（电力电子与电力传动专业论文）智能型船舶电站控制器的研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t a u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c eo fs h i pp o w e r - s t a t i o ni sa l li m p o r t a n tp a r ti ns h i p p i n g a u t o m a t i o na n dt h em o n i t o r i n gs y s t e mi se s s e n t i a lf o ru n m a n n e de n g i n er o o m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n da u t o - c o n t r o lt e c h n o l o g y , m o d e mv e s s e l sa r et e n d i n gt ol a r g es c a l ea n da u t o m a t i o n t h i sw i l lc e r t a i n l ym a k et h e s y s t e mm o r ec o m p l e xa n de f f e c t i v ec o n t r o ls y s t e mf o rt h em o d e r nv e s s e l si si m p o r t a n t t h i st o p i ct a k e ss h i pp o w e r - s t a t i o n sm a n a g e m e n tf o re x a m p l e , h a sc o n s t r u c t e dt h e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ec a n b u sf o rs h i pp o w e r - s t a t i o n t h i s s y s t e mu s e sc a n b u sa st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n di t sa l le n t i r ed i s t r i b u t i o n a l s t r u c t u r e , c a r r i e so nd e c e n t r a l i z e dc o n t r o la n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t i nt h i ss y s t e n ：l , a u t o m a t i cc o n t r o l l i n gd e v i c ea sd i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tn o d e ，c a r r i e s o na u t o m a t i cc o n t r o lt oe a c hg e n e r a t o r , c o m p l e t i n gt h ea u t o m a t i cs t a r t , a u t o m a t i c p a r a l l e l ，a u t o m a t i ca d j u s tf r e q u e n c ya n dl o a d ，s e c u r i t yd e t e c t i o na n dp r o t e c t i o n a n dt h e m a n a g e m e n tc o m p u t e rc a r r i e so nm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tt ot h ew h o l es y s t e m ，i t c o m p l e t e st h ed i s p l a yf o rp a r a m e t e r sa n ds t a t u s ，a l a r mm o n i t o r i n gd a t as t o r a g ea n d s o m ec o n t r o lf u n c t i o n s a n de a c hi n t e l l i g e n tc o n t r o ln o d ed o e sn o td e p e n do nt h e o p e r a t i o no f m o n i t o rc o m p u t e r s oe v e ni ft h ep ci sn o tr u n n i n go rb r e a k i n gd o w n , e a c h d e v i c es t i l lc a nc o m p l e t et h ea u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o ni n d e p e n d e n t l y t l l i sa r t i c l eh a si n t r o d u c e dt h ea u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ew h i c ht a k e s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h ec o n t r o lc o r e ，a n db a s e do nt h i s ，h a sd e s i g n e dm o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e mf o rs h i pp o w e r - s t a t i o nb a s e do nt h em c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a n dt h ec a nb u s a n dt h i sd e s i g nu s e do p ct e c h n o l o g yi nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m o n i t o rs o f i w a r ea n dc a nb u s t h i ss y s t e mi sd e s i g n e do nt h ea u t o m a t i o np o w e rs t a t i o np l a t f o r mi no u rs c h o o l ， a n dh a sa c h i e v e da u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o n ，a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no fm o n i t o r i n g s y s t e mf o ri t a st h em u l t i - m a s t e rs t r u c t u r ef e a t u r eo fc a nb u s ，t h em o n i t o r i n gs y s t e m i se a s yt oe x t e n d ，s ot h i si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es h i p sc e n t r a lm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：s h i pp o w e r - s t a t i o n ；a u t o m a t i cc o n t r 0 1 ) m o n i t o r i n gs y s t e m ) c a n b u s ；o p ct e c h n o l o g y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 竺智能型墼魑电塑控制墨鳆班究：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：凼垒鸳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论文全文 数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和 提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“4 ，) 论文作者签名：到童叶导师签名： e l 期- 2 0 - t , o 年石月z 6e l 智能型船舶电站控制器的研究 第1 章绪论 1 1 课题简介与应用前景 船舶电站是船舶电力系统最重要的组成部分，是船舶电力系统的核心。随着自动控 制技术和电子信息技术的不断发展，船舶自动化程度越来越高，因此对船舶电站自动化 程度的要求也越来越高。提高电站自动化水平的目的，主要在于最大限度保持船舶供电 的连续性、提高供电设备的可靠性和供电质量，并逐步实现船舶机舱的无人化【l 】。 近几年，国内外对船舶电站自动控制装置做了大量的研究，其中较为成熟的方案是 将电站自动控制功能集中在基于微控制器的模块中，形成单独的控制装置，并与继电器 控制电路或可编程序控制器( p l c ) 相结合，形成完整的自动化控制装置【2 】。 然而要实现船舶电站的自动化和全船的集中控制管理，相应的船舶电站监控系统是 不可或缺的一个重要部分。船舶电站监控系统集成了船舶电站的基本控制、数据监视、 状态显示及报警记录等功能。为了提高无人机舱的自动化程度以及保证船舶电站可靠的 运行、控制和管理，先进的自动化监控系统对于现代化船舶是不可缺少的。 近年来船舶电站自动化发展十分迅速，自动化监控水平得到了极大的提高。而自动 化监控系统中，最主要的一个环节就是系统控制网络的构建。近些年集散型控制系统 ( d c s ) 结构曾在船舶机舱自动化系统中被广泛采用。d c s 系统的构建思想是将系统分散 化、分层化，对系统进行“集中管理，分散控制 。对于越来越大型化、复杂化的现代 控制系统，d c s 结构大大地简化了系统的控制和管理工作。然而，d c s 结构的控制系 统在广泛应用的同时也暴露出了许多弊端 3 1 ： ( 1 ) 系统结构问题。d c s 系统的结构是多级主从形式。虽然这种结构形式给主机的 控制和管理工作带来了便利，但现场设备之间的通信也必须经过主机才能完成，这就使 得主机通信负荷重、运行效率低，这样不仅降低了整个系统的运行效率。而且一旦系统 中任意一个节点发生故障，其子节点都无法再正常工作。尤其主机一旦发生故障，整个 控制系统都会崩溃； 第1 章绪论 ( 2 ) 信号形式问题。信息传输仍采用大量的模拟信号，模拟信号在传输过程中必定会 有衰减，这就导致了信息传输的可靠性差。而且模拟信号不易于数字化处理； ( 3 ) 通讯协议标准化问题。各系统设计厂家的d c s 制定独立的标准，通讯协议不开 放、不统一，极大的制约了其在现代自动化系统中的应用。 为了进一步满足工业控制的需要，改善d c s 结构的技术缺陷，现场总线控制系统 ( f c s ) 应运而生。f c s 结构的控制系统基于现场总线技术，它通过总线方式实现上位机 与现场设备以及现场设备之间的信息数据传输。现场总线网络实际上是一种信息传输数 字化、网络节点分散化、各节点间可相互通讯、结构开放的互联网络，专门用于工业自 动化控制系统的现场设备或现场仪表互联，是计算机控制系统和现场通信网络的集成 4 j 。相对于d c s ，f c s 系统不仅结构简单，更是弥补了d c s 系统的种种缺陷。因此把 现场总线技术运用到船舶电站监控系统中，开发一个以现场总线技术为核心的船舶电站 监控系统势在必然。 现今国内外的船舶电站监控系统研究中，“p l c 串行通信+ 组态监控 和“p l c 串 行通信“厂b 监控 方案较多。近几年开始有基于c a n 总线的监控系统方案出现。由于 串行通信很难满足远程监控的要求，更不利于系统的分散控制和集中管理，可以预见基 于c a n 总线的船舶电站监控系统将在船舶自动化进程中起到重要的作用。 因此，c a n 现场总线结构与船舶电站自动控制装置的结合对于机舱无人化和自动 化的实现有较为深远的意义。 1 2 船舶电站自动控制器与监控系统的概述 1 2 1 船舶电站自动控制装置概述 船舶电站自动化是船舶机舱自动化中的重要组成部分之一。随着电子技术和计算机 通信技术的不断发展，船舶自动化系统得到了飞速的发展，正朝着数字化、集成化、网 络化、标准化、智能化的方向发展。 船舶电站自动化装置先后经历了继电器控制技术、晶体管分立元件控制、7 0 年代的 集成电路控制技术、微处理控制技术和9 0 年代的p l c 控制技术，至今已经形成了比较 完善的船舶电站自动化管理系统【2 】。 2 智能型船舶电站控制器的研究 船舶电站的可靠运行是全船所有电气设备正常运行的前提，因此船舶电站的故障可 能会造成全船的瘫痪。而电站可靠供电的保障则取决于电站机组及电站控制系统等【2 1 。 船舶电站自动化管理系统功能可分为控制系统、安全系统和监控报警系统： ( 1 ) 控制系统 控制系统主要完成发电机组的自动启动控制，机组的自动并车控制，机组并车后的 调频调载以及负荷管理等功能。 ( 2 ) 安全系统 安全系统完成电站运行中的安全保护工作，如发电机组机电故障的报警与自动处 理，机组的解列、停机控制和继电保护功能。 ( 3 ) 监控报警系统 监控报警系统主要对电站运行参数和运行状态进行监视，能够完成发电机组运行中 的状态数据显示、故障监视、故障诊断和自动记录功能。 1 2 2 工控中的监控系统概述 监控系统是伴随现代化工业企业自动化管理控制程度的不断深入而必然产生出来 的，它一般指计算机监控系统。所谓计算机监控，就是利用传感器装置将被监控对象中 的物理量( 如温度、液位、速度) 转换为电量( 如电压、电流) ，再将这些代表实际物理参 量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以 数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对 象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统 计和显示并制作各种报表。如果还需要对被监控的对象进行控制，则由计算机中的应用 软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及该物理量的设定值进行判断；然后在 输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置( 如机械开关、电动机) 动作从而完成 相应的控制任务1 5 1 。 监控系统经历了下面五种发展形式i 6 】： 3 第1 章绪论 ( 1 ) 集中式监控系统。集中式监控系统的所有模块集中在若干个机柜中，它以单片机 为控制装置，与监控微机通过串行口进行通信。这类系统技术比较落后，不符合监控系 统发展趋势。 ( 2 ) 基于模拟仪表的监控系统。这类系统以“集散式控制系统 为理论基础，以“传 感器、变送器、控制器和执行机构 为系统模型构成，采用模拟仪表进行监控设计。变 送器或执行机构单向传送模拟信号进行信号传输。 ( 3 ) 基于智能仪表的监控系统。该类系统一般由监控主机、c p u 模块、智能仪表、 执行机构、通讯网络等组成。智能仪表是集遥测、遥控、遥信于一体的多功能监控装置， 具有完备的通信联网功能，能通过网络传输数据。 ( 4 ) 基于现场总线的监控系统。现场总线控制系统( f c s ) 运用数字通信技术、自动控 制技术、网络技术、智能仪表等先进技术，突破传统“点对点模拟信号控制的局限性， 具有全分散、开放性、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多接电、多分支等特点。 智能仪表和现场总线是f c s 的技术关键。 ( 5 ) 基于计算机网络的监控系统。虽然p l c 、d c s 、f c s 也采用了工控机、o p c 和 以太网技术，但由于这些技术被镶嵌在传统的系统结构中，因此，它们的基本构成无本 质改变。基于计算机网络的监控系统采用“t c p i p 以太网协议标准 ，系统变得结构清 晰、简单，开放性强，建模和仿真容易。 伴随着监控系统逐渐的成熟，之后便出现了组态软件。可以说组态软件是监控系统 发展的产物，它的出现大大简化了监控系统的设计工作，可专门用于工业自动化中的监 控系统开发。 随着现代通信技术和自动控制技术的蓬勃发展，计算机监控技术的应用必将会逐渐 应用到各个领域。 4 智能型船舶电站控制器的研究 1 3 本文主要内容 1 3 1 本课题研究目标 随着自动控制技术和网络通信技术的发展，人们对船舶的自动化水平提出了更高的 要求。为了实现船舶自动化和全船集中管理控制，本课题主要致力于船舶电站自动控制 装置和船舶电站监控系统两个方面的研究，以满足船舶机舱自动化和无人化的要求。 在先前的研究工作中，本课题已经取得了阶段性的研究成果，接下来由本人进行一 系列的补充和完善，以完成智能型船舶电站控制器的研究和设计工作。 1 3 2 阶段性研究成果介绍 本课题在往届学长的努力下，已基本完成了基于d s p ( 数字信号处理器) 的船舶电站 自动控制装置的设计部分。现对本课题的阶段性研究成果做简单介绍，详细内容请参见 硕士论文基于d s p 的船舶电站自动控制装置( 注：本设计中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型 控制器现已被t i 公司归类为数字信号控制器，即d s c ) 。 传统的自动控制装置设计采用的方案为“g p c + p l c ，本设计采用“d s p + p l c 一。 设计完成了电站自动控制器的基本功能： 船舶电站的自动准同步并车控制； 船舶发电机电压及无功功率的调整； 船舶电力系统频率及有功功率自动调整； 视负荷情况自动增减机组； 。 基本保护功能，包括过载保护、逆功保护等。 设计初步完成了自动控制装置的硬件及d s p 程序编制，经调试现已达到了预期设 计目的，实现了船舶电站自动控制的基本功能。 1 3 3 本课题研究的主要内容 本课题的主要任务是为船舶电站构建现场总线控制网络，并对其进行计算机监控设 计，研制出一套基于c a n 总线和组态软件的船舶电站监控系统，并对现有系统的功能 进行改善和优化，完成智能型船舶电站控制器的设计。 5 第1 章绪论 首先，需要构建基于c a n 总线的现场总线控制系统。将现场总线系统结构应用于 船舶电站的控制系统中，整个系统的所有智能节点都通过同一c a n 总线进行通信。 上位机监控软件通过c a n 总线与下位机进行双向通信，即上位机既可向下位机的 自动控制装置发送控制命令，又可以接收来自于下位机d s p 的数据信息。同时，各个 下位机节点之间也可进行双向的数据通信，如完成各机组间的功率信息交换和启动解列 命令的传输。这就需要解决各个节点间的c a n 总线通信问题。 再者，需要进行上位机监控界面的设计工作。通过上位机监控界面可以完成对船舶 电站的基本控制操作，并且能够对船舶电站的运行参数进行设置和修改；能够对船舶发 电机的运行状况和数据进行实时监视并存储以备操作人员进行查看和分析。 上位机主要承担监控管理功能，兼备部分控制功能。 监控管理功能主要包括： 第一，船舶电站全局监视。全局监视包括汇流排状态、各台发电机组的运行状态、 主开关合分闸状态和能量流动状态等电站整体情况的监视。 第二，电站运行数据监视。电站运行数据监视包括汇流排电压及频率、发电机的电 压及频率和功率等参数监视； 第三，报警记录及指示。报警功能主要包括逆功、过载、欠压、过流等报警，并实 时记录报警发生的时间及报警类型。 第四，数据存储和报表功能。监控系统能够对电站的运行数据及状态进行存储并形 成报表或历史曲线以方便工作人员对电站运行的历史数据进行分析和总结。 控制功能主要包括： 第一，机组的启动方式选择，自动或手动； 第二，单台机组的启动、停止控制； 第三，单台机组的升速、降速控制； 第四，主开关的合闸和分闸控制； 第五，电站运行参数的设置，如发电机的额定功率、过载动作时间和逆功动作时间 等的设置。 6 智能型船舶电站控制器的研究 对于监视功能，在组态界面中利用模拟仪表、文本框和数据表等构件对电站运行的 数据、状态和报警信息等进行指示。这些数据信息皆由下位机控制器通过c a n 总线发 送而来。 对于控制功能，用户通过操作监控界面中的模拟按钮来进行控制，组态软件程序通 过c a n 总线将控制命令发送给下位机控制器，然后控制器进行相应的控制操作。这样 就能够实现电站的上位机控制功能。 此船舶电站监控系统还应具有权限管理功能。因为本设计的监控系统包含有部分控 制功能，因此应当只有具有操作权限的技术人员才能够进行控制操作。权限管理功能能 够方便管理员对系统的使用权限进行分配和管理。 7 智能曩4 船舶电站控制器的研究 第2 章基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的组建 2 1 基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的结构设计 船舶电站的自动控制是船舶自动化的重要组成部分之一。但如果自动控制装置缺少 了相应的监控系统就无法实现机舱的无人化管理，这不利于系统的集中管理和分散控 制。因此，为船舶电站控制装置组建基于现场总线的监控系统对船舶的现代化管理具有 积极意义。 本设计选用c a n 总线为船舶电站构建现场总线控制系统。系统采用c a n 现场总线进 行数据通信，由电站控制管理计算机和多个下位机电站控制器节点组成。控制系统的结 构如图2 1 所示。 各个下位机控制器分别对各自的发电机组进行单独控制，并由上位机进行统一的监 控管理。而各个下位机控制器之间也通过c a n 总线进行数据通信，来实现功率平均和负 荷管理等功能。 整个自动控制系统采用同一c a n 总线进行通信，各节点的不同数据帧由标识i d 进 行区别，并依据节点的优先级进行仲裁避免通讯冲突。 9 第2 章基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的组建 图2 1 基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fm o n it o r i n gs y s t e mo fs h i pp o w e rs t a t i o nb a s e do nc a nb u s l o 智能型船舶电站控制器的研究 2 2 基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的构成 2 2 1c a n 现场总线通信网络 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪 器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以 是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1 m b p s 。 3 1 c a n 总线通讯方式有以下特点：例 c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对 通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别 等项工作； c a n 总线采用多主网络结构，c a n 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网 络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信； c a n 协议直接对通信数据进行编码，数据块标识码解决了网络节点个数限值问 题，并依此对数据块进行区别； c a n 协议采用短帧格式，保证了数据通信的实时性和可靠性： c a n 总线通信采用c r c 检验，具有强大的错误处理功能； c a n 总线通信结构简单，只有2 根线与外部相连。 由于c a n 总线以上的这些特点，它为现代工业控制提供了数据快速、可靠传输的 新方案。因此本设计也选用c a n 现场总线为船舶电站控制系统搭建通信网络。通讯介 质采用两芯屏蔽双绞线，通讯速率可根据实际船舶环境进行灵活设置。 2 2 2m c g s 组态软件监控 随着计算机技术的发展，越来越多的编程软件可以进行人机接口界面的设计，如 c h 、v b 等高级编程语言。而对于工业控制中的监控设计，组态软件无疑是最好的选 择。 组态软件是随着监控系统的不断发展而产生的，它除了完成基本的数据采集和控制 功能外，还可以实现故障诊断、数据分析、报表的形成和打印以及权限管理等功能，更 是为操作人员制作形象直观的人机界面提供了方便。1 7 】 第2 章基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的组建 组态软件又称组态监控软件。组态软件最早出现时，主要解决人机图形界面和计算 机数字控制问题。而如今实时数据库、实时控制、s c a d a 、通信、开放数据接口、对 i o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容f 7 1 。它最突出的特点是实时多任务。例如， 数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、浏览 管理、实时通信等多个任务要在同一p c 机上同时进行，具有强大的数据处理能力1 6 1 。 基于组态软件的以上的特点，本设计中选用北京昆仑通态的m c g s 组态软件完成 上位机监控的设计。 2 2 3 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 在现代控制系统中，控制部分大都采用“智能控制器+ 执行单元 的模式完成系统 的自动控制。智能控制器作为控制系统的“大脑 ，主要完成数据的采集、分析、运算 及控制指令的发出工作。而控制命令的执行则由执行单元部分完成。一般执行工作由 p l c 及各种继电接触电路等完成。 本设计采用“d s p + p l c 的组合完成船舶电站的控制工作。在这里d s p 为t i 公司 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型数字信号处理器。它具有极高的运算速度，而且内部集成了大量 的外设，为控制系统的设计带来了很大的便利。在本设计中它主要完成发电机和汇流排 电压、电流等信号的采集与数据的分析、运算，并发送控制命令给p l c 或其他继电器 电路。p l c 采用西门子的s 7 2 0 0 ，它主要完成一些上层的逻辑判断和开关输出工作。 2 3 基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统的特点 基于c a n 现场总线的船舶电站监控系统具有以下特点： m c g s 组态界面形象、直观，符合人性化设计标准； 基于d s p 的船舶电站自动控制装置能够完成电站所有的自动控制工作，实现了 电站的自动化； 系统可完成电站的自动控制、数据监视、自动报警及保护和数据存储等功能， 体现系统智能化； 采用c a n 总线通信技术，数据通讯的可靠性和实时性强，并且系统通用性和 扩展性高。如有需要可以扩展为全船电力设备的监控系统； 1 2 智能型船舶电站控制器的研究 第3 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置的设计 3 1 船舶电站自动控制器的控制功能分析 船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，它是由原动机、发电机和附属设备( 组 合成发电机组) 及配电板组成的，用以产生连续、稳定、可靠的电能来供给全船电力设 备的用电【引。而船舶电站的自动控制装置则是电站实现自动化的基本保障。船舶电站自 动控制系统如图3 1 所示。 图3 1 船舶电站自动控制系统结构示意图 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo f a u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs y s t e mo f p o w e rs h i ps t a t i o n 简单来说，船舶电站自动控制装置的控制功能及实现方法如下： 自动启动：发电机组接到启动指令后，自动控制原动机启动并拖动发电机投入 运行： 发电调节：通过控制原动机的转速来控制发电机的发电频率，由附属设备中的 调压装置对发电电压进行控制，并由信号给定和参数反馈构成闭环控制进而得 到稳定的电能输出； 1 3 第3 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置的设计 自动增减机组：在电站存在多台机组的情况下，随着负载的变化可能随时需要 改变在网机组的数量。机组的自动增减包括负载过大时启动备用机组和低负载 时解列备用机组，这部分工作是通过控制器对电网负荷情况进行分析和判断， 控制备用机组原动机的启停来实现的； 自动并车：备用机组启动完毕需要并网时，自动控制装置通过检测电压、频率 和相位差的三个并车条件进行捕捉并车时刻。当并车条件都满足时，控制主开 关合闸完成发电机组的自动并网； 自动调频调载：备用机组完成自动并车后，需要进行均功，即有功功率的分配。 在一定负荷下，机组转速的高低关系到输出功率的大小。因此自动调频调载的 实现也是通过同时调节两台原动机的转速来实现电网有功功率的分配。 自动报警和保护：在电站的运行过程中，自动控制装置对电站的运行数据及状 态进行实时监视，当发生故障时能够自动的进行报警，并针对部分故障直接进 行分闸完成保护动作。 从以上的分析可以看出，船舶电站自动控制的实现概括起来主要包括以下几个方面 的控制t 第一，原动机的启停控制； 第二，原动机的转速控制； 第三，调压器的控制； 第四，主开关的合分闸控制； 以上几个方面的控制工作连同数据采集和数据通讯就构成了船舶电站自动控制的 几个要素，而电站运行的监测及自动控制流程则是由自动控制装置的核心控制器通过编 程来实现的。 因此，船舶电站自动控制装黄的设计则是逐步完成数据采集电路、控制执行电路、 数据通讯方法和编制控制流程的过程。 1 4 智能日t 船舶电站控制器的l i f f 究 32 船舶电站实验平台介绍 本设计的实验平台为本校的“自动化电站及电力系统练台继电保护实验装嚣”，该 设备由大连博研机电有限公司研发生产，如图3 2 所示。 实船中的原动机大多采用船舶柴油机，而对于高校实验室来说船舶柴油机发电机组 无论在价格、体积还是能源消耗方面都不太适宜。因此本实验平台采用“变频器+ 异步 电动机+ 同步发电机”的模型来替代柴油机发电机组，如图3 3 所示。 对于这样的替代，虽然操作对象不同，但是控制的形式与原理都没有太大的差异。 异步电动机是通过变频器的设置来完成其加减速控制，而柴油机通过控制调速器的加油 ，减油实现转速调节。 本设计的原动机采用三相异步电动机，因此市电三相交流电作为原动机输入，并由 变频器来控制异步电动机的启动，停止和加减速等动作。那么在本实验平台上对于发电机 转速及启停的控制都可以通过控制变频器来完成。 冀r 誊豳 图3 2 实验平台图3 3 发电机组 f i g32 d e b u g p l a t f o r mf 嘻33 0 t o r m 3 3 基于d s p 的船舶电站自动控制的设计 本设计中船舶电站自动控制装置选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制器， 形成单独的控制装置进行程序流程的控制，并由西门子s 7 2 0 0p l c 完成指令的执行及 部分逻辑判断工作。 第3 章基丁：d s p 的船舶电站自动控制装置的设计 3 3 1 数据部分采集设计 ( 1 ) 电压信号采集 本系统中需要采集的电压信号有三相电网电压和三相发电机的电压的有效值，用以 参数的显示、监视以及并车条件中的电压条件判断和功率计算等。 本设计的电压信号采集示意图如图3 4 所示： 三相 交流电压 陌辱i 丽 d s p 部分 小醉a d 5 3 6 a j i 加转换单元h 计算卜 电压值 图3 4 电压信号采集不恿图 f i g 3 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f v o l t a g em e a s u r e m e n t 对于交流电压有效值的测量，我们选用真有效值转换芯片a d 5 3 6 a j ，它能够将输 入信号转换成代表其有效值的直流电压信号，最大能够测量峰值为2 5 v 的电压信号。 三相交流电压先经过变压器降压得到a d 5 3 6 量程内的信号，再由a d 5 3 6 转换成代 表其有效值的直流电压信号送给控制器的a d 转换引脚，经过程序运算就得到了三相交 流电压的有效值。 ( 2 ) 频率信号采集 本系统中频率信号的采集是通过d s p 的捕获功能来完成的。首先需要由调理电路 将交流信号转换成方波信号后，再用d s p 对方波信号的上升沿下降沿进行捕获，经过 计算进而得到信号的频率。 交洗 电压 本设计中频率信号采集示意图如图3 5 所示： l ! 竺一。! 苎量_ j 变压器f l l 二阶l 过零ll 电压i - l 捕获单元卜匿 - h _ 。制卜叫 ；滤波ii 比较 跟随 图3 5 频率信号采集示意图 f i g 3 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 1 6 频奉值 智能犁船舶电站控制器的研究 图中，二阶滤波环节是为了消除干扰，防止波形出现畸变而影响频率的测量结果。 过零比较电路将交流信号转换成方波信号，再经电压跟随电路输出给捕获单元，进而得 到交流信号的频率值。 ( 3 ) 相位差信号采集 相位差信号的检测也是通过d s p 的捕获单元对相位差波形进行捕获实现的。相位 差波形是由汇流排电压方波与发电机电压方波经过相位差检测电路得到，再由捕获单元 对其高电平时间进行捕获计算，进而得到相位差信号。 3 3 2 发电机组启停控制 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i o p b 4 i o p b 7 中中 1 0 31 0 4 p l cs 7 2 0 0 q o 0 q o 1 启动继电器线圈停止继电器线圈 图3 6 发电机组启动控制原理图 f i g 3 6c o n t r o l l i n gc i r c u i to fg e n e r a t o r ss t a r t 上图中“l o c a l r e m o t e 为本地遥控选择旋钮。当选择为本地时，启动停止 方式为机旁按钮启停；而当选择为遥控时，启动停止方式为控制器控制。 本设计所用变频器的控制逻辑为：当“f o r 一、“f r e 和“c o m 三个端联通时， 变频器设置为启动；而当此三个端子不互联时，变频器设置为停止。 因此，当“l o c a l r e m o t e 选择为遥控时，机组的启停是通过控制器来控制的。 这时，启停控制信号由d s p 的f o 口输出，经继电器电路变换成p l c 能够响应的2 4 v 信号，p l c 再经过逻辑判断后控制启停用的继电器线圈得电，因此相应的继电器开关 ( k 1 4 3 3 或k 1 4 3 4 ) 动作，使变频器启动或停止，这样就实现了机组的启停控制。 1 7 第3 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置的设计 3 3 3 发电机组频率的升降控制 发电机组发电频率的升与降控制即对原动机进行加减速控制。本设计的频率控制原 理图如图3 7 所示。图中的变频器，当s s l 与c o m 形成通路时，变频器被设置为升频， 原动机加速；当s s 2 与c o m 形成通路时，变频器被设置为降频，原动机减速。 而升速降速控制可以有手动和自动两种方式，图中“m a n u - a u t o 为自动手动 选择旋钮。当为手动方式时，通过机旁频率控制开关来发出加减速命令；而为自动方式 时，直接由d s p 发送控制信号给变频器。 右图中，l f 2 4 0 7 a 的i o p f 3 和i o p b 6 用来检测手动旋钮的升降速信号，而i o p a 2 和i o p c 2 用来输出升降速命令。光耦隔离电路将2 4 v 信号变换成d s p 能够识别的3 3 v 。 d c 2 4 v ll k 1 、 k 2 ll s s ic o ms s 2 变频器 光耦隔离li 光耦隔离 i o p f 3 i o p b 6 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i o p a 2i o p c 2 冒昌 加速继电器线圈减速继电器线圈 图3 7 发电机组频率控制原理图 f i g 3 7c o n t r o lc i r c u i to fg e n e r a t o r sf r e q u e n c y 3 3 4 主开关合分闸控制 图3 - 8 的左图为主开关合分闸控制主电路，s b 8 2 6 和s b 8 2 9 分别为手动合分闸按 钮，k m 8 2 3 为通电保持继电器开关。 1 8 智能型船舶电站控制器的研究 当合闸继电器线圈k 8 2 6 得电后，主开关合闸；而k 8 2 6 失电时，主开关分闸。因 此只需对合闸继电器k 8 2 6 的得失电进行控制即可完成主开关合分闸的控制。 合分闸命令由d s p 的i o p c o 和i o p e 5 发出，并经由p l c 的逻辑判断后，控制主 电路进行动作。 发电机组的主开关合分闸控制原理图如图3 8 所示： a c bc l o s i n g a c b t r i p p i n g t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i o p c o i o p e 5 寓审 i o 51 0 6 p l cs 7 2 0 0 q o 2q o 5 合闸控制继电器分闸控制继电器 图3 8 发电机组主开关合分闸原理图 f i g 3 8c o n t r o l l i n gc i r c u i to f a c bc l o s i n ga n da c bt r i p p i n g 3 3 5 机组问的数据通讯 为了完成机组的自动增减和功率的平均分配，机组之间需要进行功率信息的交换和 启停备用机组指令的传送。本设计采用c a n 总线的通讯方案，因在下文中将对c a n 通信进行重点介绍，故在此只做简单的通讯示意，如图3 9 所示： 硝 c a n 驱动器 1 c ! a 竺n h 竺di c a n t x c a n r x d s p 2 图3 9 机组间数据通讯示意图 f i g 3 9t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd a t ac o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nd e v i c e s 1 9 罴5 ； g c d 第3 章基td s p 的船舶电站自动控制装置的设计 3 3 6 自动控制的程序设计方法 ( 1 ) 单台机组自动调速及合闸控制 当启动方式选择设置为“自动 时，若发电机组收到启动命令，控制器则自动控制 原动机进行升速。发电频率的调整是通过反馈来是实现的：当测得发电机频率小于设定 频率的下限时，对变频器进行升频操作；当发电机频率大于设定频率的上限时，对变频 器控制发电机进行降频。通过这样的反馈控制，即可以实现发电频率的自动调整以达到 要求范围内的频率值。 而在本实验平台中，电压的调整是通过调压器自动调节的，不在程序控制的范围内。 因为是单台机组的控制，合闸不必考虑相位信息，因此程序只需对电压条件和频率 条件进行检测、判断，当这两个条件都满足时，即进行主开关合闸使该台机组投入电网。 ( 2 ) 自动并车 同步发电机组理想并车的三个条件为：电压大小相等、频率相等和相位一致，而实 际系统中主开关存在固有动作时间，这样在设计时也同时需要考虑合闸的提前量问题。 因此，在程序设计的过程中只需不断对这三个并车条件进行检测。当电压条件和频 率条件都已满足，且在相位条件只差合闸提前量时间就能满足时，发出合闸命令信号。 若提前量时间恰好等于主开关的固有动作时间，那么主开关会正好在相位差为零的时候 进行闭合，从而达到准确同步的目的【2 1 。 ( 3 ) 自动增减机组及负荷分配 。 1 ) 自动启动备用机组及功率均分 在电站运行中，当在网机组的有功功率大于设定值时，就需要启动下一台备用机组， 并且在备用机组成功并网后进行在网机组的功率平均分配。 此功能的实现需要在网机组对其有功功率进行监视，当其大于设定值时，控制器 d s p 向p l c 发出启动备用机组信号，p l c 经过逻辑判断后，启动第一备用机组。 当备用机组启动并成功并网后，就需要进行有功功率的平均分配。首先两台机组进 行即时功率信息的交换，并计算出平均功率即各自应承担的有功功率。然后各自通过加 速或减速进行有功功率的转移工作。当本机功率满足均分要求时，停止功率分配操作。 2 ) 自动解列备用机组及负荷转移 智能型船舶电站控制器的研究 在电站的运行中，当为多机运行且在网机组的有功功率小于设定值时，就需要对过 剩机组进行解列操作。 此功能的实现需要在网机组对其有功功率进行监视，当其小于设定值时，主机通过 c a n 总线发送解列信号给从机。同时，主机开始进行升载操作，而从机在收到解列信 号后进行降载操作。这样电站的有功功率就逐渐的由从机全部转移到主机上。当从机有 功功率小于一定的值时，则发出停机命令，以结束过剩机组的解列及负荷的转移工作。 ( 4 ) 自动报警及保护 安全检测及保护功能在自动化电站中是极其重要的。它能够在机组出现故障时自动 进行报警及保护动作，从而有效地避免重大故障的出现。 本设计中安全检测与保护部分包括过载保护、逆功保护和过流保护与电压、频率异 常的报警等。 所谓安全检测即在程序的运行过程中对运行数据进行监视，当超出正常范围时，则 认为是发生了故障，经过一定的延时后再进行判断，如果数据依然异常，则立即发出报 警信号并进行保护动作；而对于严重的异常，程序不需要延时而立即进行保护动作。 保护动作是通过程序控制外部保护继电器进行动作，并