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1、船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設計研究 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設計研究 2017/07/11 《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(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)，著重介紹了控制系統(tǒng)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(tǒng)具備電站監(jiān)控、工作狀態(tài)顯示、故障報警顯示和存儲、參數(shù)設定等功能，人機界面友好，為日后實現(xiàn)駕控—集控一體化控制奠定了基礎。 關鍵詞

2、：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(jiān)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(jiān)測、報警等，并具有集中顯示功能，是船舶電站自動化實現(xiàn)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(jiān)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(tǒng)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(qū)別。隨著工控技術的不斷發(fā)展，應用

3、計算機軟件的開發(fā)，基于單片機技術的船舶電站控制系統(tǒng)慢慢顯示出了其在通信方面的優(yōu)異性能，應用單片機技術的船舶監(jiān)控系統(tǒng)能更好地處理信號，快速響應，是今后技術開發(fā)的一個新方向。 1船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體功能 船舶電站的管理主要涉及船舶發(fā)電機組的控制、啟停、并車、監(jiān)控等操作，并能同時調(diào)整及穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、頻率等信號，使船舶電力參數(shù)始終穩(wěn)定在一個標準范圍之內(nèi)，從而滿足船舶正常航行需求。本系統(tǒng)對船舶電站的發(fā)電機組根據(jù)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(xiàn)頻率、電壓自動恒定；聯(lián)鎖運行機組間功率、負載自動分配和轉(zhuǎn)移；重載控制，根據(jù)電站負荷狀態(tài)自動卸載或投入次要

4、負載；自動解列、自動停車。系統(tǒng)能夠?qū)Υ半娬具M行實時監(jiān)控，并經(jīng)過組態(tài)系統(tǒng)展現(xiàn)在屏幕界面上，方便簡潔。 1.1發(fā)電機組的啟停控制 在發(fā)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(fā)電機組的作業(yè)狀態(tài)產(chǎn)生影響，不會對其他機組產(chǎn)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(xiàn)自動并車，需具有并車控制與自動調(diào)頻調(diào)載功能，即能夠?qū)γ颗_柴油機的頻率、功率進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)機組的準并車狀態(tài)；然后將待并機組投入電網(wǎng)，并網(wǎng)后能夠執(zhí)行恒頻、功率與負載自動分配等操作。

5、 1.3匯流排監(jiān)測 匯流排監(jiān)測可以通過屏面上旋鈕來觀測電網(wǎng)及發(fā)電機的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)，根據(jù)控制單元的電網(wǎng)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(wǎng)。 1.4發(fā)電機組和電網(wǎng)監(jiān)視器 監(jiān)視器是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責監(jiān)視電網(wǎng)的電壓、頻率，機組的水溫、水壓、油溫、油壓等機、電參數(shù)是否正常，確保電網(wǎng)供電的連續(xù)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(wǎng)的剩余功率能滿足大負荷工作可直接投入；若電網(wǎng)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(wǎng)工作，在備用機組

6、沒有并網(wǎng)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(wǎng)會出現(xiàn)短暫的斷電現(xiàn)象，在電網(wǎng)自動恢復供電后，為迅速恢復整個電力系統(tǒng)運行，在自動電站系統(tǒng)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(tǒng)的組成 系統(tǒng)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(wǎng)參數(shù)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(shù)等電氣參數(shù)實時、遠程傳輸至上位機，在觸摸屏上顯示出來，用于監(jiān)測、分析和記

7、錄。STC單片機控制的船舶電站系統(tǒng)主要包括監(jiān)測、控制、報警三個模塊，它們既相互獨立，又相互關聯(lián)。在電站運行過程中，電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)在船舶各個功能狀態(tài)發(fā)生變化時其值也會發(fā)生改變，從而影響機組并入電網(wǎng)的頻率及電壓質(zhì)量可能，引起電網(wǎng)頻率的波動，甚至會導致電網(wǎng)斷電。監(jiān)測模塊能對船舶原動機、發(fā)電機、其他配電裝置及相關設備等的運行參數(shù)進行實時采集監(jiān)測，當監(jiān)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(diào)整，保證電網(wǎng)質(zhì)量?？刂颇K也可對發(fā)電機組的啟動、并車進行自動控制。如果系統(tǒng)監(jiān)測到電網(wǎng)偏離情況比較嚴重，超過安全數(shù)值范圍，

8、控制模塊會采取一定的防范措施，避免事故的發(fā)生與惡化。 3系統(tǒng)硬件設計 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的運行過程比較復雜，但它能及時應對突發(fā)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(tǒng)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(tǒng)硬件主要實現(xiàn)船舶電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)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(tài)，各機組有功功率、電壓、頻率，電網(wǎng)電壓、頻率監(jiān)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(zhuǎn)換模塊、光電隔離模塊組成，A/D模塊將4～2

9、0mA的電流模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給單片機的中央處理器；光電隔離模塊能夠?qū)斎腚娐泛洼敵鲭娐愤M行有效的電氣隔離，清除外來的諧波干擾，保障信號傳輸?shù)臏蚀_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(zhuǎn)換成開關量輸出，發(fā)送給發(fā)電機組，其輸出是常開觸點，即在繼電器不通電的狀態(tài)下，繼電器的觸頭處于斷開狀態(tài)。另外，繼電器都連接一個工作狀態(tài)指示燈，當線圈得電時，靜觸點處于接通狀態(tài)，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(fā)電機和電網(wǎng)實際電量進行變送后采集，經(jīng)過處理后

10、變?yōu)殡妷?～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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，再進行通信、顯示與計算，便于集中監(jiān)控與處理。 4系統(tǒng)程序設計 要實現(xiàn)對電站的監(jiān)控，系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)能對連續(xù)的模擬及數(shù)字信號進行處理，若要實現(xiàn)實時監(jiān)視與控制，需進行編程，一旦

11、電站中有異常情況出現(xiàn)，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(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯判斷、分析處理和輸出執(zhí)行等功能；界面的顯示控制程序設計是通過MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)，MCGS是一款功能較為強大的組態(tài)軟件，設計開發(fā)過程較為簡單，能獲取良好的監(jiān)控信號，較為完善地實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)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

12、技術的不斷發(fā)展，電站自動化的內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)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(tài)軟件實現(xiàn)了電站監(jiān)控、工作狀態(tài)顯示、故障報警顯示和存儲、參數(shù)設定等功能，人機界面友好，為日后實現(xiàn)駕控—集控一體化控制奠定了基礎。 ［參考文獻］ [1]祝賀.船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009. [2]白一鳴.船舶電站自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究[D].大連：大連海事大學，2009. [3]姜錦范.船舶電站及自動化[M].大連：大連海事大學出版社，2008. [4]何偉偉，張維競，劉曉偉，等.嵌入式系統(tǒng)在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究[J].造船技術，2007（1）：44-46. [5]曹冬華，劉金林，曾凡明.數(shù)字化設計技術在艦船動力裝置生命周期中的應用[J].艦船科學技術，2012，34（11）：159-164. [6]張文鐸，邱瑞昌，趙曉紅.基于DSP的中頻逆變電源設計[J].電力電子技術，2010（4）：56-58.