船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究范文

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《江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2017年第3期

摘要：為完成對(duì)船舶電站的自動(dòng)監(jiān)控，結(jié)合實(shí)際的控制功能和要求，提出了一個(gè)以STC單片機(jī)技術(shù)為核心的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)，著重介紹了控制系統(tǒng)的功能、組成，并對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。系統(tǒng)具備電站監(jiān)控、工作狀態(tài)顯示、故障報(bào)警顯示和存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定等功能，人機(jī)界面友好，為日后實(shí)現(xiàn)駕控—集控一體化控制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；船舶電站；單片機(jī)技術(shù)；自動(dòng)機(jī)艙；自動(dòng)控制

0引言

船舶電站監(jiān)測(cè)是每條自動(dòng)化船舶必備的功能之一，它包括了船舶電力的控制、分配、監(jiān)測(cè)、報(bào)警等，并具有集中顯示功能，是船舶電站自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)手段之一。隨著船舶自動(dòng)化程度越來(lái)越高，對(duì)船上電氣技術(shù)管理人員的操作能力和應(yīng)急反應(yīng)能力的要求也越來(lái)越高，因而除了不斷熟悉船舶電站工況，還需要有可靠的監(jiān)控軟件做保障，這樣才能有效提高船舶電站操作運(yùn)行的準(zhǔn)確率。當(dāng)前，能夠完成上述功能的控制系統(tǒng)以采用PLC控制技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)為主，兩者都具有較強(qiáng)的集中控制能力，但是在通信功能上兩者有較大區(qū)別。隨著工控技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，基于單片機(jī)技術(shù)的船舶電站控制系統(tǒng)慢慢顯示出了其在通信方面的優(yōu)異性能，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)能更好地處理信號(hào)，快速響應(yīng)，是今后技術(shù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)新方向。

1船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體功能

船舶電站的管理主要涉及船舶發(fā)電機(jī)組的控制、啟停、并車(chē)、監(jiān)控等操作，并能同時(shí)調(diào)整及穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、頻率等信號(hào)，使船舶電力參數(shù)始終穩(wěn)定在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，從而滿(mǎn)足船舶正常航行需求。本系統(tǒng)對(duì)船舶電站的發(fā)電機(jī)組根據(jù)負(fù)載需要進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)、投入運(yùn)行、自動(dòng)同步和自動(dòng)并車(chē)；并實(shí)現(xiàn)頻率、電壓自動(dòng)恒定；聯(lián)鎖運(yùn)行機(jī)組間功率、負(fù)載自動(dòng)分配和轉(zhuǎn)移；重載控制，根據(jù)電站負(fù)荷狀態(tài)自動(dòng)卸載或投入次要負(fù)載；自動(dòng)解列、自動(dòng)停車(chē)。系統(tǒng)能夠?qū)Υ半娬具M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并經(jīng)過(guò)組態(tài)系統(tǒng)展現(xiàn)在屏幕界面上，方便簡(jiǎn)潔。

1.1發(fā)電機(jī)組的啟停控制

在發(fā)電機(jī)組控制屏上分別設(shè)置手/自動(dòng)啟動(dòng)、手/自動(dòng)停止與應(yīng)急停機(jī)的控制按鈕。如果有一路控制線路故障，只會(huì)對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的作業(yè)狀態(tài)產(chǎn)生影響，不會(huì)對(duì)其他機(jī)組產(chǎn)生影響，保證了其他機(jī)組的正常工作。

1.2并車(chē)控制

若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并車(chē)，需具有并車(chē)控制與自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載功能，即能夠?qū)γ颗_(tái)柴油機(jī)的頻率、功率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的準(zhǔn)并車(chē)狀態(tài)；然后將待并機(jī)組投入電網(wǎng)，并網(wǎng)后能夠執(zhí)行恒頻、功率與負(fù)載自動(dòng)分配等操作。

1.3匯流排監(jiān)測(cè)

匯流排監(jiān)測(cè)可以通過(guò)屏面上旋鈕來(lái)觀測(cè)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)，根據(jù)控制單元的電網(wǎng)功率余量進(jìn)行計(jì)算判斷，確定是否要解列或是啟動(dòng)備用機(jī)組投入電網(wǎng)。

1.4發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)監(jiān)視器

監(jiān)視器是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)監(jiān)視電網(wǎng)的電壓、頻率，機(jī)組的水溫、水壓、油溫、油壓等機(jī)、電參數(shù)是否正常，確保電網(wǎng)供電的連續(xù)性。

1.5重載詢(xún)問(wèn)

重載詢(xún)問(wèn)即大負(fù)荷設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，若電網(wǎng)的剩余功率能滿(mǎn)足大負(fù)荷工作可直接投入；若電網(wǎng)的剩余功率不能滿(mǎn)足大負(fù)荷工作，就會(huì)提示啟動(dòng)備用機(jī)組并網(wǎng)工作，在備用機(jī)組沒(méi)有并網(wǎng)運(yùn)行前，拒絕大功率設(shè)備啟動(dòng)工作。

1.6自動(dòng)分級(jí)合閘

當(dāng)機(jī)組故障跳閘時(shí)，電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)短暫的斷電現(xiàn)象，在電網(wǎng)自動(dòng)恢復(fù)供電后，為迅速恢復(fù)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行，在自動(dòng)電站系統(tǒng)中可以設(shè)置自動(dòng)重合閘裝置，用于主輔機(jī)、舵機(jī)及其他重要設(shè)備的自動(dòng)啟動(dòng)。

2STC控制系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如下：通過(guò)電壓互感器和電流互感器采集電網(wǎng)參數(shù)后輸入專(zhuān)用采集芯片ATT7022B，通過(guò)STC單片機(jī)的處理得到計(jì)算結(jié)果，可以將采集模塊采集到的電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程傳輸至上位機(jī)，在觸摸屏上顯示出來(lái)，用于監(jiān)測(cè)、分析和記錄。STC單片機(jī)控制的船舶電站系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警三個(gè)模塊，它們既相互獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)。在電站運(yùn)行過(guò)程中，電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)在船舶各個(gè)功能狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)其值也會(huì)發(fā)生改變，從而影響機(jī)組并入電網(wǎng)的頻率及電壓質(zhì)量可能，引起電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致電網(wǎng)斷電。監(jiān)測(cè)模塊能對(duì)船舶原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、其他配電裝置及相關(guān)設(shè)備等的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值偏離設(shè)定值一定范圍時(shí)，便會(huì)有報(bào)警輸出提示和自動(dòng)記錄儲(chǔ)存，并且能通過(guò)控制模塊輸出信號(hào)，對(duì)船舶電站的頻率、電壓等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，保證電網(wǎng)質(zhì)量。控制模塊也可對(duì)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、并車(chē)進(jìn)行自動(dòng)控制。如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)偏離情況比較嚴(yán)重，超過(guò)安全數(shù)值范圍，控制模塊會(huì)采取一定的防范措施，避免事故的發(fā)生與惡化。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程比較復(fù)雜，但它能及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，最大限度保證船舶的運(yùn)行安全及船員生命安全。而保證系統(tǒng)硬件的有效性是確保電站運(yùn)行可靠性的重要前提，作為船舶自動(dòng)電站的核心部分，系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)船舶電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、保護(hù)及報(bào)警輸出，船舶電力主開(kāi)關(guān)及機(jī)組加減速信號(hào)處理，電站狀態(tài)，各機(jī)組有功功率、電壓、頻率，電網(wǎng)電壓、頻率監(jiān)控等功能。單機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體模塊如下：

3.1信號(hào)輸入模塊

信號(hào)輸入模塊由A/D轉(zhuǎn)換模塊、光電隔離模塊組成，A/D模塊將4～20mA的電流模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給單片機(jī)的中央處理器；光電隔離模塊能夠?qū)斎腚娐泛洼敵鲭娐愤M(jìn)行有效的電氣隔離，清除外來(lái)的諧波干擾，保障信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

3.2信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊主要是指繼電器模塊，其將單片機(jī)處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)量輸出，發(fā)送給發(fā)電機(jī)組，其輸出是常開(kāi)觸點(diǎn)，即在繼電器不通電的狀態(tài)下，繼電器的觸頭處于斷開(kāi)狀態(tài)。另外，繼電器都連接一個(gè)工作狀態(tài)指示燈，當(dāng)線圈得電時(shí)，靜觸點(diǎn)處于接通狀態(tài)，指示燈亮；當(dāng)繼電器線圈失電時(shí)，指示燈滅。

3.3電量預(yù)處理模塊

電量預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)將發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)實(shí)際電量進(jìn)行變送后采集，經(jīng)過(guò)處理后變?yōu)殡妷?～2V的信號(hào)輸入，再通過(guò)濾波后輸出方波信號(hào)。

3.4電量變送模塊

電量變送模塊是電壓、電流、功率、頻率等基本電氣參數(shù)的變送采集處理單元，一般情況下，變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)是4～20mA，通過(guò)轉(zhuǎn)換成0～5V或-5～0V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，對(duì)變送器采集的電壓、電流、功率以及電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行通信、顯示與計(jì)算，便于集中監(jiān)控與處理。

4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的監(jiān)控，系統(tǒng)需要準(zhǔn)確采集電氣信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行集中處理。以STC單片機(jī)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)連續(xù)的模擬及數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，若要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，需進(jìn)行編程，一旦電站中有異常情況出現(xiàn)，設(shè)計(jì)的程序能立即報(bào)警，輸出信號(hào)點(diǎn)亮指示燈及打開(kāi)蜂鳴器，并將信息輸送至上位機(jī)，在人機(jī)界面上顯示出來(lái)，必要的情況下，可通過(guò)界面按鈕完成人工操作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為核心控制程序和觸摸屏界面控制程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。核心控制程序通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯判斷、分析處理和輸出執(zhí)行等功能；界面的顯示控制程序設(shè)計(jì)是通過(guò)MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，MCGS是一款功能較為強(qiáng)大的組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，能獲取良好的監(jiān)控信號(hào)，較為完善地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、報(bào)警與顯示功能，從而及時(shí)通知船員進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)急操作，更好地保證船舶安全航行。

5結(jié)語(yǔ)

隨著船舶自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，電站自動(dòng)化的內(nèi)容將更為豐富，在船舶航行中的地位也會(huì)越來(lái)越重要。船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)能確保全船電力供給的安全有效進(jìn)行，本文利用STC單片機(jī)作為核心控制芯片，應(yīng)用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了電站監(jiān)控、工作狀態(tài)顯示、故障報(bào)警顯示和存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定等功能，人機(jī)界面友好，為日后實(shí)現(xiàn)駕控—集控一體化控制奠定了基礎(chǔ)。

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作者：何琪；毛攀峰；徐鵬 單位：浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程學(xué)院