內容提要：根據船舶應急電站與主電站的關(guān)系以及對應急電站的控制要求，在主電網(wǎng)和應急電網(wǎng)、主配電板開(kāi)關(guān)、聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)、應急發(fā)電機組等硬件基礎上，自主設計基于PLC及其控制軟件替代繼電器（接觸器）的應急電站自動(dòng)控制系統。

關(guān)鍵詞:船舶 電網(wǎng) 應急電站 PLC 自動(dòng)控制

根據《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）和中國船級社(CCS)《鋼質(zhì)海船入級與建造規范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規范》）關(guān)于應急電源設置及供電時(shí)間的規定，遠洋貨船多設置有應急發(fā)電機，以便在船舶主電源失效時(shí)向《規范》所規定設備（以下稱(chēng)“重要設備”）供電，確保船舶安全。

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

1應急電站（含自動(dòng)控制系統）的功能及其實(shí)現

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

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

圖1應急電站與主電站的關(guān)系

應急電站的作用，是在主電站失效時(shí)向“重要設備”供電。

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

手動(dòng)操作模式，只有應急發(fā)電機遙控起動(dòng)/停車(chē)、合閘/分閘等操作，無(wú)需自動(dòng)控制。

自動(dòng)操作模式，為保證應急電站的功能，設置應急電站自動(dòng)控制系統，其功能至少有：

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

·不妨礙主電站向主電網(wǎng)供電前提下的本系統試驗，包括發(fā)電機組自動(dòng)啟動(dòng)（維護性試車(chē)只包括起動(dòng)且運行2分鐘后自動(dòng)停車(chē)）、聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)EMCB跳閘、應急電站主開(kāi)關(guān)EACB合閘向應急電網(wǎng)供電，等。

·維持應急電站的準啟動(dòng)狀態(tài)，包括發(fā)電機組的周期性自動(dòng)預潤滑、供油系統預供油、潤滑油和冷卻水自動(dòng)加溫、蓄電池自動(dòng)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(kāi)（主電網(wǎng)恢復供電延時(shí)5秒）應急電網(wǎng)與主電網(wǎng)的電的聯(lián)系。

·應急發(fā)電機啟動(dòng)（經(jīng)延時(shí)確認45s內啟動(dòng)，包括建立電壓、調整電壓和頻率，連續三次起動(dòng)均不成功才作為起動(dòng)失敗終止起動(dòng)同時(shí)發(fā)出聲光報警）/停止（空載運行1分鐘后自動(dòng)停車(chē)）。

·適時(shí)連接/斷開(kāi)應急發(fā)電機與應急電網(wǎng)（供電和停止供電）。

·應急電站（原動(dòng)機、發(fā)電機、配電板及相應開(kāi)關(guān)）的保護，例如：應急發(fā)電機組起動(dòng)成功經(jīng)延時(shí)保護環(huán)節投入工作后，潤滑油壓過(guò)低（小于0.3MPa）、冷卻水溫過(guò)高（大于95℃），立即停車(chē)同時(shí)發(fā)出聲光報警信號，待故障排除且復位后才可再次起動(dòng)；潤滑油溫、冷卻水壓異常發(fā)報警信號，等。

傳統的應急電站自動(dòng)控制系統，多采用有觸點(diǎn)的繼電器構成邏輯和時(shí)序控制環(huán)節，即利用繼電器機械物理觸點(diǎn)的串/并聯(lián)、通/斷實(shí)現各種邏輯控制。

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

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

·主電站失電，應急配電板上的聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)EMCB自動(dòng)分閘，經(jīng)延時(shí)確認，應急發(fā)電機GE在45s內自動(dòng)起動(dòng)、EACB自動(dòng)合閘向“重要設備”供電。

·主電站恢復供電，則EACB應自動(dòng)分閘切斷供電，應急發(fā)電機立即自動(dòng)停車(chē)。

其中的第2項——不妨礙主電站供電條件下自動(dòng)控制系統系統的試驗，通過(guò)聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)EMCB實(shí)現（該開(kāi)關(guān)需采用框架式自動(dòng)開(kāi)關(guān)或使用配有上電合閘操作機構的自動(dòng)開(kāi)關(guān)）。

①開(kāi)始試驗，只需將應急配電板上的試驗開(kāi)關(guān)從工作位置扳到試驗位置，應急配電板的自動(dòng)控制系統依次控制：

·應急配電板上聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)EMCB跳閘（應急配電板失電）；

·原處于備用狀態(tài)的應急發(fā)電機組自動(dòng)起動(dòng)并建立電壓；

·主開(kāi)關(guān)EACB合閘（應急電站向應急電網(wǎng)供電）。

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

②結束試驗，只需將試驗開(kāi)關(guān)扳回工作位置，應急配電板檢測到主電網(wǎng)有電，其自動(dòng)控制系統依次：

·主開(kāi)關(guān)EACB跳閘（應急電站停止供電）；

·EMCB合閘（應急電網(wǎng)恢復由主電站供電）。

采用繼電器的應急發(fā)電機控制系統，接點(diǎn)多，線(xiàn)路復雜，尤其是因設置允許三次重復起動(dòng)需確認各信號延時(shí)的情況下，需設置多個(gè)時(shí)間繼電器。而船舶環(huán)境惡劣（例如縱傾橫搖、振動(dòng)、溫度、濕度、油霧、鹽霧、霉菌等），若維護不當，主電站失效時(shí)應急發(fā)電機可能無(wú)法起動(dòng)，嚴重威脅船舶安全。

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

本文根據船舶應急電站與主電站的關(guān)系以及應急電站的控制要求，在應急電網(wǎng)、主配電板開(kāi)關(guān)MCB和聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)EMCB、應急發(fā)電機組等硬件基礎上，設計基于PLC及其控制軟件替代繼電器（接觸器）的應急電站自動(dòng)控制系統。

2基于PLC的應急電站自動(dòng)控制系統的硬件構建

本設計，應急柴油發(fā)電機組采用蓄電池啟動(dòng)，柴油機啟動(dòng)發(fā)火即升至額定轉速，發(fā)電機建立電壓后即投入供電運行。

（1）選用PLC,因為其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·專(zhuān)為惡劣的工業(yè)環(huán)境設計，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存中，便于修改，極具“柔性”而無(wú)需改變外部接線(xiàn)；

·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，便于與觸摸屏等結合構建良好的人機界面。

（2）選型

根據應急電站控制功能需要，13個(gè)輸入量都是電壓、溫度、壓力等傳感器轉換的開(kāi)關(guān)量；10個(gè)輸出量也全為開(kāi)關(guān)量，故選用有14DI/10DO的西門(mén)子S7-200系列CPU214，無(wú)需另加裝擴展模塊。

PLC輸入、輸出點(diǎn)設置及地址分配見(jiàn)表1。

表1 PLC的I/O設置及地址分配

（3）應急電站自動(dòng)控制系統

根據應急電站的運行特點(diǎn)及其對控制系統的要求，基于S7-200PLC及其控制硬件構建的應急電站自動(dòng)控制系統見(jiàn)圖2。

圖2應急發(fā)電機控制系統

本系統中，硬件連接簡(jiǎn)單，輸入、輸出全部為開(kāi)關(guān)量信號。圖中：

C1檢測應急發(fā)電機電壓，應急發(fā)電機建壓，C1有電，其常開(kāi)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(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，PLC輸入點(diǎn)I 1.0為0，起動(dòng)應急發(fā)電機；

C3是應急發(fā)電機起動(dòng)接觸器；

P1是壓力傳感器，若運轉中應急發(fā)電機滑油低壓，PLC輸入點(diǎn)I0.4為1，系統將執行安全保護程序；

P2是壓力傳感器，當運轉中應急發(fā)電機冷卻水低壓，PLC輸入點(diǎn)I0.5為1，系統執行安全保護程序；

T1是溫度傳感器，當運轉中應急發(fā)電機冷卻水高溫，PLC輸入點(diǎn)I0.7為1，系統執行安全保護程序；

T2是溫度傳感器，當運轉中應急發(fā)電機滑油高溫，PLC輸入點(diǎn)I0.6為1，系統將執行安全保護程序；

R1～R8都是中間繼電器。

3應急電站自動(dòng)控制系統的程序（軟件）設計

應急發(fā)電機自動(dòng)控制系統的程序，主要有起動(dòng)模塊、安全保護模塊和停機模塊。

3.1起動(dòng)程序設計

運行控制有三種方式：手動(dòng)、自動(dòng)和試驗，任一方式下都允許三次重復起動(dòng)。

應急電站起動(dòng)程序流程見(jiàn)圖3。

圖3應急發(fā)電機起動(dòng)程序流程圖

（1）“自動(dòng)”方式起動(dòng)流程

①接受主電網(wǎng)失電信號，延時(shí)5s確認。

②發(fā)出起動(dòng)信號，起動(dòng)發(fā)電機組并建壓。

③5s內發(fā)電機組建壓成功→延時(shí)8s確認→指令主開(kāi)關(guān)合閘向應急電網(wǎng)供電，同時(shí)監控警報投入工作；或5s內建壓不成功→停止起動(dòng)信號10s→間隔15s后再次起動(dòng)（共允許重復三次）→第65s終止起動(dòng)，發(fā)出起動(dòng)失敗報警信號。

（2）“手動(dòng)”方式起動(dòng)流程

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

（3）“試驗”方式起動(dòng)流程

與手動(dòng)、自動(dòng)基本相同，只是不合閘供電，應急發(fā)電機組運行2分鐘后自動(dòng)停止。

3.2安全保護程序設計

應急電站安全保護程序邏輯見(jiàn)圖4。

圖4故障報警及停機程序邏輯

系統安全保護程序功能是：

①采集相應監測傳感器送到來(lái)輸入點(diǎn)的信號，并確認。

②發(fā)出報警或同時(shí)保護停機：

·不會(huì )立即出現危險的故障，發(fā)出聲光報警（提醒值班人員注意）；

·可能即將出現危險的故障，發(fā)出聲光報警（提醒值班人員注意），且立即自動(dòng)保護停機（保護停機后，即使故障排除，也需按停車(chē)復位開(kāi)關(guān)后才能重新起動(dòng)）。

3.3停機程序設計

應急發(fā)電機組，下列情況停機，程序邏輯見(jiàn)圖5。

圖5應急發(fā)電機停機程序邏輯

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

·連續三次啟動(dòng)均未建立電壓，停機且不允許再起動(dòng)。

·主電網(wǎng)恢復供電，供電狀態(tài)下的應急電站經(jīng)延時(shí)2s確認后分閘，發(fā)電機組空載運行1分鐘后停機。

·模擬試驗，發(fā)電機組起動(dòng)建壓成功，運行2分鐘后停機。

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

·手動(dòng)開(kāi)關(guān)置于停車(chē)位置，立即停機。

4結束語(yǔ)

本設計采用軟件實(shí)現控制邏輯及時(shí)序邏輯，完全適于舊船改造應急電站控制系統：

·可靠性高，某實(shí)船安裝運行，性能完全符合設計要求。

·硬件電路簡(jiǎn)單，費用低廉,本系統中的PLC費用不到人民幣2千元。

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