船舶電站監控系統設計研究范文

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《江蘇科技大學學報》2017年第3期

摘要：為完成對船舶電站的自動監控，結合實際的控制功能和要求，提出了一個以STC單片機技術為核心的船舶電站監控系統，著重介紹了控制系統的功能、組成，并對硬件設計和軟件程序設計等方面進行了詳細分析。系統具備電站監控、工作狀態顯示、故障報警顯示和存儲、參數設定等功能，人機界面友好，為日后實現駕控—集控一體化控制奠定了基礎。

關鍵詞：永磁電機；船舶電站；單片機技術；自動機艙；自動控制

0引言

船舶電站監測是每條自動化船舶必備的功能之一，它包括了船舶電力的控制、分配、監測、報警等，并具有集中顯示功能，是船舶電站自動化實現的重要技術手段之一。隨著船舶自動化程度越來越高，對船上電氣技術管理人員的操作能力和應急反應能力的要求也越來越高，因而除了不斷熟悉船舶電站工況，還需要有可靠的監控軟件做保障，這樣才能有效提高船舶電站操作運行的準確率。當前，能夠完成上述功能的控制系統以采用PLC控制技術和單片機控制技術為主，兩者都具有較強的集中控制能力，但是在通信功能上兩者有較大區別。隨著工控技術的不斷發展，應用計算機軟件的開發，基于單片機技術的船舶電站控制系統慢慢顯示出了其在通信方面的優異性能，應用單片機技術的船舶監控系統能更好地處理信號，快速響應，是今后技術開發的一個新方向。

1船舶電站監控系統的總體功能

船舶電站的管理主要涉及船舶發電機組的控制、啟停、并車、監控等操作，并能同時調整及穩定電網電壓、頻率等信號，使船舶電力參數始終穩定在一個標準范圍之內，從而滿足船舶正常航行需求。本系統對船舶電站的發電機組根據負載需要進行自動啟動、投入運行、自動同步和自動并車；并實現頻率、電壓自動恒定；聯鎖運行機組間功率、負載自動分配和轉移；重載控制，根據電站負荷狀態自動卸載或投入次要負載；自動解列、自動停車。系統能夠對船舶電站進行實時監控，并經過組態系統展現在屏幕界面上，方便簡潔。

1.1發電機組的啟停控制

在發電機組控制屏上分別設置手/自動啟動、手/自動停止與應急停機的控制按鈕。如果有一路控制線路故障，只會對單臺發電機組的作業狀態產生影響，不會對其他機組產生影響，保證了其他機組的正常工作。

1.2并車控制

若要實現自動并車，需具有并車控制與自動調頻調載功能，即能夠對每臺柴油機的頻率、功率進行自動調節，實現機組的準并車狀態；然后將待并機組投入電網，并網后能夠執行恒頻、功率與負載自動分配等操作。

1.3匯流排監測

匯流排監測可以通過屏面上旋鈕來觀測電網及發電機的電壓、電流、頻率、功率因數等電氣參數，根據控制單元的電網功率余量進行計算判斷，確定是否要解列或是啟動備用機組投入電網。

1.4發電機組和電網監視器

監視器是監控系統的重要組成部分，主要負責監視電網的電壓、頻率，機組的水溫、水壓、油溫、油壓等機、電參數是否正常，確保電網供電的連續性。

1.5重載詢問

重載詢問即大負荷設備投入運行時，若電網的剩余功率能滿足大負荷工作可直接投入；若電網的剩余功率不能滿足大負荷工作，就會提示啟動備用機組并網工作，在備用機組沒有并網運行前，拒絕大功率設備啟動工作。

1.6自動分級合閘

當機組故障跳閘時，電網會出現短暫的斷電現象，在電網自動恢復供電后，為迅速恢復整個電力系統運行，在自動電站系統中可以設置自動重合閘裝置，用于主輔機、舵機及其他重要設備的自動啟動。

2STC控制系統的組成

系統的總體設計思路如下：通過電壓互感器和電流互感器采集電網參數后輸入專用采集芯片ATT7022B，通過STC單片機的處理得到計算結果，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、功率因數等電氣參數實時、遠程傳輸至上位機，在觸摸屏上顯示出來，用于監測、分析和記錄。STC單片機控制的船舶電站系統主要包括監測、控制、報警三個模塊，它們既相互獨立，又相互關聯。在電站運行過程中，電壓、電流、頻率、功率等參數在船舶各個功能狀態發生變化時其值也會發生改變，從而影響機組并入電網的頻率及電壓質量可能，引起電網頻率的波動，甚至會導致電網斷電。監測模塊能對船舶原動機、發電機、其他配電裝置及相關設備等的運行參數進行實時采集監測，當監測值偏離設定值一定范圍時，便會有報警輸出提示和自動記錄儲存，并且能通過控制模塊輸出信號，對船舶電站的頻率、電壓等進行自動調整，保證電網質量。控制模塊也可對發電機組的啟動、并車進行自動控制。如果系統監測到電網偏離情況比較嚴重，超過安全數值范圍，控制模塊會采取一定的防范措施，避免事故的發生與惡化。

3系統硬件設計

船舶電站監控系統的運行過程比較復雜，但它能及時應對突發事件，最大限度保證船舶的運行安全及船員生命安全。而保證系統硬件的有效性是確保電站運行可靠性的重要前提，作為船舶自動電站的核心部分，系統硬件主要實現船舶電氣設備運行狀態監控、保護及報警輸出，船舶電力主開關及機組加減速信號處理，電站狀態，各機組有功功率、電壓、頻率，電網電壓、頻率監控等功能。單機組結構如圖2所示，具體模塊如下：

3.1信號輸入模塊

信號輸入模塊由A/D轉換模塊、光電隔離模塊組成，A/D模塊將4～20mA的電流模擬量轉化為數字量傳遞給單片機的中央處理器；光電隔離模塊能夠對輸入電路和輸出電路進行有效的電氣隔離，清除外來的諧波干擾，保障信號傳輸的準確性。

3.2信號輸出模塊

信號輸出模塊主要是指繼電器模塊，其將單片機處理后的信號轉換成開關量輸出，發送給發電機組，其輸出是常開觸點，即在繼電器不通電的狀態下，繼電器的觸頭處于斷開狀態。另外，繼電器都連接一個工作狀態指示燈，當線圈得電時，靜觸點處于接通狀態，指示燈亮；當繼電器線圈失電時，指示燈滅。

3.3電量預處理模塊

電量預處理模塊負責將發電機和電網實際電量進行變送后采集，經過處理后變為電壓0～2V的信號輸入，再通過濾波后輸出方波信號。

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的變送采集處理單元，一般情況下，變送器輸出的標準電流信號是4～20mA，通過轉換成0～5V或-5～0V的標準電壓信號，對變送器采集的電壓、電流、功率以及電壓信號進行A/D轉換，再進行通信、顯示與計算，便于集中監控與處理。

4系統程序設計

要實現對電站的監控，系統需要準確采集電氣信號，并對信號進行集中處理。以STC單片機為核心的監控系統能對連續的模擬及數字信號進行處理，若要實現實時監視與控制，需進行編程，一旦電站中有異常情況出現，設計的程序能立即報警，輸出信號點亮指示燈及打開蜂鳴器，并將信息輸送至上位機，在人機界面上顯示出來，必要的情況下，可通過界面按鈕完成人工操作。整個系統的軟件設計分為核心控制程序和觸摸屏界面控制程序設計兩個部分。核心控制程序通過C語言進行編程，能夠實現數據的邏輯判斷、分析處理和輸出執行等功能；界面的顯示控制程序設計是通過MCGS組態軟件實現，MCGS是一款功能較為強大的組態軟件，設計開發過程較為簡單，能獲取良好的監控信號，較為完善地實現系統監控、報警與顯示功能，從而及時通知船員進行相關的應急操作，更好地保證船舶安全航行。

5結語

隨著船舶自動化技術的不斷發展，電站自動化的內容將更為豐富，在船舶航行中的地位也會越來越重要。船舶電站監控系統能確保全船電力供給的安全有效進行，本文利用STC單片機作為核心控制芯片，應用組態軟件實現了電站監控、工作狀態顯示、故障報警顯示和存儲、參數設定等功能，人機界面友好，為日后實現駕控—集控一體化控制奠定了基礎。

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作者：何琪；毛攀峰；徐鵬 單位：浙江國際海運職業技術學院船舶工程學院