。

2.2 程序設計

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)的程序設計可分為三部分，包括主控制器S7-1500的程序設計、觸摸屏監(jiān)控軟件設計和PLC與各設備通訊設計。主控制器通過采集各艙傳感器信號，并根據(jù)觸摸屏的控制指令或機旁控制指令，進行數(shù)據(jù)分析和處理，發(fā)出控制信號，實現(xiàn)全艦的集中管理和監(jiān)控。

駕駛艙PLC采用博途軟件進行開發(fā)，包括1個主程序和9個子程序，其中子程序分別為初始化子程序、駕駛艙傳感器采集和信號輸出子程序、駕駛艙數(shù)據(jù)處理子程序、電站艙傳感器采集和信號輸出子程序、電站艙數(shù)據(jù)處理子程序、推進艙傳感器采集和信號輸出子程序、推進艙數(shù)據(jù)處理子程序、報警闕值設置及報警子程序和設備通訊配置子程序。

其中傳感器采集和信號處理模塊，將PLC信號采集模塊過程輸入映像表中的數(shù)據(jù)處理后輸入到工作存儲區(qū)的數(shù)據(jù)塊DB中，用于后續(xù)程序編程；并將程序處理后的控制信號信號輸出到過程輸出映像表中，用于PLC信號輸出模塊輸出控制信號。對于模擬量信號，PLC采集卡將傳感器信號轉(zhuǎn)為16位數(shù)字信號，需編程將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為傳感器實際量程，如圖2所示。

圖2 傳感器采集和信號輸出子程序

數(shù)據(jù)處理子程序通過掃描接收到的輸入信號與控制命令，按照預設程序，逐一執(zhí)行控制程序，輸出相應的控制信號，用于對執(zhí)行機構(gòu)（接觸器、變頻器等）的控制，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理子程序

圖4 報警闕值設置及報警子程序

報警闕值設置及報警子程序?qū)崟r監(jiān)測傳感器信號以及系統(tǒng)狀態(tài)信息，當傳感器數(shù)值超過正常范圍時，置位超限或低限指令，并觸發(fā)報警子程序，自動斷開相應設備并具有聲光報警功能，并可在監(jiān)控界面提示故障信息，如圖4所示。

3 通訊設計

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)主要與分布式PLC、觸摸屏和推進電機變頻器通訊。

對于分布式PLC和觸摸屏，皆采用西門子系列產(chǎn)品，與駕駛艙PLC CPU 1515-2 PN控制器采用以太網(wǎng)接口連接通訊，只需將三個設備以太網(wǎng)地址配置為同一網(wǎng)段，軟件可自動配置進行設備間的數(shù)據(jù)交互，完成傳感器信號以及控制信號的傳輸。

與推進電機變頻器采用Modbus RTU協(xié)議通訊，可實現(xiàn)變頻器開關(guān)器件和系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、輸入電壓、輸出電流監(jiān)控以及轉(zhuǎn)速設置與顯示等參數(shù)的設置。使用博途軟件配置Modbus RTU通訊需設置從站設備的通訊波特率、奇偶校驗、從站地址、通信模式、從站地址區(qū)開始地址、傳輸數(shù)據(jù)長度等參數(shù)，具體配置如圖5所示。

圖5 Modbus通訊配置程序

4 監(jiān)控界面設計

能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)可實時監(jiān)測全艦各艙室傳感器信息，并實現(xiàn)對各艙室執(zhí)行機構(gòu)的控制。因此，在全艦建立綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將船上所有電源、變電裝置、用電負荷與執(zhí)行機構(gòu)納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)。將全艦的設備按照位置的不同劃分為駕駛艙、電站艙和推進艙三個子系統(tǒng)。在駕駛艙監(jiān)控主界面可集中顯示各艙室主要回路電壓、電流和絕緣狀態(tài)以及電站和推進裝置工作狀態(tài)；各子系統(tǒng)監(jiān)控界面可詳細顯示各艙室內(nèi)設備和執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)并發(fā)出控制指令，如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主界面

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)能量監(jiān)測及管理系統(tǒng)中各設備和傳感器信號直接與主控制器相連造成穿艙線纜多、線路復雜等缺點，提出一種基于分布式PLC監(jiān)控各艙室設備信息并與主控制器通訊的控制系統(tǒng)設計方案并加以分析。該系統(tǒng)設計實現(xiàn)了各設備分散控制和集中管理，各分布式PLC與主控PLC僅需一條網(wǎng)線連接，減少了穿艙電纜數(shù)量，實現(xiàn)了對全艦設備、用電負荷和執(zhí)行機構(gòu)的有效控制和監(jiān)測。

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[3] 俞萬能, 廖衛(wèi)強, 楊榮峰等. 基于太陽能鋰電池及柴油發(fā)電機組的多能源船舶微網(wǎng)能量控制系統(tǒng)研發(fā)[J]. 中國造船, 2017, (1): 170-176.

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[5] 許智豪, 李維波, 華逸飛等. I2C 總線技術(shù)在艦船能量管理系統(tǒng) I/O 端口擴展中的應用[J]. 中國艦船研究, 2019, 14(1): 144-149.

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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，工程師，碩士，研究方向：能量監(jiān)測及管理。E-mail：694752200@qq.com