基于PLC的海面电站监控系统研究及仿真

李 莉，顾凌云，乔文娟

(银川能源学院，宁夏 银川751603)

0 引 言

海面环境恶劣，经常出现狂风暴雨，所以在海面作业非常有危险性，很具有挑战性。为了使海面上作业能够得到有效的保障，对于电站的监控就显得尤为重要。随着科技的迅速发展，海面作业的复杂程度越来越高，所以对于监控也需要更加智能化，使得可以满足功能多样化，操作简单化。在计算机及网络技术的迅猛发展之下，对于电站的监控也有了巨大的改进，海面电站逐步向系统智能化、操作简单化、结构复杂化、自动化程度高等趋势发展，使得操作更加人性化。现场总线控制技术使得控制系统更加有结构性，管理方便，为后续维护等提供了有利条件，需要对海面电站的监控技术做更深入的现场总线研究。目前国内外对于海面电站的监控研究也比较深入，基于PLC 的海面电站监控具有一定的优势，所以本文提出基于PLC 的海面电站监控系统。结合海面电站的特点及目前海上作业发展的复杂程度，总线控制已经体现出自己的优势，但是还需要进一步提高其可靠性及实时性。本系统结合PLC 及仿真软件Matlab 来实现对海面电站监控系统的设计及仿真［1］。

1 海面电站监控系统的组成

本设计先从整体上说明系统的结构，以及组成结构所用到的硬件设备。通过介绍各个设备及子系统的功能来对结构进行分析，介绍以PLC 为核心控制的控制系统功能，包括电网频率调节、功率分配、负载转移等。同时还具有监测保护的功能，若检测到异常，可以自动执行声光报警器并采取相应保护措施。还有一些功能需要PLC 来完成。运行时采用主程序调用子程序的形式进行，各子程序采取模块化编程。本系统的主要模块有重载询问模块，备用机自启动模块，自动并车模块，自动负荷分配模块，自动解列和停机模块［2］。

海面电站监控系统结构原理如图1 所示。各PLC 作为核心控制器对各个系统之间的逻辑关系进行调配，并且做出一定的决策指令，使得各个功能有一定的逻辑性，保证监控系统的良好运行。

图1 电站监控系统结构原理图Fig.1 Power monitoring system structure diagram

2 系统硬件设计

此硬件组成的系统工作流程大致如下所述:各机组上带有不同的传感器，可以把发电机的各种参数传递给机旁控制箱。机旁控制箱可以与PLC 之间交换信息，也可以与PPU 之间交换信息，把一些参数经简单处理传出去的同时也接受PLC 以及PPU发来的一些控制指令。然后把这些指令传达给执行器，来达到对柴油机参数进行调节的效果。

PLC 与PPU 是此系统的控制核心，西门子S7 -300PLC 做主站，PPU 做从站。PLC 主要控制机组的启动、解列、停机等。通过Profibus -DP 总线，连接各个PPU，处理上位工控机、PPU、机旁控制箱传来的数据信息。从站PPU 则负责采集各发电机组以及电网的各种参数，把一些模拟量参数转化为数字量，通过Profibus -DP 总线，把数据信息传递给PLC，同时接收来自PLC 的控制命令，把指令传递给机旁控制箱，以实现准同步合闸并车的控制以及各机组与电网各运行参数的监测等功能。上位机通过一MOXA 四口交换机，经以太网通讯，与PLC 进行通信，把各机组以及电网的参数显示到工控机显示屏上，并可以通过显示屏的操作，来控制整个系统。同时，通过交换机还可以连接其他设备，比如打印机与AMS 报警系统。硬件框架如图2 所示。

图2 监控系统硬件框架Fig.2 The hardware framework of monitor and control system

3 系统软件设计

PLC 的目的就是将连续的模拟信号进行处理，要实现控制，还需要对采集到的信号予以编程。一旦电站中出现异常，就立即报警，软件设计方面就需要点亮指示灯及蜂鸣器，并将信息传输给上位机，在电脑上进行可视化检测，对于有必要的人工操作，在通过界面按钮等功能，实现对PLC 的人机操作。

3.1 软件功能设计

西门子S7 -300PLC 的编程软件为STEP7，能快捷高效的实现模块化编程应用程序的开发。它提供了3 种编程方式，分别为语句表、梯形图和功能块图，它是通过项目的方式来对自动化编程系统进行管理。它的项目建立流程图如图3 所示。

用户通过OB 操作界面来实现对控制程序的运行，FB 为带记忆的功能块，FC 为不带记忆的功能块，FB 与FC 都是用户自己的程序。FB 功能块之所以有记忆，是因为它有一个数据结构完全等同于它的附属数据块(DB)，FB 调用它的时候DB 数据块便被打开，结束后便会关闭。而FC 功能块则没有这种附属数据块，没有记忆功能。

海面电站监控软件能够在海面作业过程中对现场的控制和实时监测设备各参数的同步进行，为保证监控软件功能正常的运行，应具备以下功能:

图3 STEP 项目建立流程Fig.3 The setup progress of STEP project

1)显示与监测电站运行状态及参数:为了能够及时确认电站的工作状态，船舶电站监控系统能够显示电站的基本参数。通过所显示的参数，确认电站的运行状态以及船舶的航行状况。

2)对故障的处理:根据监控系统所显示的数据，能够判断船舶电站的运行状况，并能够及时的确定故障以及故障发生的原因。当确认故障，能够及时报警，并能确认故障类型［4］。

3)信息的显示、存储:当有故障报警时，通过触摸屏的监控界面，判断故障类型，并根据界面的显示，能够确认故障发生的时间以及持续时间等。在控制系统内有储存卡，将信息储存起来。

3.2 软件功能设计

PLC 有主程序、子程序和中断程序之分。每一个扫描周期，主程序都要被执行一次，小的控制系统一般可以只有一个主程序而不涉及子程序和中断程序。当系统比较复杂或规模比较宏大的时候，如果把所有的控制功能都编入主程序，主程序将会出现难调试、难阅读、运行吃力、运行时间长等情况，并且也不易于维护。而子程序便很好的解决了这种问题，当主程序运行的时候，会在需要的时候调用子程序，子程序只需要编写一次，它便一直在那里等待调用。执行完子程序以后，系统便会自动跳出子程序返回继续执行主程序。中断程序用于快速响应中断事件。在主程序运行的过程中，由于某种可能条件的触发，主程序需要中断去执行编写好的中断程序。当中断程序执行完毕后，系统便会返回到之前被暂停处继续执行主程序。

本设计用模块结构，实现下位机PLC 的各个控制程序。运行时采用主程序中断调用子程序的方式进行，其中各子程序采取模块化编程。本系统的主要子程序模块有备用机自启动模块、自动并车模块、自动负荷分配模块、自动解模块列和停机模块等。

在监控系统正常运行过程中，需要判断确定船舶电站的各种工作状态，其过程如图4 所示，具体工作流程如下:

1)程序运行之后，首先要对程序进行初始化，这一操作为程序的运行提供准备条件，在程序初始化完成之后，接着进行下一步，状态监控循环。

2)当发电机首次运行之后，对电压频率状况进行确认核实，然后可以直接并入电网，在并入电网过程中，可以不考虑并车的条件。

3)正常工作的发电机在启动之后合闸，然后给电网输电，合闸之后的程序通过单机运行。单机运行的过程中，需要监控多方面的状况，不仅需要实时监测运行机的重载、故障情况、发电机运行状况，还需要进行重载询问。在运行过程中，系统自动判断机组是否够用，若能完成任务则继续单机运行。

4)当单机运行不能完成任务时，启用备用机组，启动子程序与处理故障事件时的子程序一样。

5)第1 个电机成功启动之后，还需要进行监测并车，并根据检测状况，判断是否满足并车，条件符合后继续进行自动并车子程序。

6)实时对整个机组的运行状态进行监测。根据监测所得出的故障原因作出不同的反馈。当出现轻载情况时，通过调用自动停机、解列模块等解决问题，保证是安全、经济运行。当在监测过程中发现重载问题时，则需要变更程序，通过再次调用自启动模块、自动并车模块以及调频调载模块，如此循环往复。

当系统监控功能判断需要增机的时候，包括电网失电超过设定的延时时间、预测可用功率低于设定的启动限制值、运行机故障需要换机时，系统便会产生自动增机的信号。此时也会检测启动的必要条件，当满足条件时，则启动开始。设置好发电机组启动的优先级。当第1 次启动失败后进行第2 次启动，第2 次也失败后进行第3 次启动，当第3 次也失败时，宣告启动失败，执行报警程序，同时启动第2 台发电机组，以此类推。启动成功后，则继续执行下一步单机调频调压或自动并车。

图4 船舶电站自动监控主程序流程图Fig.4 Ship power station automatic monitoring main program flow chart

4 系统仿真

仿真系统软件采用Matlab，其在电力系统模型及算法的仿真过程中有着强大的功能，仿真过程比较简单，可以实现很强的仿真效果，其开放式的结构可以让用户进行自主功能模块的设计。在接口方面有多种语言的接口，包括VB、VC 等高级语言的接口，所以在程序编写方面通用性很强，兼容性好。Matlab 可以通过硬件来直接进行驱动，使得其驱动性更好。软件中自带的数据采集系统动态连接库(DLL)可以实现计算机与海面监控系统以外的设备进行信息交互。

本文基于以上分析，搭建了海面电站监控系统的仿真模型，并进行仿真试验。监控系统仿真波形如图5 所示，仿真系统实现了对电站系统的电压、电流、频率和功率的仿真，模拟了海面电站电力系统的运行状况。

为了更直观的了解电站系统的工作状态，一般监控系统都通过Labview 等软件，在上位机上编辑可视化显示界面，来实时显示海面电站的各种参数。本文由于篇幅所限，不再做详细介绍。

图5 监控系统仿真波形Fig.5 The simulation waveform of the monitoring system

5 结 语

海面电站在作业过程中扮演的角色越来越重要，海面电站监控系统对于了解海面电站的运行状态，保证海面作业电能的有效安全的使用起着重要的作用。本文利用PLC 控制芯片，对海面电站监控系统进行了设计，并结合Matlab 仿真软件对其进行仿真。监控系统可以较好的实现电站工作状态监控的可编程控制，可以实现电站整体工作状态的显示、故障信息的显示、存储和报警功能，可有效保证船舶的安全性及可靠性。

［1］滕万庆. 网络环境下的机舱监控系统研发平台设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2007.

［2］李文华，邱志强，孙瑜，等.基于现场总线的船舶电站实时监控系统研究［J］.舰船科学技术，2005，27(2):39-41，59.LI Wen-hua，QIU Zhi-qiang，SUN Yu，et al.Study of the real-time monitor system of shipping power plant based of CAN fieldbus［J］.Ship Science and Technology，2005，27(2):39-41，59.

［3］郑伟胜.基于PLC 的船舶电站监控系统研究［J］. 舰船科学技术，2015，37(2):148 -151.ZHENG Wei-sheng. Research of ship power station monitoring system based on PLC［J］. Ship Science and Technology，2015，37(2):148 -151.

［4］阳世荣.基于实时数据同步交换技术的船舶电站综合监控平台研究［J］.船舶工程，2008，30(z1):105 -108.YANG Shi-rong.Study on integrated supervisory control platform of ship power station based on synchronous exchange of real -time data［J］.Ship Engineering，2008，30(z1):105-108.

［5］卢宏基，张丹.基于CAN 总线的船舶发动机状态监测系统［J］.中国水运，2007，5(4):115 -116.LU Hong-ji，ZHANG Dan. Based on CAN main line ships engine condition monitor system ［J］. China Water Transport，2007，5(4):115 -116.