王金豹 孔立胜 刘 洋 孙剑峰

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海201108）

1 概述

柴油发电机组由于环境适应性强、发电效率高被广泛应用于各种类型的船舶，其安全稳定的运行是确保船舶正常供电的关键。本文所介绍的柴发机组安保监控统是建立在西门子公司生产的SIMATIC S7-1200 系列PLC 基础上,主要功能为控制柴油机发电机组的启动与停机，保证柴发机组的正常运行。

2 方案设计

2.1 安保监控系统的组成

图1 系统组成图

柴油发电机组安保监控系统主要由CRT 显示终端、S7-1200 PLC 控制模块、柴油机机旁ECU 控制单元、网络交换模块组成。

S7-1200 PLC 控制模块采集来自机旁ECU 控制单元、外部传感器、信号处理模块、操作面板等元器件的开关量输入信号，经控制程序逻辑判断通过PLC 模块的DQ 通道输出启动、正常停机、故障紧停等输出信号对柴发机组进行安全保护控制。PLC S7-1200 自带网络接口，可以将安全报警信息经网络交换模块发送给CRT 显示终端，进行柴发机组监控信息显示。

网络交换模块可实现柴油机机旁ECU 控制单元、CRT 显示终端、PLC 模块之间的网络信息交互。

柴油机机旁ECU 控制单元可实现柴油机的机旁监测控制，包括启动、停机、机组监测报警等功能。并具备遥控交互接口，实现对外网络信息交互、远程控制、输入输出信息采集等功能。另外ECU 控制单元对外拓展输出滑油压力过低、柴油机转速低于额定转速的70%、机旁操作、操作未备便等开关量输出接口。

CRT 显示终端安装LABVIEW 监控软件，可采集来自机旁ECU 控制单元和PLC 模块的通讯信息，实现柴发机组运行参数的实时参数监控、报警输出并具备数据记录功能。

2.2 安保监控系统的主要功能

2.2.1 启动连锁功能。启动柴油机之前，安保系统自动检测柴油机滑油液位、启动空气压力、淡水低温、控制部位选择开关位置、燃油油位等开关量信号，确认柴油机是否具备安全启动条件，通过程序设置启动连锁实现启动连锁功能。

2.2.2 正常停机连锁功能。正常停机前检测发电机是否分闸，防止因为发电机未分闸突然停机引起电网的巨大波动。

2.2.3 安保紧急停机功能。柴油机超速、淡水温度过高、滑油压力过低、主轴承高温等故障会严重威胁柴油机发电机组的使用寿命。当设备出现以上故障时，自动执行紧急停机功能，经检查排除故障后才可以再次启动柴发机组。

2.2.4 报警输出功能。当柴发机组遇到故障紧急停机同时，PLC 会送出报警信息，在CRT 显示终端报警显示界面显示相应的故障报警状态，方便操作人员判断故障原因。

2.3 硬件设计

安保监控系统的核心控制器选择了西门子公司生产的SIMATIC S7-1200 系列PLC，具有结构紧凑、功能全面、组态灵活、运行稳定、工作可靠等特点。

2.3.1 PLC 的选型。选型之前需要对控制对象和控制任务进行统计和分析，然后确定选择的型号和配置。经过统计，输入输出I/O 点数如下：开关量输入17 个，模拟量输入3 个，开关量输出5 个。

CPU 模块采用的是CPU 1214C DC／DC／DC 模块。模块内置PROFINET 以太网通信接口、板载14 入／10 出的开关量通道、两路模拟量输入通道以及两个脉冲发生器，并最多可附加八个信号模块以及三个通信模块。

数字量模块采用的是SM 1221 DC，其有8 路24V 输入通道。

模拟量模块采用的SM1231 AI，其有4 路模拟量输入通道。

如图2 为PLC 在编程软件中Portal 视图的硬件组态情况。

2.3.2 I/O 测点分配。根据输入/输出内容，I/O 分配定义情况如下：

I0.0-I0.7 分配输入测点：手动启动指令、手动停机指令、手动紧急停机指令、越控指令、应答、复位、机旁操作、操作未备便；

图2 PLC 硬件组态

I1.0-I1.5 分配输入测点：滑油液位低、启动空气低压、淡水温度低、柴油机超速、淡水温度过高、滑油压力过低；

I2.0-I2.2 分配输入测点：发电机轴承高温、发电机已分闸、柴油机转速低于额定转速的70%；

Q0.0-Q0.4 分配输出测点：启动输出、正常停机输出、故障紧急停机输出、正常运行信号输出、蜂鸣器报警输出；

IW112、IW114、IW116 分配模拟量输入测点：柴油机转速、排气背压、滑油压力。

2.3.3 传感器及信号源的选择。手动启动指令、手动停机指令、手动紧急停机指令、越控指令、应答、复位开关量输入信号由柴油机操作板上对应的按钮直接送出；

机旁操作、操作未备便、滑油压力过低、发电机轴承高温、发电机分闸、柴油机转速低于额定转速的70%开关量输入量信号由柴油机机旁ECU 控制单元拓展送出；

滑油液位低开关量信号来自柴油机油底壳的液位开关；启动空气低压开关量信号来自启动空气瓶的压力开关；淡水低温开关量信号来自柴油机冷却系统管路的温度开关，当淡水温度低于45℃时，温度开关送出一路开关量信号；淡水温度过高开关量信号来自柴油机淡水管路的另外一路温度开关，当柴油机冷却水温度高于92℃时，温度开关送出一路开关量信号；排气背压模拟量信号来自于排烟管路的压力传感器；滑油压力模拟量信号来自于柴油机主滑油管路的滑油压力传感器。

柴油机转速信号的处理：安装于柴油机飞轮端的转速传感器送出一路脉冲量信号至转速处理模块，经过变换处理后送出一路0-5V 的模拟量至PLC 的SM1231 AI 模拟量采集模块，当柴油机转速大于额定转速的10%时，转速处理模块可以送出一路柴油机超速开关量信号至PLC 的I1.3 输入采集通道。

2.4 软件设计

柴发机组安保监控系统软件功能设计主要有以下几个方面：

2.4.1 启动连锁功能。启动连锁功能流程分析：当控制部位不在机旁、柴油机满足操作备便条件，同时滑油液位低、启动空气低压、淡水温度低等无报警时，此时柴油机无启动连锁条件，按下柴油机操作板上启动按钮，启动输出才有效；当仅有淡水温度低这一启动连锁条件时，按下柴油机操作面板上越控按钮，可以屏蔽淡水温度低报警，强制启动柴油机。

启动程序设计PLC 梯形图如图3。

图3

2.4.2 正常停机连锁功能。正常停机连锁流程分析：当控制部位不在机旁的情况下，按下柴油机操作面板上的停机按钮，发电机分闸后停机信号可以正常输出；发电机未分闸时，按下停机按钮，正常停机输出无效。按下柴油机操作面板上越控按钮，可以跳过发电机分闸信号强制停机。

停机程序设计PLC 梯形图如图4。

图4

2.4.3 安保紧急停机功能

安保紧急停机流程分析：当按下柴油机操作面板上紧急停机按钮，或者当PLC 收到柴油机超速、淡水温度过高、滑油压力过低、发电机轴承高温、柴油机转速低于额定转速的70%中任一开关量输入信号时，执行紧急停机操作。

安保故障停机设计PLC 梯形图如图5。

图5

3 结论

本文设计的船舶柴发机组安保监控系统在实验室物理仿真平台上进行了仿真试验，运行稳定、抗干扰能力强、可靠性高，对船舶柴发机组安保监控系统实际设计与应用具有一定的参考借鉴意义。