船舶电站监控系统设计论文.docx

摘要现代航运对船舶自动化程度和信息集成程度要求越来越高，因此船舶自动化主要发展方向已成为将驾驶台、机舱等相对独立的几个部分联成一体，做到全船信息的高度集成和共享。船舶电站自动监控系统是机舱自动化系统的重要组成部分，电站监控系统运行的可靠性、经济性对保证船舶电站的供电质量，进而实现船舶“机驾一体化”的发展要求具有重要意义。船舶电站自动监控功能可分为自动控制功能和自动监视功能。其中自动控制功能的实现可归结为两点关键技术的实现：即发电机组的转速控制和发电机组的励磁控制；而自动监视系统主要完成电站运行过程中的参数的显示、记录与报警等功能，为电站监控系统提供一个良好的人机接口。本文以发电机组的转速控制和发电机组的励磁控制两项关键控制功能为核心， 充分结合电站监控系统的发展趋势，完成船舶电站控制系统的设计。电站自动控制的核心之一为柴油机的转速控制。本文针对由三台发电机组组成的船舶电站，进行柴油机的转速自动控制系统的研究与设计。系统采用西门子公司的S7-300可编程序控制器（PLC）为主要控制元件，同时采用DIEF公司的发电机并联控制单元（GPC）与之配合，PLC与GPC通过PROFIBUS-DP现场总线进行通信，使二者相互配合完成发电机组的起停控制、并车控制、频率调节及有功功率自动分配控制的转速自动控制任务。关键词：船舶电站，监控系统，PLCAbstractWith the development of modem navigation, the demand of ships automation and degree of information integration is increasing. Therefore, the developmental direction of the ship automation is to integrate the relatively independent parts such as the deck department and the marine engine department together, so the information of the ship can be highly integrated and shared. Automatic Monitoring System of marine electrical power plant is an important component of Marine Engineering Automation. The reliability and economy of AMS can improve the quality of power supply, and in turn to realize the “Integration of Ship Driving and Machine Controlling.” The functions of Ship Automatic Monitoring System can be divided into automatic control and automatic surveillance. The realization of automatic control function can be attributed to the realization of two key technologies-the speed control of generation sets and the excitation control of generator. The Automatic Surveillance System is mainly to realize the displaying and recording of the operation parameters, and alarming when it is abnormal, etc. and provide a good man-machine interface for the system.In this paper, as the control cores, the generation sets speed control system and generator excitation control system are designed and fully integrated the development trends of the power plant control system.One of the cores of the power plant automatic control is speed control of diesel engines. In this paper, the automatic speed control system for diesel engine is researched and designed for electric power plant that composed by the three generation sets. Siemens S7-300 Programmable Logical Controller (PLC) is adopted as the main control set, with the corporation of Generator Parallel Controller (GPC) made by DIEF company. PLC and GPC are communicated through PROFIBUS-DP fieldbus so that they can work concordantly to accomplish the task of speed control when Automatic Start-up and shutdown, Automatic parallel operation, Automatic frequency adjustment and active power distribution. Key Words：Marine electrical power plant, Monitoring System, PLC 目 录1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 船舶电站监控系统体系结构的发展11.3 PLC在船舶自动化电站中的应用41.4 本课题的研究内容与意义42 船舶自动化电站52.1 船舶电力系统组成与控制52.1.1 船舶电力系统的组成52.1.2 船舶自动化电站的自动控制功能52.1.3船舶电站的自动监测报警62.1.4船舶电站的特点72.2 船舶电站的保护功能72.2.1 船舶同步发电机外部短路保护82.2.2 船舶同步发电机过载保护112.2.3 船舶同步发电机欠压保护122.2.4 船舶发电机逆功率保护133 船舶电站自动监控系统的PLC实现153.1基于PLC的船舶电站监控系统的总体构成153.1.1西门子S7-300 PLC应用技术153.1.2船舶电站监控系统的Profibus-DP总线结构163.1.3 Profibus-DP总线式分级设计思想173.1.4 Profibus-DP总线式结构的优点183.1.5 并联控制器(GPC)简介183.3 监控系统硬件设备选用193.3.1 上位机选用193.3.2 PLC模块选用203.3.3信号处理及传感器选用224 船舶自动化电站PLC监控程序设计244.1 监控软件结构及功能设计244.2 PLC程序总体框架254.3 子模块程序264.3.1 发电机自起动模块的程序设计264.3.2 发电机并车模块的程序设计274.3.3 发电机调频调载模块的程序设计314.3.4 自动解列与自动停机程序34结 论36致 谢37参考文献383山东交通学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 选题背景及意义船舶是现代水上运输的重要交通工具，也是人类在水面上活动的主要平台，对人类社会的政治、经济发展和人们日常生活、工作有着极其重要的意义。近年来随着相关科技日新月异的发展，对于船舶自动化的要求越来越高1。船舶电站自动化是船舶自动化的一个重要组成部分，也是船舶现代化的重要标志。随着航运业的发展，对船舶电力系统的可靠运行提出了越来越高的要求。船舶电力系统的控制、监视和跟踪管理也显得极为重要2。船舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的安全航行和经济效益有重要的影响，其供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力。船舶电站自动化装置的发展过程，从六十年代采用继电器控制技术及后来的晶体管分立元件控制技术到七十年代的小规模集成电路及后来的中大规模集成、模拟电路控制技术，至八十年代的微处理机控制技术，九十年代的PLC控制技术。船舶电站的控制在七十年代后期形成了功能较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与模拟集成电路组成的控制系统。进入八十年代世界各国先后研制单片机组成的微机控制系统。九十年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，产生了基于PLC控制的船舶电站、主机遥控、集中监视系统。随着计算机信息处理技术的发展，船舶电站自动化正朝着集散型计算机控制系统的方向发展。计算机技术应用于船舶电站自动化系统，使得船舶电站成为集自动控制、监测、 报警等于一体化的监控系统，船舶电站自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。它需要研究网络技术（包括船用光纤、现场总线、工业以太网等技术）、智能柴油机电控技术、电力电子技术、微机技术等，以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式，向实现船舶电站综合自动化这个高层次阶段发展。它是开放式和网络化的未来船舶电站自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点。综上所述，船舶电站自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，船舶电站自动化技术正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这是今后国际船舶电站自动化技术发展总趋势。1.2 船舶电站监控系统体系结构的发展随着近三十年自动控制技术的进步，船舶电站监控系统的性能也得到了大幅度的提升。按照船舶电站的结构特点，可大致分成三个发展阶段：(1)集中式监控系统（CCS：Computer Control System）集中式监控系统于八十年代占主导地位，采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器。系统可对船舶电站运行时的数十个参数进行集中监控。集中式监控系统的优点是替代了十几个模拟调节器的工作，如温度、压力、转速等调节器。船员在集控室内便可了解和掌握电站设备的运行情况。但由于其仍然采用模拟量通信信号，整个系统的造价昂贵；并且集中控制也产生了风险集中的后果，一旦出现设备故障可能造成整个电站监控系统的失控或瘫痪。其系统结构如图1.1所示。显示报警打印操作台PLC/单片机/微型计算机测量及变换单元监测对象A/D转换D/A转换执行机构控制对象图1.1 集中式监控系统结构图Fig.1.1 CCS Contiguration(2)集散式监控系统（DCS：Distributed Control System）进入九十年代，微型计算机技术迅速发展为电站监控系统的进步提供了强有力的支持。集散型控制系统是计算机（Computer）、通信（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）技术的产物（简称四C技术）。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。其系统结构如图1.2所示。图1.2 集散式监控系统结构图管理级微型计算机通信接口单元一单元N单元四单元三单元二Fig.1.2 DCS Configuration(3)现场总线式监控系统（FCS：Fieldbus Control System）现场总线式监控系统是由集散式监控系统发展而来，但与集散式监控系统相比有了实质性的进步。由于智能设备的出现，在现场即可完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。这样就要求通信具有“双向性”，而大部分集散式系统的通信接口互联方式不满足此要求。现场总线式监控系统正是顺应以上潮流而诞生的，它用现场总线这一开放的、具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线监控系统，同时监控功能彻底下放到现场，提高了现场信息的可利用程度，降低了安装成本和维护费用。其系统结构如图1.3所示。管理级计算机通信总线现场控制单元一现场控制单元二现场控制单元三现场控制单元N图1.3 现场总线式监控系统结构图Fig.1.3 FCS Configuration1.3 PLC在船舶自动化电站中的应用船舶电站需要其监控系统长时间运行。并且电站元器件结构复杂，控制设备不可避免会受到干扰。因此，电站监控系统的设计首先要保证其稳定可靠。而电站自身又具有动作复杂、频繁的特点，这就需要较多执行元件进行控制。PLC (Programmable Logical Controller) 通常称为可编程逻辑控制器（又称为可编程控制器），它是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单，以及维护方便等特点，特别是PLC适应恶劣的工业环境的能力和高可靠性，使其应用越来越广泛3。PLC技术能够完美的实现上述要求，其优点如下：(1)可靠性高、抗干扰能力强PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使PLC的平均无故障时间通常在20000小时以上，这是一般的其他设备做不到的。(2)所需添加设备数量少一般的PLC都有上百个内部辅助继电器，还有多种内部专用继电器，可节约大量的中间继电器。另外，当需要较多的I/O时，可方便的添加扩展模块。(3)易于操作维护PLC的控制程序无须更改硬件，通过修改其内部辅助继电器程序即可完成逻辑控制的更改。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员。1.4 本课题的研究内容与意义本课题研究的对象为以PLC为核心控制单元的船舶自动化电站综合控制系统。利用S7-300软件设计船舶自动化电站PLC控制程序，采用WinCC组态软件进行操作监视级的监控界面设计及通信实现，。通过软件程序设计和硬件电路搭建实现对船舶电站系统的手/自动综合控制与管理。船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，随着现代船舶电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着及其重要的地位；网络技术的普遍应用，港航移动目标的远程监控也成为船舶管理的一个重要方向。良好的船舶自动化电站系统可以大大降低工作人员劳动强度，提高工作效率，提高供电的稳定性和可靠性，对保证船舶安全、经济运行具有重要意义。2 船舶自动化电站2.1 船舶电力系统组成与控制2.1.1 船舶电力系统的组成 船舶电力系统主要是由电源、配电装置、电网与负载四部分组成：(1)电源船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主电源，应急发电机组是应急电源，蓄电池组一般作为小应急电源。主发电机组不能供电时，由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明系统供电。(2)配电装置配电装置是接受和分配电能的装置，也是对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量和控制的装置。包括各种电力开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电器、按钮、控制和转换开关、自动化没备及各种附属设施等。根据供电范围和对象的不同，配电装置可分为主配电板、应急配电板、分配电板、充放电板和岸电箱等。(3)船舶电力网船舶电力网是全船电缆电线的总称。按其所连接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网等。(4)电力负载船上的用电设备形式很多，主要有动力负载(各种电力拖动机械)、照明负载、通信导航设备等，舰艇还有特殊的武器装备负载。动力负载往往占总用电量的70%左右，对于船舶电力负载大体可分为如下几类：船舶各种机械设备的电力拖动；船舶照明；通讯和导航设备；生活及其他用电设施。2.1.2 船舶自动化电站的自动控制功能(1)电压自动调整。电压自动调整是对发电机磁场的自动调节，从而令发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能有两个，即静态特性和动态特性。一般情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的2.5%，动态电压调整率不超过额定电压的15%，恢复时间不超过1.5s，电压波动不大于3%额定电压；(2)机组自动起动。机组自动起动应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动：电网失电；在网运行机组的平均功率大于85%额定功率；在网运行机组发生故障需要换机或停机；机组接到人工起动指令时。(3)首机自动投入。在电站电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的备用机组投入电网供用；(4)自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件：相电压相等、频率相同及相位差为零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发出合闸信号，一般合闸信号要提前几十毫秒发出，并且待并发电机的频率要略大于电网频率；(5)自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配制度，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于5%额定功率，频率调节精度为0.25Hz；(6)动转移负荷及分闸（或称解列）。对已投入电网运行的机组出现以下情况时，则按顺序运行机组逐个解列：在网运行机组平均功率小于30%额定功率；机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障；有人工解列指令，且当前功率不大于85%额定功率。当解列机组的负载转移到小于10%额定功率时，发出分闸信号。(7)机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机：机组有严重故障（应急保护停机）或二类故障；机组平均负荷小于30%额定功率，则先解列再自动停机；机组接到人工指令需要停机。(8)重载询问控制。大负荷设备起动前发出询问信号，电站自动控制系统接到询问信号后进行储备功率计算，若储备功率大于大负荷设备的额定功率，则大负荷即可起动；若储备功率小于该设备的额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后，大负荷设备才可投入运行；(9)原动机预润滑预热控制。电站机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带润滑泵承担；其次，是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。一般冷却水预热装置有电预热和蒸汽预热两种。2.1.3船舶电站的自动监测报警自动监测报警应具有对电站的运行情况进行实时显示、报警、记录和打印等功能4。(1)显示和打印：包括各种测量参数的实时动态显示和打印，各种状态图的实时动态显示和打印。(2)自动记录：所有测量数据能进行整点自动记录，同时报警和消警信息也能自动记录。(3)报警：具有声光报警功能，声响报警消音后不得影响后来的报警信号。灯光报警为闪光方式，确认后变平光。报警系统的线路要独立于控制线路，并具有灯光和音响的试验功能。(4)报警连锁：机组的起动和停机过程会引起某些控制参数偏离整定值，因此，要能自动连锁报警屏蔽线路，防止误报警。2.1.4船舶电站的特点船舶电站与陆用电站相比较具有以下特点：(1)船舶电站容量小。由于船舶电站只供给一条船上负载的需要，因此其单机容量和系统容量与陆用电站相比要小得多，而某些大电动机容量与电站容量可相比拟，因此相互影响较大。(2)船舶电站设备工作环境比陆地恶劣。船舶电站设备具有工作环境温度较高、相对湿度大、有盐雾，霉菌，油雾、设备布置密集，设备之间有较大的电磁干扰、受风浪影响引起的船舶摇摆等特殊性。这使船电设备易受到腐蚀，设备运转振动和冲击大。(3)船舶电站的发电设备与用电设备之间的距离很短，因此电网的短路电流较大。总之，船舶电站具有容量小、工作环境恶劣、设备相对集中等特点。同时，现代船舶电站设备复杂程度越来越高，因此对电站控制的精确度要求逐步提高，但是现代船舶的管理人员数量却日益减少，这就为船舶电站自动监控系统的功能提出了更高的要求5。2.2 船舶电站的保护功能发电机是船舶的重要设备，保护发电机不损坏是船舶安全航行的首要保证。针对船舶发电机各种常见的不正常运行状态和故障，必须装设相应的保护装置6。发电机安全保护一般来说主要包括如下几种：(1)过载保护，当运行发电机的输出功率或电流超过其额定值时，过载保护起作用。一般情况下，当过载达110%120%额定值时，延时510s，自动卸掉部分次要负载；当过载达150%额定值时，延时1020s，使发电机自动跳闸；(2)定子绕组内部短路保护，对于额定功率大于1000kW的发电机组，当发电机运行主开关未合闸时，发电机电流130%额定电流，则发电机自动消磁保护；(3)发电机外部短路保护，当发电机电流为35倍额定电流时，延时0.2s0.6s，使发电机跳闸；当发电机电流为510倍额定电流时，瞬时动作使发电机跳闸；(4)欠压保护，对带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压70%80%时，延时1.5s3s跳闸；对不带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压40%75%时发电机跳闸；(5)逆功率保护，当发电机出现逆功时，其逆功为8%额定功率，延时5s8s使发电机跳闸；(6)以上为一般船舶电站安全保护系统应考虑的功能，在特殊情况下还应考虑过压、过频和欠频保护。由于船舶发电机的电压较低，并且又定期检查，经验证明，低压发电机内部故障出现的机会极少，所以一般不专门设继电保护装置。对于并联运行的发电机可能出现的定子绕组相间短路，可由电流速断器对电进行保护。根据钢质海船入级与建造规范规定，对船舶低压同步发电机，针对其可能出现的故障和不正常运行状态，主要设有如下继电保护：外部短路的过电流保护；过载保护；欠压保护；逆功率保护。2.2.1 船舶同步发电机外部短路保护短路故障所造成的后果是非常严重的7。发生短路时，由于外路电路负载被短接，发电机定子绕组中将产生极大的短路电流，电网电压也急剧下降，会使电动机停转，甚至使发电机全部断开，导致全船停电。为了防止短路故障，对于运行人员来说，应在平时加强对设备的维护管理，定期检查各主要电器设备的绝缘情况，严格执行操作规程，消灭误操作。为了限制短路故障的破坏作用，在技术措施方面则必须装设继电保护装置，以便故障发生后，能自动地切除故障部分，保护设备，防止故障扩大，保证非故障部分正常运行。(1)发电机外部短路保护对发电机外部短路故障的判断，因为发电机外部短路时，从发电机到短路点，必将出现很大的过电流，所以可利用这一特点，来检测发电机之外部短路。按照时间原则或电流原则在原理上都可以实现保护的选择性，但由于船舶输电线路较短，且阻抗较小，电网各段短路电流都很大，因此按照电流原则实现选择性保护往往是有困难的，而按照时间原则实现选择性保护，则整定比较容易，而且比较可靠。但是，完全按照时间原则实现选择性，往往又带来影响保护快速性和使保护装置复杂化等弊病，甚至是不可能的。因此，常常采用时间原则和电流原则混合的方法，以满足保护选择性和快速性的要求。一般船舶发电机都设有两套过电流保护装置。第一套为带时限的外部过电流保护装置，又叫短路短延时保护装置。如图 2.1(a)中的QF1过流保护，它与QF2过流保护是以时间原则来实现选择性的。第二套为不带时限的电流速断保护装置，又叫短路瞬时动作保护装置。如图2.1(a)中的QF1的速断保护，它是以电流原则来实现选择性的，并保证了在靠近发电机端短路时，保护动作的快速性。显然，QF1的过电流保护装置又是一种后备保护装置，当k1点短路而其QF2的过电流保护装置不动作时，则QF1的过流保护立即动作，这种后备保护是完全必要的。GIIMIop(qb)Iop1 t1QF1k1k2Iop2 t2QF2(a)t1=t2+tt2Lt(b)Ik1Iop1Iop2I0L1LIk2Iop2(c)图2.1 发电机短路保护装置及其整定Fig.2.1 Generator short-circuit protection device and setting(2)发电机外部短路过流保护的整定图2.1中发电机外部短路过电流保护装置（QF1过流保护）启动值的整定考虑对可靠性的要求，应把短路保护、过载保护和电动机自启动区分开来。当过电流保护的启动电流按照大于发电机的额定电流来整定，并使保护装置的返回电流大于在电动机自启动情况下的最大电流时，引入可靠系数Krel和自启动系数Ks后，返回电流Ire可表示为(2.1)考虑到继电器的返回系数之后，启动电流为(2.2)式中，Iop1为QF1的过电流保护启动电流整定值，IgN为发电机额定电流，Krel为可靠系数（Krel=1.31.5），Kre为返回系数（Kre=0.50.9），Ks为自启动系数（Ks=1.31.8）。将各系数代入式(2-2)得(2.3)确定启动电流整定值之后，应校验发电机外部短路过电流保护的灵敏度，当作为远后备保护时，灵敏系数SP应为(2.4)式中Ik2,min为末端k2点最小短路电流。图2.1中QFl的过流保护动作时限的整定考虑对选择性的要求，必须使QFl的过流保护的动作时限t1与QF2的过流保护的动作时限t2相配合，如图2-1(b)所示，按阶梯形时限特性整定，使t1比t2大一个时间，即(2.5)式中t1为QF1的过流保护动作时限，t2为QF2的过流保护动作时限，为两相邻保护动作的时限之差。决定的因素主要有：断路器的跳闸动作时间，时间继电器误差以及要有一定的裕度等。大了动作会慢，因此应使尽量小，但太小了，易产生误动作。一般取(0.150.25)s。所以，一般t1整定为(2.6)采用过电流保护，按照时间原则保证选择性时，越靠近电源处，动作时限越大，而越靠近电源，短路电流越大，则要求保护动作越快，这是一个矛盾。为此，要用电流速断保护来加以补充。并联运行的发电机，在发电机侧短路时，短路电流可能很大，为保证选择性，可采用电流速断保护。(3)发电机外部短路电流速断保护的整定电流速断是电流保护的一种，但它和过电流保护不同。过电流保护的启动电流的整定值是以躲开最大允许工作电流来整定的，而电流速断的启动电流的整定值，则是按躲开其外部短路电流来整定的。如图2.1(c)所示，按电流原则保证选择性时，发电机电流速断保护的启动电流Iqb应躲开k1点短路时的最大短路电流Ik1,max，所以，电流速断的启动电流整定值为(2.7)若取Ik1,max=7IgN时，则上式为(2.8)确定Iqb后，校验灵敏度SP，应满足(2.9)电流速断保护的启动电流整定值是根据保护范围之内的短路电流整定的，在保护范围之外电流速断保护不应动作，所以它没有必要与保护范围之外的短路保护在时间上相配合。因此，电流速断保护是瞬时动作的。电流速断保护的优点是快速，比较简单可靠。考虑到在发电机近端短路时，对于保护动作快速性的要求，可以加装瞬时动作的电流速断装置来保护。2.2.2 船舶同步发电机过载保护可能产生发电机过载的主要原因有：(1)船舶电站在运行中发电机的容量不能满足负载增长的需要；(2)几台发电机应并联运行但未做并联运行；(3)或者当并联运行的发电机中有一台或几台发土故障而自动停机；(4)因并联运行的发电机间的负荷分配不恰当。无论是负载电流超过发电机的额定电流，还是负载功率超过了发电机的额定功率，对发电机组都是不利的8。发电机长时间过载，会使发电机过热、引起绝缘老化和损坏，以及造成原动机的寿命缩短和部件损坏等。所以，应装设相应的过载保护装置。由于对船舶供电可靠性的考虑，处理发电机过载问题，要兼顾保护发电机不受损坏且尽量保证不中断供电两方面。因此，当发电机过载时，首先应将一部分不重要的负载自动卸掉，以消除发电机的过载现象，并保证重要负载的不间断供电。同时，应自动发出发电机过载报警信号，以警告运行人员及时处理或同时发出自启动指令，以自动启动备用发电机组。若在一定时间内仍不能解除过载，为保护发电机不被损坏，就应自动的将发电机从汇流排上切除，并发出发电机过载自动跳闸信号。对船舶发电机过载保护装置的启动电流Iop(OL)和动作时限t(OL)可做如下整定：为保证在正常工作时保护装置不动作，应使保护装置启动电流Iop大于发电机的额定电流IgN。为保证保护的可靠性，应使保护装置可靠地返回，则要求返回电流Ire大于发电机额定电流IgN。考虑到继电器启动电流和返回电流可能有误差，故取可靠系数Krel1，则可写成(2.10)根据返回系数Kre的定义(2.11)则可得启动电流为(2.12)Kre越大，即越趋近于1时，Iop越小，即越灵敏；Krel越小，则Iop越小，也越灵敏。因而，对只发报警信号或自动过载信号或备用机组自启动信号的过载保护装置，Krel可取得小些，以提高其灵敏性；而对动作于发电机跳闸的过载保护，Krel要取得大些，以保证其可靠性。对于船舶发电机过载保护，Krel11.2；Kre0.80.9。于是，船舶发电机过载保护装置的启动电流可整定为 (2.13)发电机过载保护装置动作时限的整定，主要考虑躲开大电动机或几台较大电动机同时启动的时间。一般电动机启动时间为510s，所以过载保护的动作时限可整 定在1020s。即 (2.14)当发生持续过载时，发电机过载保护虽经延时，但到时仍要动作，以中断供电。要使发电机不中断供电且避免过载的一种较好的做法就是：当出现过载信号时，首先考虑切除电网中正在运行的一些次要负载，使发电机脱离过载状态（使启动的过载保护得以返回），从而保证电站对重要负载的连续供电，这种处理办法叫做“自动卸载”。这种办法也必须与发电机过载保护的延时特性配合才能实现。根据负载的不重要程度及工作特点，分成几组，可以实现多次自动卸载的叫分级卸载。2.2.3 船舶同步发电机欠压保护习惯上通常把欠压和失压两者统称为失压9。当调压器失灵或由于发电机外部发生持续性短路故障时，都将出现发电机电压下降的现象。发电机在欠压情况下运行，将引起电机的电流大、电动机转矩下降、发电机过热、绝缘损坏，这对发电机本身和异步电动机的运行等都是很不利的。船舶发电机欠压保护的启动电压，应按躲开最低可能的工作电压进行整定，即 (2.15)式中Uop为启动电压整定值，Ug.min为最低工作电压。当电力系统中突然有较大负载增加，例如有较大电动机或多台自启动电动机启动或发生暂时性短路和并车冲击电流时，发电机电压也可能有很大的下降，但这是正常或暂时情况，发电机欠压保护不应动作。因此，在整定发电机欠压保护的启动电压值时，应当考虑到对保护动作可靠性的要求。可以用整定启动电压值或动作时限的方法，来躲过这些不应使保护动作的欠压情况。钢质海船入级与建造规范规定，并联运行的发电机应设有欠电压保护并能满足如下要求：(1)用于避免发电机不发电时闭合断路器应瞬时动作；(2)当电压降低至额定电压的70%35%时，应经系统选择性保护要求的延时后动作。由此看出，欠压保护包括失压保护的内容。电压降低至额定电压的35%时作失压处理，应瞬时跳闸。在自动电站中有的把额定电压的10%作为对母线是否有电压的识别值。电压降低至额定电压的70%35%的欠压范围，要求保护带延时，可以避免电网电压因大功率电动机启动瞬时下降引起的不必要跳闸。由于发电机的调压器具有灵敏的快速动作功能，在1.5s之内可把暂时性的电压下降恢复到接近额定电压值的3%之内，故欠压保护动作时限的整定值应大于l.5s，以躲开暂时性电压下降，一般欠压保护的整定时限为 (2.16)2.2.4 船舶发电机逆功率保护同步发电机的逆功率运行，是指该同步发电机不发出有功功率，而从电网吸收有功功率。同步发电机出现逆功率运行的原因是，当几台同步发电机并联运行时，其中一台发电机的原动机工作失常。这对系统是不利的，可能造成正在并联工作的另一台发电机过载，以致造成其过载跳闸，全船供电中断。因此，出现这种情况时，要求将处于电动机运行状态的发电机切除。因为发电机过载保护是具有时限的，所以逆功率保护并不要求立即跳闸，即也可以具有一定的时限。当同步发电机在非同步条件下并车时，也可能短时出现逆功率，这是允许的，此时逆功率保护不应动作。因此，从避开并车时可能出现的短时逆功率冲击方面，逆功率保护应具有一定的时限。发电机过载保护一般整定在额定值的125%135%，延时1520s跳闸。非同步并车出现的功率冲击一般在1s之内。根据上述原因和要求，对逆功率保护启动值的整定，大多数船级社都规定：(1)原动机为柴油机时，逆功率整定值在发电机额定功率的4%15%间某一区域（典型区间为4%10%）；(2)原动机为汽轮机时，逆功率整定值在发电机额定功率的1%6%间某一区域（典型区间为1%3%）；(3)延时时间在210s间整定（典型值为3s）。本文原动机为柴油机，逆功率整定值为发电机额定功率的10%，逆功率保护由PLC控制GPC实现。3 船舶电站自动监控系统的PLC实现3.1基于PLC的船舶电站监控系统的总体构成船舶电站控制系统工作在船舶航行这一特殊环境下。因而硬件的选择在满足电站功能前提下，要尽可能选择可靠性好、易操作的产品10。本系统基于可编程逻辑控制设计，上位机选用工业PC控制机，下位机采用西门子S7-300系列PLC。3.1.1西门子S7-300 PLC应用技术西门子公司的S7-300 PLC是模块化的中小型PLC，品种繁多的模块组成、简单实用的编程语言、强大的通信联网能力使其应用十分灵活。(1)S7-300的特点S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能够满足各种领域的自动控制任务。S7-300由350多条指令，其编程软件STEP 7功能强大，使用方便。STEP 7的功能块图和梯形图编程语言符合IEC-61131标准，语句表编程语言与TEC标准稍有不同，以保证与STEP 5的兼容，三种语言可以相互转换。通过调用系统功能和系统功能块，用户可以使用集成在操作系统内的子程序，从而显著地减少所需要的用户存储器容量，它们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。S7-300每个CPU上都有一个使用MPI（多点接口）通信协议的RS-485接口。有的还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口、PROFINET接口或PtP(点对点)串行通信接口。S7-300不需附件任何硬件、软件和编程，就可建立一个MPI网络。使用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信处理器，S7-300可作DP网络的主站或从站。S7-300已将HMI（人机接口）服务集成到操作系统内，大大减少了人机对话的编程要求。S7-300按指定的刷新速度自动的将数据传送给SIMATIC人机界面。(2)S7-300 PLC的组成部件S7-300是模块化的中型PLC，它由以下几部分组成：中央处理单元(CPU)：CPU用于存储和处理用户程序，控制集中式I/O和分布式I/O。电源模块(PS)：电源模块用于将AC 220V的电源转换为DC24V电源，供CPU模块和I/O模块使用。信号模块(SM)：信号模块是数字量输入/输出模块（简称为DI/DO）和模拟量输入/输出模块（简称为AI/A0）的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。功能模块(FM)：功能模块是智能的信号处理模块，它们不占用CPU的资源，对来自现场设备的信号进行控制和处理，并将信息传送给CPU。通信处理器(CP)：信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或用于实现点对点通信。接口模块(IM)：接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。(3) STEP7编程语言介绍STEP 7是S7-300系列PLC的编程软件。梯形图、语句表和功能块图是标准的STEP7软件包配备的3种基本编程语言，它们可以在STEP7中相互转换。梯形图(LAD)是使用的最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路很相似，具有直观易懂的优点，很容易被熟悉继电器控制的电气工作人员掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等指令。3.1.2船舶电站监控系统的Profibus-DP总线结构大部分船舶电力系统，由型号相同的2-3台发电机组成。船舶正常航行时只使用一台发电机。另一台作为备用发电机，在进出港、狭水道等情况下并机使用。某些特种船舶（如军舰）还带有第三台发电机，作为应急发电机。发电机分散在现场工作，可采用PLC单元对其进行数据采集和监控;而船舶电站控制系统作为船舶整体控制系统的一部分，又要求集中在系统操作站内进行电站的管理和操作。根据这一实际情况，系统设计基于Profibus-DP总线结构，如图3.1所示。传感器以及一些智能仪表采集现场的工作信号，这些工作信号经过信号变换处理后，送入PLC的信号处理模块。PLC再根据这些参数反映出的现场的工作状况进行控制。S7-300系列PLC的CPU模块上集成有Profibus-DP总线接口。通过Profibus-DP总线，PLC的CPU模块可以周期性地自动交换I/O模块的数据(过程映像数据交换)。而Profibus-DP总线又可与工业控制计算机相连，进行数据通信。这样工控机的操作指令就可以通过Profibus-DP总线下发给PLC，实现对现场设备的过程控制。而工控机作为操作控制级计算机，又可以协调与管理级计算机之间的通信，配合完成全船的综合监控。Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域。Profibus由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布I/O系统）、PROFIBUS-PA（Process Automation，现场总线信息规范）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，过程自动化）。PROFIBUS-DP是一种高速、低成本通信，专门用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或420mA信号传输。PORFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。高功能计算机、服务器（船长室、轮机长室监控机）工业控制计算机Profibus现场总线S7-300PLCS7-300PLCS7-300PLC工作发电机备用发电机应急发电机图3.1 总线式电站监控系统总体结构Fig.3.1 The FCS configuration of ship power station monitor system3.1.3 Profibus-DP总线式分级设计思想现场总线能很好的沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。本系统计采用了这种分级阶梯式控制思想，运用了可编程逻辑控制器Profibus-DP总线通信加操作管理站的组合。(1)现场过程控制级现场级设备由三个独立的PLC单元组成，该级负责产生直接的控制信号，通过执行机构作用于被控对象。PLC以微处理器为核心，能够独立的完成逻辑控制、数据处理、AID转换、D/A转换和通信功能。(2)Profibus-DP总线通信通信采用Profibus-DP总线技术来完成。采用一主多从的工作方式，工控机具有总线的控制权，可向从站发送、获取信息。各个PLC单元都挂接在现场总线上，能够实时的接收指令和上报现场工作状况。并且每个单元可以脱离监控级独立运行，自成一个小系统。Profibus-DP总线传输速率最高可达12Mbit/s，对于现场级设备的数据传输来说己经十分充足。(3)操作控制级操作控制级，使用工业控制PC机对下位机进行监控和信息管理。电站系统拄制过程中的全部信息可以在显示在工控机上;并且工控机还可以存储和打印此类数据，供其他系统使用。工控机一般具有人机接口，管理操作人员可以修改一些过程的参数，并以命