夏海洵

(1. 南京航天航空大学 航天学院，江苏 南京 211100；2. 江苏省扬州技师学院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

船舶电站是实现船舶电网、用电设备功率统筹控制系统，随着船载用电设备种类和功率的增加，电站管理系统的控制能力有了更高的要求。电站管理系统一方面要保障船载用电设备的电能供应，防止出现欠功率运行的情况，影响船载设备的使用功能；另一方面，电站管理系统需要保障船舶电网的安全性和可靠性，实现船舶电网故障的在线监测，及时处理船舶电网发生的故障，防止引发较大的安全事故[1]。

针对船舶电站的复杂运行工况，本文在现有船舶电站控制设备的基础上，基于S7-200PLC 控制器开发了一种新型的船舶电站管理系统，从电站管理系统的整体设计、功率管理模块建模、硬件和软件程序等方面进行详细阐述。

1 船舶电站管理系统的整体设计

随着船舶自动化的发展，电站管理系统自动化程度不断提高，电站管理也从小范围、小容量的自动管理，逐渐向大范围、集成式的自动化管理系统发展。在电站的自动化发展中，控制器发挥着不可或缺的作用，S7-200PLC 控制器是一种PLC 核心控制器，具有运算速度快、集成度高等优点，本文基于S7-200PLC控制器进行船舶电站管理系统的整体设计。

基于PLC 的船舶电站管理系统的整体设计图如图1所示。

图1 基于PLC 的船舶电站管理系统的整体设计图Fig. 1 Overall design diagram of ship power station management system based on PLC

本文设计的船舶电站管理系统主要实现以下功能：

1）供电管理

电站管理系统通过监测电网和用电设备的使用情况，控制供电网络的开关通断，使船舶电网的负载所需电量与电站供给的电量能够相匹配，防止电能的浪费。

2）负载管理

由于船舶电力网络中的负载设备功率越来越大，为了提高对这些大功率负载设备的监管能力，一旦大功率负载设备出现短路和短路故障，可以第一时间切断电源防止灾害的进一步发生[2]，电站管理系统实现负载设备的直接控制，有助于提升船舶电网的运行安全性。

3）功率调节功能

电站管理系统能够实现多发电机的综合控制，利用同步单元与自动调载单元，使电网的整体运行频率维持恒定，并通过协调发电机组的工作状态，使发电机组承担的有功功率具有合适的比例关系。

2 基于S7-200PLC 控制器的电站管理系统应用

2.1 电站管理系统的功率管理建模

在设计船舶电站管理系统的过程中，电网的功率控制模块设计是其中的核心，功率管理是根据船舶负载的工作状态，确定发电机组的并网状态，本节首先对船舶电网的几个核心部件进行功率建模。

1）发电机组

船舶发电机组以高压发电机为主，发电机组包括永磁机、绕组、定子、转子、支撑结构等，建立船舶电网发电机组的功率模型为：

式中：Pi为船舶发电机组的功率，pi每个发电机工作压力，Vi为发电机的体积，n为发电机的实际转速，τ为冲程系数， τ =0.39，N0为发电机的平均转速，Mi为输出转矩。

船舶发电机组的输出功率曲线如图2 所示。

图2 船舶发电机组的输出功率曲线Fig. 2 Output power curve of marine generator set

2）变电站功率

变电站将发电机组产生的高压转化为用电设备需要的额定电压，变电站功率模型为：

式中：V0为变电站的额定电压；C0为变电站的电容，为电阻值。

3）多机组并网功率模型

船舶多个发电机组的容量不一定相同，在进行功率分配时，需建立不同容量n台机组的负载功率余量Pk模型为：

式中：PN为单台发电机组的额定功率；Pn为单台发电机组的实际负载功率。

不同容量n台机组的电流余量可表示为：

式中：IN为单台发电机组的额定电流；In为单台发电机组的实际负载电流[3]。

多台机组并联功率模型为：

图3 为多台机组并联调频与功率调节的示意图。

图3 多台机组并联调频与功率调节的示意图Fig. 3 Schematic diagram of parallel frequency modulation and power regulation of multiple units

2.2 船舶电站管理系统的硬件设计

船舶电站管理系统包括1 台上位机和2 台下位机，上位机是基于WinCC 软件的PC 机，下位机基于S7-200PLC 控制器，下位机实现船舶电网的运行数据采集及控制，上位机负责系统显示和报警，关键硬件构成包括：

1）S7-200PLC 的CPU 模块

S7-200 系列PLC 优势领域是局域系统的控制场景，为了保障控制系统的需求，S7-200 系列PLC 提供了不同型号的CPU 模块，本文选择CPU226 CN AC/DC/Relay 模块，集成了24 路数字量输入和16 路数字量输出，电源采用230 V 交流供电。CPU226 CN AC/DC/Relay 模块具有良好的扩展性，其功能原理图如图4 所示。

图4 CPU226 CN AC/DC/Relay 模块原理图Fig. 4 CPU226 CN AC/DC Module schematic diagram

2）信号检测模块

电站管理系统中，信号检测模块采用船舶电网、负载处的电压、电流信号，电压信号通过电压变送器[4]进行检测，检测过程包括电压信号的同相运放、线性检波、有源滤波、反向放大等，电压信号检测原理图如图5 所示。

图5 船舶电站电压信号检测原理图Fig. 5 Schematic diagram of voltage signal detection in ship power station

系统采用的电压变送器工作参数如表1 所示。

表1 电压变送器工作参数表Tab. 1 Working parameter table of pressure transmitter

3）功率信号检测模块

在电站的功率采集中，系统使用功率变送器实现功率检测，有功功率信号的采集过程包括电压、电流采样、滤波、放大等，最终将电压和电流信号转换为系统的功率标准信号输出。本文系统采用的功率变送器为TAIK-S3 系列。

2.3 软件程序设计

电站管理系统采用的软件程序为组态软件WinCC系统，基于组态软件WinCC 的电站管理系统工作流程图如图6 所示。

图6 基于组态软件WinCC 的电站管理系统流程图Fig. 6 Flow chart of power station management system based on WinCC configuration software

3 结 语

船舶电站管理系统承担着船舶电力网络的功率控制、故障检测等重要作用，是船舶电网正常运行的关键。本文基于S7-200PLC 控制器，通过建立船舶电网的功率模型，开发了船舶电站管理系统，并对系统的关键硬件如CPU、信号检测模块等进行了详细设计。