內(nèi)容提要：根據(jù)船舶應(yīng)急電站與主電站的關(guān)系以及對應(yīng)急電站的控制要求，在主電網(wǎng)和應(yīng)急電網(wǎng)、主配電板開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組等硬件基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)基于PLC及其控制軟件替代繼電器（接觸器）的應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:船舶 電網(wǎng) 應(yīng)急電站 PLC 自動控制

根據(jù)《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）和中國船級社(CCS)《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）關(guān)于應(yīng)急電源設(shè)置及供電時(shí)間的規(guī)定，遠(yuǎn)洋貨船多設(shè)置有應(yīng)急發(fā)電機(jī)，以便在船舶主電源失效時(shí)向《規(guī)范》所規(guī)定設(shè)備（以下稱“重要設(shè)備”）供電，確保船舶安全。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)能否發(fā)揮其應(yīng)有的效能，除發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)等硬件外，還取決于其控制系統(tǒng)的功能及性能。

1應(yīng)急電站（含自動控制系統(tǒng)）的功能及其實(shí)現(xiàn)

船舶電力供應(yīng)系統(tǒng)包括主電站和主電網(wǎng)、應(yīng)急電站和應(yīng)急電網(wǎng)、小應(yīng)急照明。其中，“重要設(shè)備”必須配置主電網(wǎng)和應(yīng)急電網(wǎng)兩路電源。

主電站和主電網(wǎng)以及應(yīng)急電站和應(yīng)急電網(wǎng)的布置見圖1，從左到右，G1、G2、G3是主發(fā)電機(jī)，ACB1、ACB2、ACB3是主開關(guān)，MSB是主電網(wǎng)，MCB是主配電板開關(guān)，EMCB是聯(lián)絡(luò)開關(guān)，ESB是應(yīng)急電網(wǎng)，EACB是應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)，GE是應(yīng)急發(fā)電機(jī)。

圖1應(yīng)急電站與主電站的關(guān)系

應(yīng)急電站的作用，是在主電站失效時(shí)向“重要設(shè)備”供電。

應(yīng)急電站的控制系統(tǒng)，一般都具備手動、自動兩種操作模式。

手動操作模式，只有應(yīng)急發(fā)電機(jī)遙控起動/停車、合閘/分閘等操作，無需自動控制。

自動操作模式，為保證應(yīng)急電站的功能，設(shè)置應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)，其功能至少有：

·保證主電網(wǎng)或應(yīng)急電網(wǎng)均不由主電站和應(yīng)急電站同時(shí)供電。

·不妨礙主電站向主電網(wǎng)供電前提下的本系統(tǒng)試驗(yàn)，包括發(fā)電機(jī)組自動啟動（維護(hù)性試車只包括起動且運(yùn)行2分鐘后自動停車）、聯(lián)絡(luò)開關(guān)EMCB跳閘、應(yīng)急電站主開關(guān)EACB合閘向應(yīng)急電網(wǎng)供電，等。

·維持應(yīng)急電站的準(zhǔn)啟動狀態(tài)，包括發(fā)電機(jī)組的周期性自動預(yù)潤滑、供油系統(tǒng)預(yù)供油、潤滑油和冷卻水自動加溫、蓄電池自動充電等。

·及時(shí)感知主電站失效。

·適時(shí)接通（延時(shí)5秒）/斷開（主電網(wǎng)恢復(fù)供電延時(shí)5秒）應(yīng)急電網(wǎng)與主電網(wǎng)的電的聯(lián)系。

·應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動（經(jīng)延時(shí)確認(rèn)45s內(nèi)啟動，包括建立電壓、調(diào)整電壓和頻率，連續(xù)三次起動均不成功才作為起動失敗終止起動同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警）/停止（空載運(yùn)行1分鐘后自動停車）。

·適時(shí)連接/斷開應(yīng)急發(fā)電機(jī)與應(yīng)急電網(wǎng)（供電和停止供電）。

·應(yīng)急電站（原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電板及相應(yīng)開關(guān)）的保護(hù)，例如：應(yīng)急發(fā)電機(jī)組起動成功經(jīng)延時(shí)保護(hù)環(huán)節(jié)投入工作后，潤滑油壓過低（小于0.3MPa）、冷卻水溫過高（大于95℃），立即停車同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號，待故障排除且復(fù)位后才可再次起動；潤滑油溫、冷卻水壓異常發(fā)報(bào)警信號，等。

傳統(tǒng)的應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)，多采用有觸點(diǎn)的繼電器構(gòu)成邏輯和時(shí)序控制環(huán)節(jié)，即利用繼電器機(jī)械物理觸點(diǎn)的串/并聯(lián)、通/斷實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制。

其中的第1項(xiàng)——“保證主電網(wǎng)或應(yīng)急電網(wǎng)均不由主電站和應(yīng)急電站同時(shí)供電”，由應(yīng)急電站與主電站之間的電氣聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)：

·主電站正常時(shí)，主發(fā)電機(jī)（G1、G2、G3）經(jīng)主開關(guān)（ACB1、ACB2、ACB3）向主電網(wǎng)MSB供電，同時(shí)經(jīng)主配電板開關(guān)MCB和聯(lián)絡(luò)開關(guān)EMCB應(yīng)急電網(wǎng)ESB供電。此時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)不能起動、合閘，應(yīng)急電網(wǎng)ESB可視為主電網(wǎng)MSB的一部分。

·主電站失電，應(yīng)急配電板上的聯(lián)絡(luò)開關(guān)EMCB自動分閘，經(jīng)延時(shí)確認(rèn)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)GE在45s內(nèi)自動起動、EACB自動合閘向“重要設(shè)備”供電。

·主電站恢復(fù)供電，則EACB應(yīng)自動分閘切斷供電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)立即自動停車。

其中的第2項(xiàng)——不妨礙主電站供電條件下自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的試驗(yàn)，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)EMCB實(shí)現(xiàn)（該開關(guān)需采用框架式自動開關(guān)或使用配有上電合閘操作機(jī)構(gòu)的自動開關(guān)）。

①開始試驗(yàn)，只需將應(yīng)急配電板上的試驗(yàn)開關(guān)從工作位置扳到試驗(yàn)位置，應(yīng)急配電板的自動控制系統(tǒng)依次控制：

·應(yīng)急配電板上聯(lián)絡(luò)開關(guān)EMCB跳閘（應(yīng)急配電板失電）；

·原處于備用狀態(tài)的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自動起動并建立電壓；

·主開關(guān)EACB合閘（應(yīng)急電站向應(yīng)急電網(wǎng)供電）。

此時(shí)，主電站與應(yīng)急電站同時(shí)分別向主電網(wǎng)和應(yīng)急電網(wǎng)供電，但兩個(gè)電網(wǎng)間沒有電的直接聯(lián)系。

②結(jié)束試驗(yàn)，只需將試驗(yàn)開關(guān)扳回工作位置，應(yīng)急配電板檢測到主電網(wǎng)有電，其自動控制系統(tǒng)依次：

·主開關(guān)EACB跳閘（應(yīng)急電站停止供電）；

·EMCB合閘（應(yīng)急電網(wǎng)恢復(fù)由主電站供電）。

采用繼電器的應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，接點(diǎn)多，線路復(fù)雜，尤其是因設(shè)置允許三次重復(fù)起動需確認(rèn)各信號延時(shí)的情況下，需設(shè)置多個(gè)時(shí)間繼電器。而船舶環(huán)境惡劣（例如縱傾橫搖、振動、溫度、濕度、油霧、鹽霧、霉菌等），若維護(hù)不當(dāng)，主電站失效時(shí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)可能無法起動，嚴(yán)重威脅船舶安全。

為此，有必要改進(jìn)應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，而如今電子技術(shù)的快速發(fā)展為此提供了有利條件。

本文根據(jù)船舶應(yīng)急電站與主電站的關(guān)系以及應(yīng)急電站的控制要求，在應(yīng)急電網(wǎng)、主配電板開關(guān)MCB和聯(lián)絡(luò)開關(guān)EMCB、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組等硬件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于PLC及其控制軟件替代繼電器（接觸器）的應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)。

2基于PLC的應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)建

本設(shè)計(jì)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組采用蓄電池啟動，柴油機(jī)啟動發(fā)火即升至額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)建立電壓后即投入供電運(yùn)行。

（1）選用PLC,因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

·專為惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，硬、軟件兩方面都采取了提高抗干擾能力及可靠性的措施；

·采用存儲邏輯，控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，便于修改，極具“柔性”而無需改變外部接線；

·定時(shí)范圍可從1ms起定，精度高，且定時(shí)整定不受環(huán)境影響；

·具有通訊功能，便于與觸摸屏等結(jié)合構(gòu)建良好的人機(jī)界面。

（2）選型

根據(jù)應(yīng)急電站控制功能需要，13個(gè)輸入量都是電壓、溫度、壓力等傳感器轉(zhuǎn)換的開關(guān)量；10個(gè)輸出量也全為開關(guān)量，故選用有14DI/10DO的西門子S7-200系列CPU214，無需另加裝擴(kuò)展模塊。

PLC輸入、輸出點(diǎn)設(shè)置及地址分配見表1。

表1 PLC的I/O設(shè)置及地址分配

（3）應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)急電站的運(yùn)行特點(diǎn)及其對控制系統(tǒng)的要求，基于S7-200PLC及其控制硬件構(gòu)建的應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)見圖2。

圖2應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，硬件連接簡單，輸入、輸出全部為開關(guān)量信號。圖中：

C1檢測應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓，應(yīng)急發(fā)電機(jī)建壓，C1有電，其常開觸電閉合，PLC輸入點(diǎn)I 1.1為1；

C2檢測主電網(wǎng)電壓，主電網(wǎng)失電，C2常開觸點(diǎn)斷開，PLC輸入點(diǎn)I 1.0為0，起動應(yīng)急發(fā)電機(jī)；

C3是應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動接觸器；

P1是壓力傳感器，若運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)急發(fā)電機(jī)滑油低壓，PLC輸入點(diǎn)I0.4為1，系統(tǒng)將執(zhí)行安全保護(hù)程序；

P2是壓力傳感器，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)急發(fā)電機(jī)冷卻水低壓，PLC輸入點(diǎn)I0.5為1，系統(tǒng)執(zhí)行安全保護(hù)程序；

T1是溫度傳感器，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)急發(fā)電機(jī)冷卻水高溫，PLC輸入點(diǎn)I0.7為1，系統(tǒng)執(zhí)行安全保護(hù)程序；

T2是溫度傳感器，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)急發(fā)電機(jī)滑油高溫，PLC輸入點(diǎn)I0.6為1，系統(tǒng)將執(zhí)行安全保護(hù)程序；

R1～R8都是中間繼電器。

3應(yīng)急電站自動控制系統(tǒng)的程序（軟件）設(shè)計(jì)

應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動控制系統(tǒng)的程序，主要有起動模塊、安全保護(hù)模塊和停機(jī)模塊。

3.1起動程序設(shè)計(jì)

運(yùn)行控制有三種方式：手動、自動和試驗(yàn)，任一方式下都允許三次重復(fù)起動。

應(yīng)急電站起動程序流程見圖3。

圖3應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動程序流程圖

（1）“自動”方式起動流程

①接受主電網(wǎng)失電信號，延時(shí)5s確認(rèn)。

②發(fā)出起動信號，起動發(fā)電機(jī)組并建壓。

③5s內(nèi)發(fā)電機(jī)組建壓成功→延時(shí)8s確認(rèn)→指令主開關(guān)合閘向應(yīng)急電網(wǎng)供電，同時(shí)監(jiān)控警報(bào)投入工作；或5s內(nèi)建壓不成功→停止起動信號10s→間隔15s后再次起動（共允許重復(fù)三次）→第65s終止起動，發(fā)出起動失敗報(bào)警信號。

（2）“手動”方式起動流程

起動信號由操作者發(fā)出，發(fā)電機(jī)建壓成功后手動合閘供電，其余流程與“自動”方式同。

（3）“試驗(yàn)”方式起動流程

與手動、自動基本相同，只是不合閘供電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組運(yùn)行2分鐘后自動停止。

3.2安全保護(hù)程序設(shè)計(jì)

應(yīng)急電站安全保護(hù)程序邏輯見圖4。

圖4故障報(bào)警及停機(jī)程序邏輯

系統(tǒng)安全保護(hù)程序功能是：

①采集相應(yīng)監(jiān)測傳感器送到來輸入點(diǎn)的信號，并確認(rèn)。

②發(fā)出報(bào)警或同時(shí)保護(hù)停機(jī)：

·不會立即出現(xiàn)危險(xiǎn)的故障，發(fā)出聲光報(bào)警（提醒值班人員注意）；

·可能即將出現(xiàn)危險(xiǎn)的故障，發(fā)出聲光報(bào)警（提醒值班人員注意），且立即自動保護(hù)停機(jī)（保護(hù)停機(jī)后，即使故障排除，也需按停車復(fù)位開關(guān)后才能重新起動）。

3.3停機(jī)程序設(shè)計(jì)

應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，下列情況停機(jī)，程序邏輯見圖5。

圖5應(yīng)急發(fā)電機(jī)停機(jī)程序邏輯

·發(fā)出起動指令5s后發(fā)電機(jī)未建立電壓，停機(jī)10s。

·連續(xù)三次啟動均未建立電壓，停機(jī)且不允許再起動。

·主電網(wǎng)恢復(fù)供電，供電狀態(tài)下的應(yīng)急電站經(jīng)延時(shí)2s確認(rèn)后分閘，發(fā)電機(jī)組空載運(yùn)行1分鐘后停機(jī)。

·模擬試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)組起動建壓成功，運(yùn)行2分鐘后停機(jī)。

·發(fā)電柴油機(jī)滑油低壓和/或冷卻水高溫，延時(shí)1s確認(rèn)后停機(jī)。

·手動開關(guān)置于停車位置，立即停機(jī)。

4結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用軟件實(shí)現(xiàn)控制邏輯及時(shí)序邏輯，完全適于舊船改造應(yīng)急電站控制系統(tǒng)：

·可靠性高，某實(shí)船安裝運(yùn)行，性能完全符合設(shè)計(jì)要求。

·硬件電路簡單，費(fèi)用低廉,本系統(tǒng)中的PLC費(fèi)用不到人民幣2千元。

作者：江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王云華  來源：航海技術(shù)