[交通運(yùn)輸]基于PLC船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置的設(shè)計(jì)

1、大連海事大學(xué)畢業(yè)論文二O一一年六月基于PLC船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：船機(jī)修造2班姓 名： 朱 祥 指導(dǎo)教師： 趙 殿 禮輪機(jī)工程學(xué)院摘 要船舶電站的可靠運(yùn)行對(duì)船舶安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營(yíng)起著重要的作用，而自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載是船舶自動(dòng)化電站的主要功能之一。由于船舶電站的容量是有限的，某些大電動(dòng)機(jī)的容量甚至可以與單機(jī)容量相比擬；而且船舶工況也較為復(fù)雜，如航行工況、進(jìn)出港工況、停泊工況、裝卸貨工況等，這就導(dǎo)致運(yùn)行在船舶電站上的負(fù)載總是處于動(dòng)態(tài)的變化當(dāng)中，因此，電網(wǎng)頻率和各機(jī)組的負(fù)載分配情況也會(huì)隨著工況的變化而相應(yīng)地波動(dòng)。為保障船舶用電設(shè)備的正常工作并最大限度發(fā)揮機(jī)組容量，必須采取相應(yīng)的措施以保證電網(wǎng)

2、頻率的穩(wěn)定和各機(jī)組負(fù)載的合理分配，本文采用PLC，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、工作可靠、反應(yīng)迅速的船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置。本文設(shè)計(jì)的船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置由一個(gè)主站和三個(gè)子站組成。主站是以Windows XP作為操作系統(tǒng)的工業(yè)PC控制機(jī)，對(duì)各個(gè)子站PLC進(jìn)行編程和狀態(tài)檢測(cè)。每個(gè)子站由一臺(tái)S7-300 PLC構(gòu)成，獨(dú)立控制一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，子站S7-300 PLC通過(guò)輸入模塊進(jìn)行各種信號(hào)的采集，由CPU模塊對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后通過(guò)輸出模塊發(fā)出各種控制信號(hào)。本文利用SIMATIC STEP7工業(yè)軟件來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的硬件組態(tài)和控制程序的編寫(xiě)，采用模塊化的編程思想主要設(shè)計(jì)了自動(dòng)起動(dòng)模塊、自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)模塊、自

3、動(dòng)調(diào)頻調(diào)載模塊、自動(dòng)解列與停機(jī)模塊。關(guān)鍵詞：船舶電站；調(diào)頻調(diào)載；PLCAbstractThe reliable working of ship power station has a very important effect on the safely and economically operating for ship, and frequency and load automatic control is one of the main functions for automatic ship power station. Due to the limited capacity for

4、 ship power station, some large motors capacity even can compare with the single generators capacity; Also the ship has a lot of working conditions, such as navigation condition、entry and exit condition、anchor condition、cargo condition and so on, these lead its load is always during dynamic variatio

5、n; therefore, the power lines frequency and each generators load distribution waves at the same time. To make sure the ship electro-equipment work normally and make full use of generators capacity, it is necessary to make adjustment accordingly to guarantee a steady frequency and reasonable load dis

6、tribution. The PLC is used in this text, designing frequency and load automatic control for ship power station with excellent function, reliable operation, rapid response.The ship power station frequency and load automatic control is composed of one operating station computer and three slave compute

7、rs in this text. Master computer is an industrial PC with Windows XP as the operating system, we use it to program for the slave computer and detect its state. Every slave computer, consisting of Siemens S7- 300 PLC, controls a generator independently. Slave computers collects all kinds of symbols t

8、hrough input modules, the CPU module analysis and process all kinds of data and then have all kinds of control symbols through output modules.The hardware configuration and control program for the system is designed by using SIMATIC Step7 industrial software in this text, mainly designing automatic

9、start module, automatic quasi-synchronous parallel operation module, automatic frequency and load regulation module, automatic parallel off and stop module.Keywords: Ship Power Station，F(xiàn)requency and Load Modulate，PLC目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc123841950 第1章 緒論 PAGEREF _Toc123841950 h 1 HYPERL

10、INK l _Toc123841951 1.1 船舶交流電力系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc123841951 h 1 HYPERLINK l _Toc123841952 1.2 船舶交流電站特點(diǎn) PAGEREF _Toc123841952 h 2 HYPERLINK l _Toc123841953 1.3 PLC在船舶交流電站中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc123841953 h 2 HYPERLINK l _Toc123841954 1.3.1 PLC概述 PAGEREF _Toc123841954 h 2 HYPERLINK l _Toc123841955 1.3.2 PLC應(yīng)用于船

11、舶交流電站自動(dòng)控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc123841955 h 3 HYPERLINK l _Toc123841956 第2章 船舶電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)原理 PAGEREF _Toc123841956 h 1 HYPERLINK l _Toc123841957 2.1船舶電力系統(tǒng)頻率變化原因 PAGEREF _Toc123841957 h 1 HYPERLINK l _Toc123841959 2.2 船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng) PAGEREF _Toc123841959 h 1 HYPERLINK l _Toc123841960 2.3調(diào)速器調(diào)速原理 PAGEREF _Toc

12、123841960 h 3 HYPERLINK l _Toc123841961 2.4調(diào)速器調(diào)速特性 PAGEREF _Toc123841961 h 4 HYPERLINK l _Toc123841962 2.5有功功率分配和調(diào)節(jié)原則 PAGEREF _Toc123841962 h 5 HYPERLINK l _Toc123841963 2.6自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載方法 PAGEREF _Toc123841963 h 6 HYPERLINK l _Toc123841964 2.7自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置工作原理 PAGEREF _Toc123841964 h 7 HYPERLINK l _Toc12384196

13、5 第3章 船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841965 h 8 HYPERLINK l _Toc123841966 3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及S7-300介紹 PAGEREF _Toc123841966 h 8 HYPERLINK l _Toc123841967 3.1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc123841967 h 8 HYPERLINK l _Toc123841968 3.1.2 S7-300系列PLC概述 PAGEREF _Toc123841968 h 9 HYPERLINK l _Toc123841969 3.2系統(tǒng)測(cè)控單元及其詳細(xì)配置 P

14、AGEREF _Toc123841969 h 10 HYPERLINK l _Toc123841970 3.2.1 測(cè)控單元設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841970 h 10 HYPERLINK l _Toc123841971 3.2.2船舶電站中應(yīng)用的傳感器 PAGEREF _Toc123841971 h 11 HYPERLINK l _Toc123841972 3.2.3 S7-300硬件組態(tài) PAGEREF _Toc123841972 h 12 HYPERLINK l _Toc123841973 第4章 船舶電站PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841973

15、h 16 HYPERLINK l _Toc123841974 4.1 PLC編程語(yǔ)言介紹 PAGEREF _Toc123841974 h 16 HYPERLINK l _Toc123841975 4.2 PLC控制系統(tǒng)程序總體框架 PAGEREF _Toc123841975 h 16 HYPERLINK l _Toc123841976 4.3系統(tǒng)主要模塊程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841976 h 17 HYPERLINK l _Toc123841977 4.3.1 自動(dòng)起動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841977 h 17 HYPERLINK l _Toc1238

16、41978 4.3.2 自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)模塊程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841978 h 19 HYPERLINK l _Toc123841979 4.3.3 自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載模塊程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841979 h 23 HYPERLINK l _Toc123841980 4.3.4 自動(dòng)解列與停機(jī)模塊程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc123841980 h 24 HYPERLINK l _Toc123841981 結(jié)論 PAGEREF _Toc123841981 h 26 HYPERLINK l _Toc123841982 致謝 PAGEREF _Toc12384

17、1982 h 27 HYPERLINK l _Toc123841983 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc123841983 h 28第1章 緒論1.1 船舶交流電力系統(tǒng)概述船舶交流電力系統(tǒng)主要由電源、配電裝置、電網(wǎng)和電力負(fù)載按照一定方式連接的整體，是船舶上電能產(chǎn)生、傳輸、分配和消耗等全部裝置的和網(wǎng)絡(luò)的總稱(chēng)。其單線(xiàn)圖如1-1所示。圖1.1 船舶電力系統(tǒng)示意圖(1) 船舶電源船舶電源是將其它形式能源（如機(jī)械能、化學(xué)能等）轉(zhuǎn)變成電能的裝置。船舶交流的電力系統(tǒng)電源主要由主發(fā)電機(jī)機(jī)組、應(yīng)急發(fā)電機(jī)機(jī)組、蓄電池組、岸電等組成。主發(fā)電機(jī)機(jī)組是船舶的主電源，發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，原動(dòng)機(jī)可分為柴油機(jī)、蒸汽機(jī)、汽輪

18、機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等。因?yàn)椴裼蜋C(jī)效率高、起動(dòng)快、機(jī)動(dòng)性好，所以在民用船舶上主發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)大多采用柴油機(jī)。隨著節(jié)能的需要，軸帶發(fā)電機(jī)以及廢氣汽輪發(fā)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，核能只用于軍艦及破冰船上。應(yīng)急發(fā)電機(jī)機(jī)組提供應(yīng)急電源，當(dāng)船舶主發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)生故障造成船舶主匯流排失電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)機(jī)組應(yīng)自動(dòng)起動(dòng)，建壓后應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘供電。蓄電池組通常作為臨時(shí)應(yīng)急電源，蓄電池組在船上主要用作臨時(shí)應(yīng)急照明電源、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組和救生艇柴油機(jī)的起動(dòng)電源、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)應(yīng)急電源。蓄電池組也可作為船內(nèi)通信設(shè)備如 、廣播、信號(hào)報(bào)警等系統(tǒng)的正常工作電源。另外，船舶?？看a頭時(shí)可以接岸電，通常岸電通過(guò)岸電箱接至岸電開(kāi)關(guān)

19、，并送至主配電盤(pán)進(jìn)行配電。(2) 船舶配電裝置船舶配電裝置是對(duì)船舶電源產(chǎn)生的電能進(jìn)行控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)和分配的裝置，它包括各種開(kāi)關(guān)電器、測(cè)量?jī)x表、互感器、母線(xiàn)、繼電保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備、各種輔助設(shè)備等。(3) 船舶電網(wǎng)船舶電網(wǎng)是全船供電電纜和電線(xiàn)的總稱(chēng)，其作用是將電源和各種負(fù)載聯(lián)系起來(lái)。船舶電網(wǎng)根據(jù)其所連接的負(fù)載性質(zhì)，可分為動(dòng)力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)、臨時(shí)應(yīng)急電網(wǎng)等。(4)船舶電力負(fù)載船舶電力負(fù)載又稱(chēng)船舶用電設(shè)備，它的形式很多，大體可分為以下幾類(lèi)：船舶各種機(jī)械的電力拖動(dòng)設(shè)備。船舶照明負(fù)載。 = 3 * GB3 船舶通導(dǎo)設(shè)備。船舶其他用電設(shè)備。1.2 船舶交流電站特點(diǎn)船舶交流電站與陸地上電站相

20、比有以下特點(diǎn)：(1) 船舶交流電站容量小。由于船舶電站只供給一條船上負(fù)載的需要，因此其單機(jī)容量和系統(tǒng)容量與陸地上相比要小得多（一般萬(wàn)噸船為1000kw左右），而某些大電動(dòng)機(jī)容量與電站容量可相比擬，因此相互影響大（電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓降落大，使發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和頻率波動(dòng)較大）。(2) 船舶電氣設(shè)備工作環(huán)境比陸地惡劣，影響設(shè)備工作的可靠性、正確性和壽命。環(huán)境溫度較高。相對(duì)濕度大：有時(shí)高達(dá)95100。 = 3 * GB3 存在鹽霧、霉菌、油霧，使導(dǎo)電金屬受到腐蝕，并使絕緣材料性能降低。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和風(fēng)浪引起的船舶搖擺、振動(dòng)和沖擊大，影響電氣設(shè)備動(dòng)作的可靠性和正確性。由于船舶艙室面積小，空間狹窄，故

21、電氣設(shè)備之間有較大的電磁干擾。(3) 船舶電站的發(fā)電設(shè)備與用電設(shè)備之間的距離很短，因此在計(jì)及電網(wǎng)壓降時(shí)，往往可以忽略電纜的電抗。1.3 PLC在船舶交流電站中的應(yīng)用1.3.1 PLC概述隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已應(yīng)用于幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)可分為幾類(lèi)：如可編程序控制器、基于PC總線(xiàn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、基于單片機(jī)的測(cè)控裝置、集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)等?？删幊绦蚩刂破魇菓?yīng)用面最廣、功能強(qiáng)大、使用方便的通用工業(yè)控制裝置，它已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logical Cont

22、roller）簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是上世紀(jì)60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。它以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，其集成度越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)及通信功能越來(lái)越強(qiáng)，可靠性和控制精度越來(lái)越好，這些都使PLC更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中。1.3.2 PLC應(yīng)用于船舶交流電站自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于船舶交流電站的控制，其最大特點(diǎn)是動(dòng)作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件，如繼電器、接觸器。在這種場(chǎng)合下，使用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)需要大量的中間繼電器，而在采用PLC控制的情況下，就可以對(duì)其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程后來(lái)取代這些中間

23、繼電器。PLC控制系統(tǒng)與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 更改控制邏輯只需修改軟件，無(wú)需對(duì)硬件作改動(dòng)；(2) 程序可以復(fù)制，批量生產(chǎn)很容易；(3) 電氣硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化；(4) 由于PLC除有繼電器功能外，尚有許多其他功能，可以實(shí)現(xiàn)繼電器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制功能，實(shí)現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化；(5) 可靠性高；(6) 具有擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，當(dāng)需要較多I/O時(shí)可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展。第2章 船舶電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)原理2.1船舶電力系統(tǒng)頻率變化原因船舶同步發(fā)電機(jī)頻率與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系=式中：船舶同步發(fā)電機(jī)的頻率，赫茲（）； 船舶同步發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)； 船舶同步發(fā)電機(jī)

24、原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，.發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其功率平衡方程為：=+式中：原動(dòng)機(jī)供給發(fā)電機(jī)的有功功率； 發(fā)電機(jī)負(fù)載所消耗的有功功率； 發(fā)電機(jī)通過(guò)負(fù)載電流時(shí)的機(jī)電損耗； 發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，決定于原動(dòng)機(jī)的進(jìn)油量（或進(jìn)氣量），當(dāng)該功率與發(fā)電機(jī)的負(fù)載功率和機(jī)電損耗平衡時(shí)，=0，機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）為恒定，當(dāng)功率平衡關(guān)系打破時(shí)，例如：突增（或突卸）某些負(fù)載時(shí)，即突然增大（或減少）時(shí)，原動(dòng)機(jī)的進(jìn)油量（或進(jìn)氣量）未能及時(shí)變化，則不變，這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)速（頻率）下降（或升高），即0（或0）。因此為維持頻率不變，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，必須及時(shí)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的進(jìn)油量（或進(jìn)氣量）。頻率是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，一般原動(dòng)機(jī)總是設(shè)計(jì)在額

25、定轉(zhuǎn)速時(shí)具有最高的效率，維持原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變（或頻率）在額定值不變，這部分工作要由調(diào)速器來(lái)完成。在船舶電站中，頻率的調(diào)整及有功功率分配均依賴(lài)于原動(dòng)機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)。2.2 船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)船舶電力系統(tǒng)負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功功率與頻率的關(guān)系一般表示為=*式中：負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功功率；電網(wǎng)頻率；負(fù)載功率與頻率的關(guān)系指數(shù)，對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)載，有不同的數(shù)值；比例系數(shù)。 按照船舶電力系統(tǒng)負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功功率與頻率的關(guān)系，可將船舶電力系統(tǒng)負(fù)載分為三種類(lèi)型：(1) 負(fù)載功率與頻率無(wú)直接關(guān)系，如白熾燈、電熱器等負(fù)載。(2) 負(fù)載功率與頻率成正比關(guān)系，如壓縮機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等，它們的轉(zhuǎn)矩約為常數(shù)，又稱(chēng)恒

26、轉(zhuǎn)矩負(fù)載。(3) 負(fù)載功率與頻率的三次方成正比關(guān)系的負(fù)載，如通風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)、水泵等。由于第二、三類(lèi)負(fù)載在船舶電力系統(tǒng)中占的比例較大，因此整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的有功負(fù)荷與電網(wǎng)的頻率有密切的關(guān)系。船舶電力系統(tǒng)總的有功負(fù)荷的變化與頻率的變化關(guān)系如下圖2-1所示。圖2-1負(fù)荷靜態(tài)頻率特性曲線(xiàn)從圖上來(lái)看，由于某種原因造成電網(wǎng)頻率下降時(shí)，船舶電力系統(tǒng)的總負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率也隨之下降，當(dāng)電網(wǎng)的頻率升高時(shí)，船舶電力系統(tǒng)的總負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率也隨之升高。由原動(dòng)機(jī)功率平衡方程式可知，電網(wǎng)頻率的下降（或上升），意味著原動(dòng)機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)功率小于（或大于）電網(wǎng)總負(fù)荷吸收的有功功率，而頻率的下降（或上升），又將使總

27、負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率相應(yīng)減少（或增加）?？梢?jiàn)，在船舶電力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率平衡被破壞而引起頻率變化時(shí)，負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率的變化起著積極的補(bǔ)償作用，使系統(tǒng)能在另一個(gè)頻率下得到新的平衡，負(fù)荷的這種補(bǔ)償作用稱(chēng)為船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)。盡管船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷有一定的調(diào)節(jié)效應(yīng)，對(duì)限制電網(wǎng)頻率的變化是有利的，但僅僅依靠這個(gè)效應(yīng)，還是無(wú)法滿(mǎn)足船舶電力系統(tǒng)的恒頻要求。如果不采取其它措施，船舶電力系統(tǒng)頻率的變化將是很大的，無(wú)法滿(mǎn)足船舶電力系統(tǒng)的要求。為保證船舶電力系統(tǒng)頻率的變化在一定的允許范圍內(nèi)，船舶發(fā)電機(jī)組必須專(zhuān)設(shè)調(diào)速器。2.3調(diào)速器調(diào)速原理在船舶電力系統(tǒng)中，頻率的調(diào)整及有功功率分配主要依賴(lài)于

28、原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器。船舶柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器的類(lèi)型主要有機(jī)械式調(diào)速器、液壓式調(diào)速器、電動(dòng)液壓式調(diào)速器、電子式調(diào)速器。目前我國(guó)船舶電力系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)大多仍采用離心式的機(jī)械調(diào)速器。由于機(jī)械調(diào)速器反應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)的頻率波動(dòng)很大；同時(shí)因機(jī)械調(diào)速器的調(diào)節(jié)彈簧的特性不一致性，導(dǎo)致并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組之間功率分配不均勻，并且維修也不方便。電子調(diào)速器與以往的機(jī)械式調(diào)速器相比，由于它的信號(hào)傳遞和控制調(diào)整是通過(guò)電信號(hào)來(lái)完成的，徹底擺脫了機(jī)械零件的慣性質(zhì)量和機(jī)械摩擦的影響，不僅能使電站供電頻率達(dá)到高精度的恒定，而且能使并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組之間有功功率分配均勻。電子調(diào)速器的基本組成如圖2-2所示。圖2-2電子調(diào)速器的基本組成

29、框圖速度傳感器是轉(zhuǎn)速的感應(yīng)環(huán)節(jié)，一般采用磁電式傳感器，用于監(jiān)測(cè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，由磁性速度傳感器產(chǎn)生的交流電壓的頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速成比例，經(jīng)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)中的頻率電壓變換器轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)；負(fù)荷傳感器用于監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)負(fù)荷（如：電壓、電流、相位）的變化并按比例轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)；速度控制單元是電子調(diào)速器的核心，它接受來(lái)自速度傳感器和負(fù)荷傳感器的電信號(hào)，并按比例轉(zhuǎn)換成直流電壓后與轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器的設(shè)定電壓進(jìn)行比較，把比較后的差值送至電子控制裝置；電子控制裝置將差值電壓進(jìn)行PID控制運(yùn)算，然后通過(guò)功率放大后作為控制信號(hào)送往電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電磁式執(zhí)行器，它根據(jù)輸入的控制信號(hào)以電力方式拉動(dòng)柴油機(jī)

30、的油門(mén)進(jìn)行調(diào)速。電子調(diào)速器能在負(fù)載一有變動(dòng)而轉(zhuǎn)速尚未明顯變化之前就開(kāi)始調(diào)節(jié)燃油供給量，因此具有很高的調(diào)節(jié)精度，特別適用于自動(dòng)化程度高、供電要求高的現(xiàn)代船用發(fā)電機(jī)組。2.4調(diào)速器調(diào)速特性 調(diào)速器的調(diào)速特性是指在原動(dòng)機(jī)調(diào)速器的自動(dòng)調(diào)節(jié)下，機(jī)組的轉(zhuǎn)速（或頻率）與原動(dòng)機(jī)輸出的有功功率的關(guān)系。它又分為靜態(tài)調(diào)速特性和動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。靜態(tài)調(diào)速特性?xún)H指調(diào)速器調(diào)節(jié)完畢后的穩(wěn)定情況，如圖2-3所示。由圖可以看出，如果轉(zhuǎn)速(或頻率)隨輸出的有功功率的增加而下降，那么調(diào)速器的靜態(tài)調(diào)速特性稱(chēng)為下傾的有差調(diào)速特性（曲線(xiàn)2）。如果轉(zhuǎn)速（或頻率）不隨輸出的有功功率變化，則稱(chēng)為無(wú)差調(diào)速特性（曲線(xiàn)1）。 1無(wú)差調(diào)節(jié) 2有差調(diào)節(jié) 圖

31、2-3 靜態(tài)調(diào)速特性為了使發(fā)電機(jī)組能穩(wěn)定地并聯(lián)運(yùn)行，船舶發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的調(diào)速特性一般采用有差特性。調(diào)速器的有差調(diào)速特性一般用調(diào)差系數(shù)來(lái)表示=-=式中：有差調(diào)速特性的斜率通常調(diào)差系數(shù)在3%5%，規(guī)范規(guī)定：5%，這樣，調(diào)差系數(shù)就是有差調(diào)速特性曲線(xiàn)的斜率，且恒為正值，越小，則有差調(diào)速特性越平坦；反之越陡。當(dāng)有功負(fù)載變化量一定時(shí)，越小的機(jī)組，其頻率變化量相對(duì)較?。划?dāng)頻率變化量一定時(shí)，越小的機(jī)組，其有功負(fù)載變化量相對(duì)較大。船舶發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性指當(dāng)有功功率突變時(shí)，機(jī)組在調(diào)速器的自動(dòng)調(diào)節(jié)下，從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律。典型調(diào)速器動(dòng)態(tài)調(diào)速特性如圖2-4所示。 恢

32、復(fù)時(shí)間 圖2-4 動(dòng)態(tài)調(diào)速特性鋼制海船入級(jí)規(guī)范規(guī)定，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)（包括柴油機(jī)和汽輪機(jī)）須裝有調(diào)速器，其調(diào)速特性應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)突然卸去額定負(fù)載時(shí)，其瞬時(shí)調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的10%，穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%，穩(wěn)定時(shí)間（即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到波動(dòng)率為1%范圍的時(shí)間）不超過(guò)5。這些對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的要求，其實(shí)質(zhì)在于保證船舶電力系統(tǒng)的頻率波動(dòng)也在上述的范圍之內(nèi)。2.5有功功率分配和調(diào)節(jié)原則同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率是由原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化來(lái)的，隨著負(fù)載的變化需要經(jīng)常調(diào)整原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保持電網(wǎng)頻率的恒定。對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)間的有功功率分配，是通過(guò)改變各臺(tái)原動(dòng)機(jī)的油門(mén)大小，即單位時(shí)間進(jìn)

33、入氣缸的燃油量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。柴油機(jī)噴油量的大小，關(guān)系到柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的輸出功率。也就是說(shuō)，單機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的某一轉(zhuǎn)速(頻率)對(duì)應(yīng)某一輸出有功功率； 對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，某一頻率對(duì)應(yīng)著每臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出有功功率。所以，并聯(lián)機(jī)組有功功率分配與船舶電力系統(tǒng)頻率調(diào)整密切相關(guān)。船舶電力系統(tǒng)有功功率平衡被破壞時(shí)，會(huì)造成電網(wǎng)頻率的變化。因此調(diào)節(jié)頻率和調(diào)節(jié)有功功率是直接相關(guān)的，二者的調(diào)節(jié)歸根到底是調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的油門(mén)(柴油機(jī))的大小。在同容量、同型號(hào)的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)的總負(fù)荷的有功功率平均分配給參與運(yùn)行的各臺(tái)機(jī)組；當(dāng)采用不同容量的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則將系統(tǒng)總負(fù)荷的有功功率按各臺(tái)發(fā)電機(jī)容量成比例地分配給

34、各運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，以增強(qiáng)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。2.6自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載方法自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置維持船舶電力系統(tǒng)頻率恒定和有功功率平均分配（各機(jī)組容量相同）或按比例分配（各機(jī)組容量不同），實(shí)質(zhì)上是對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速器作出相應(yīng)的的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法歸納起來(lái)主要有以下五種：(1) 有差調(diào)節(jié)法利用具有有差調(diào)速特性且調(diào)差系數(shù)相近的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定及負(fù)載分配的頻載調(diào)節(jié)方法。這種方法無(wú)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置，無(wú)法進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，各機(jī)組只由具有有差特性的調(diào)速器來(lái)控制，因此不能很好地維持頻率恒定，負(fù)載分配一般也不均勻。此外，它不能自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷。(2) 主調(diào)發(fā)電機(jī)法這種方法是在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺(tái)作為“主調(diào)機(jī)”，當(dāng)電

35、網(wǎng)負(fù)荷變化而出現(xiàn)頻差時(shí)，由主調(diào)機(jī)組進(jìn)行頻率的二次調(diào)節(jié)，改變油門(mén)的開(kāi)度，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定，該主調(diào)機(jī)還承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的變化量。而參與并聯(lián)的其他機(jī)組則總是帶固定的負(fù)荷，稱(chēng)為“基載機(jī)”。主調(diào)發(fā)電機(jī)法原理簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是使主調(diào)機(jī)和基載機(jī)的功率因數(shù)不一致，且隨負(fù)載的變化而變化，這樣當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，調(diào)頻過(guò)程就會(huì)很慢，因?yàn)橹挥兄髡{(diào)機(jī)組在起調(diào)整作用。(3) 主從控制法主從控制法是在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺(tái)作為主控機(jī)，主控機(jī)的主要作用是維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。它不斷地把電網(wǎng)頻率與給定頻率相比較，當(dāng)電網(wǎng)頻率高于給定頻率時(shí)，其調(diào)節(jié)器輸出減速信號(hào)，通過(guò)主控機(jī)的調(diào)速伺服馬達(dá)調(diào)小原動(dòng)機(jī)的油門(mén)；反之，則加大油門(mén)，力圖維持電網(wǎng)

36、頻率的穩(wěn)定，有時(shí)也稱(chēng)其為Master，相應(yīng)地其余的機(jī)組稱(chēng)為Slaver，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)負(fù)荷分配，對(duì)頻率的變化則不過(guò)問(wèn)。(4) 虛有差法虛有差法是在參與并聯(lián)運(yùn)行的每一臺(tái)發(fā)電機(jī)上都裝設(shè)按頻差和功率分配差進(jìn)行調(diào)整的控制系統(tǒng)。在它們的控制下能經(jīng)常地保持電網(wǎng)的頻率為額定值，電力系統(tǒng)的負(fù)荷則按給定比例進(jìn)行分配。雖然每臺(tái)發(fā)電機(jī)所裝置的調(diào)速器仍為有差特性，且調(diào)差系數(shù)都不為零，也不會(huì)影響調(diào)整結(jié)果。這就是“虛有差”這一名稱(chēng)的含義。目前它在自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。(5) 積差法積差調(diào)整法是按頻差對(duì)時(shí)間的積分=來(lái)進(jìn)行調(diào)頻的，同時(shí)引入與各機(jī)組實(shí)際功率成正比的功率信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)校正負(fù)荷分配。它的特點(diǎn)是調(diào)整結(jié)束時(shí)總是保持恒

37、頻和按比例分配負(fù)荷。綜合比較這五種調(diào)頻調(diào)載的方法和對(duì)船舶電站的分析，本文采用應(yīng)用最廣泛的虛有差調(diào)節(jié)方法來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置。2.7自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置工作原理頻率及有功功率自動(dòng)調(diào)整裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置)是協(xié)助原動(dòng)機(jī)調(diào)速器自動(dòng)地保持電網(wǎng)頻率為額定值，并維持并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組之間有功功率均勻(或按發(fā)電機(jī)容量比例)分配的一種自動(dòng)化裝置。同時(shí)，它可以與自動(dòng)并車(chē)裝置配合使用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待并發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)，創(chuàng)造同步合閘的條件，并在同步投入之后，能使運(yùn)行機(jī)組負(fù)載自動(dòng)轉(zhuǎn)移。調(diào)頻調(diào)載裝置的基本原理都是通過(guò)頻率檢測(cè)環(huán)節(jié)和有功功率檢測(cè)環(huán)節(jié)，把匯流排頻率變化及各機(jī)組承擔(dān)的有功功率轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓(或電流)信號(hào)，并送

38、入到PLC的運(yùn)算環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)頻率偏差和有功功率分配的偏差向調(diào)整器發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使其進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的油門(mén)，從而使電網(wǎng)頻率維持在額定值和各機(jī)組間有功功率均勻(或按發(fā)電機(jī)容量比例)分配。第3章 船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及S7-300介紹3.1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置采用西門(mén)子公司的S7-300系列PLC為主控單元，系統(tǒng)的整體框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)整體框圖本文所設(shè)計(jì)的船舶電站共由三臺(tái)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，正常航行時(shí)一臺(tái)運(yùn)行，另外兩臺(tái)備用；進(jìn)出港、狹水道航行時(shí)或需要大功率運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，一臺(tái)備用。本系統(tǒng)

39、的硬件是由一臺(tái)工控PC機(jī)、三臺(tái)S7-300PLC和各個(gè)接口模塊組成，采用西門(mén)子S7-300PLC為控制核心，控制部分主要由一臺(tái)PC機(jī)和三臺(tái)PLC組成：PC機(jī)主要用于將應(yīng)用程序下載至PLC并對(duì)兩臺(tái)PLC的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，三臺(tái)S7-300控制器分別監(jiān)控各自的柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)PLC的硬件連接和程序設(shè)計(jì)相對(duì)于其它PLC是獨(dú)立的，它們各自通過(guò)各種傳感器、變送器等智能儀器儀表采集數(shù)據(jù)，并獨(dú)立的完成程序控制任務(wù)，再通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制發(fā)電機(jī)組。所以即使其中一臺(tái)PLC發(fā)生故障，都不會(huì)影響其它控制器的正常運(yùn)行。三臺(tái)PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS協(xié)議，利用編程實(shí)現(xiàn)它們之間的通訊；PC機(jī)與三臺(tái)P

40、LC之間的通訊采用MPI協(xié)議。3.1.2 S7-300系列PLC概述S7-300的CPU模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)為CPU）都有一個(gè)編程用的RS-485接口，有的有PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，可以建立一個(gè)MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò)或DP網(wǎng)絡(luò)。圖3-2為S7-300系列PLC的實(shí)物圖。1.電源模塊 2.后備電池 3.24V DC連接器 4.模式開(kāi)關(guān) 5.狀態(tài)和故障指示燈 6.存儲(chǔ)器卡(CPU 313以上) 7.MPI多點(diǎn)接口 8.前連接器 9.前蓋圖3-2 S7-300 PLCS7-300是中型PLC系統(tǒng)，具有模塊擴(kuò)展功能，設(shè)計(jì)緊湊，適合最大輸入、輸出1000點(diǎn)左右的控制應(yīng)用。S7系列PLC的C

41、PU中集成了中斷處理能力，如時(shí)間中斷、報(bào)警中斷、循環(huán)中斷等。S7-300系列PLC具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，如通過(guò)CP343-2模塊可以使S7-300系列PLC作為ASI（執(zhí)行器與傳感器接口）網(wǎng)絡(luò)中的主站，在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS的應(yīng)用中完全支持各種通信方式和服務(wù)，在主-從通信方式中，S7-300系列PLC既可以作為PROFIBUS-DP的主站，也可以作為從站；在主站間通信方式中，S7-300系列PLC利用不同的通信協(xié)議和服務(wù)可以非常靈活地與通信方進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，S7-300系列PLC之間或與HMI（Human-Machine Interface, 人機(jī)接口）可以進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的通

42、信，利用基于以太網(wǎng)的PROFINET總線(xiàn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。通過(guò)擴(kuò)展具有獨(dú)立處理能力的特殊模塊，例如功能模塊（FM），S7-300系列PLC可以實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)、單軸定位、具有插補(bǔ)功能的4軸路徑控制，而不會(huì)影響CPU的處理速度。S7-300系列PLC使用STEP7進(jìn)行編程，是S7系列PLC的主流產(chǎn)品。3.2系統(tǒng)測(cè)控單元及其詳細(xì)配置3.2.1 測(cè)控單元設(shè)計(jì)1 測(cè)量控制單元原理測(cè)量控制單元屬于過(guò)程控制級(jí)，直接與柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的傳感器、變送器、伺服馬達(dá)、各空氣開(kāi)關(guān)接觸器線(xiàn)圈相連，來(lái)完成整個(gè)電站的控制與監(jiān)測(cè)過(guò)程。機(jī)組的測(cè)量控制單元包括模擬量輸入/輸出、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、鍵盤(pán)輸入、聲光報(bào)警等

43、。圖3-4為測(cè)量控制單元原理框圖。圖3-4 測(cè)量控制單元原理框圖 2 S7-300與發(fā)電機(jī)組之間的信號(hào)由于在設(shè)計(jì)中每臺(tái)發(fā)電機(jī)組所測(cè)量的信號(hào)數(shù)據(jù)類(lèi)型完全相同，在此只列出一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的輸入/輸出信號(hào)和電網(wǎng)信號(hào)之間的聯(lián)系。 PLC與發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)之間信號(hào)如圖3-2所示。圖3-5 PLC與發(fā)電機(jī)組之間的信號(hào)圖(1) 關(guān)于原動(dòng)機(jī)的信號(hào)：原動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速、滑油壓力、冷卻水溫度、起動(dòng)空氣壓力、排煙溫度。(2) 關(guān)于同步發(fā)電機(jī)的信號(hào)：發(fā)電機(jī)繞組溫度、發(fā)電機(jī)端電壓、電流、有功功率、電壓頻率、發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)的相位差。(3) 關(guān)于電網(wǎng)的信號(hào)：電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)總有功功率、總電流、電網(wǎng)頻率、各空氣開(kāi)關(guān)線(xiàn)圈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。(4

44、) PLC發(fā)出的控制信號(hào)(模擬量和開(kāi)關(guān)量)：柴油機(jī)組起動(dòng)、停機(jī)，發(fā)電機(jī)并車(chē)、解列，柴油機(jī)組升速脈沖、減速脈沖。3.2.2船舶電站中應(yīng)用的傳感器在船舶電站控制系統(tǒng)中，必須采集有用的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如頻率、電壓、相位、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、功率、空氣開(kāi)關(guān)線(xiàn)圈的通斷狀態(tài)等?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集的主要任務(wù)，就是真實(shí)的反映測(cè)控對(duì)象的狀態(tài)，包括測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性，同時(shí)還應(yīng)該使測(cè)量信號(hào)與PLC輸入接口電平相匹配，并應(yīng)滿(mǎn)足可靠性的要求。船用傳感器、變送器及接口電路大致如圖3-6所示。圖3-6 傳感器、變送器及接口電路圖 (l)轉(zhuǎn)速傳感器：在現(xiàn)代的船舶電力系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法有兩種:脈沖式測(cè)速傳感器和測(cè)速發(fā)電機(jī)。但隨著可編程控制器

45、的廣泛應(yīng)用和現(xiàn)代船舶控制系統(tǒng)的高精度要求，測(cè)速發(fā)電機(jī)己經(jīng)淡出了其原有的舞臺(tái)。光電編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)正比于發(fā)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，把該脈沖信號(hào)送入PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可換算出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(2)溫度傳感器：集成傳感器具有測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好、體積小巧、重復(fù)性好、線(xiàn)性?xún)?yōu)良、熱容量小、輸出信號(hào)大等優(yōu)點(diǎn)。此外，驅(qū)動(dòng)電路也可以一起集成，封裝入小型管殼中，使它的性能和靈敏度顯著提高，帶負(fù)載能力增強(qiáng)，從而大大地簡(jiǎn)化了實(shí)用測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)。如果對(duì)于同一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)采取傳感器并聯(lián)，則可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量取平均值，從而提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。(3)壓力傳感器：在船舶電力系統(tǒng)中，用于各種壓力或壓差參數(shù)的監(jiān)測(cè)傳感器主要有

46、彈性敏感元件、壓電晶體、電阻應(yīng)變片等。此系統(tǒng)選用變壓力傳感器，這種傳感器是利用電阻應(yīng)變片測(cè)量原理制成的。其主要包括彈性元件和電阻應(yīng)變片兩個(gè)部分。彈性元件將壓力轉(zhuǎn)換為位移變形，然后電阻應(yīng)變片將彈性變形轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片阻值的變化，電阻應(yīng)變片的電阻信號(hào)可以通過(guò)電橋輸出。(4)開(kāi)關(guān)量傳感器：本監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)除了檢測(cè)模擬量信號(hào)外，還要檢測(cè)各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)，例如設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，繼電器、接觸器觸點(diǎn)通斷狀態(tài)等。對(duì)于這些開(kāi)關(guān)量信號(hào)，必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施，以防止輸入的信號(hào)引起瞬時(shí)高電壓干擾、過(guò)電壓、接口噪聲或接觸抖動(dòng)。3.2.3 S7-300硬件組態(tài)由于在船舶電站頻載調(diào)節(jié)

47、自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要采集的信號(hào)的種類(lèi)和數(shù)量繁多，如果采用集中式的I/O設(shè)備，會(huì)需要大量的電纜來(lái)傳輸信號(hào)，而且可能由于信號(hào)的采集地離可編程序控制器距離較遠(yuǎn)，需要傳送信號(hào)的電纜很長(zhǎng)，這樣信號(hào)的衰減就很?chē)?yán)重，影響信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，而且電纜的數(shù)量很多，各電纜之間可能也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾影響信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，所以在這種情況下本文使用SIMATIC ET200系列分布式I/O設(shè)備，使可編程序控制器系統(tǒng)中的CPU位于中央位置，輸入和輸出I/O設(shè)備在信號(hào)采集的本地分布式運(yùn)行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP鏈接，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，可以確保CPU和I/O設(shè)備之間穩(wěn)定、暢通地進(jìn)行通信。在對(duì)PLC的選配工作進(jìn)行之前，

48、需要對(duì)測(cè)控對(duì)象和控制任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，然后才能確定系統(tǒng)的規(guī)模、機(jī)型和配置。據(jù)規(guī)劃，本船舶電站頻載調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)每臺(tái)S7-300PLC的CPU采用CPU315-2DP，各CPU需要配置的不同性質(zhì)的I/O點(diǎn)如下:48個(gè)數(shù)字量輸入，32個(gè)數(shù)字量輸出，6個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出?？紤]到在前面的設(shè)計(jì)中I/O點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，并考慮到I/O端的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出的I/O點(diǎn)總數(shù)的基礎(chǔ)上，增加10%15%的冗余，考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，選定的PLC機(jī)型的I/O能力極限值必須大于I/O點(diǎn)數(shù)估算值，并盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30%左右的冗余。配置的模塊如表3-6所示。

49、表3-7 PLC模塊配置表名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量用途CPUCPU315-2DP1處理器模塊DISM3212數(shù)字量輸入模塊DOSM3223數(shù)字量輸出模塊AISM3311模擬量輸入模塊AOSM3321模擬量輸出模塊計(jì)數(shù)器FM350-11ET200M計(jì)數(shù)模塊接口IM1531ET200M接口模塊(1) 中央處理器CPU315-2DPCPU內(nèi)的元件分裝在一個(gè)牢固而緊湊的機(jī)殼內(nèi)，面板上有狀態(tài)和故障指示LED、模式開(kāi)關(guān)和通信接口。存儲(chǔ)器插槽可以插入MMC微存儲(chǔ)卡，用于擴(kuò)展容量和斷電后程序數(shù)據(jù)的保存。CPU315-2DP裝載存儲(chǔ)器的基本容量為48K字節(jié)或84K字節(jié);它的執(zhí)行運(yùn)算速度很快，每執(zhí)行1000條二進(jìn)制指令約需0

50、.3微秒;最大可擴(kuò)充1024點(diǎn)數(shù)字量輸入輸出或128個(gè)模擬量通道。(2) ET200M分布式I/O在以往的船舶自動(dòng)化系統(tǒng)中，PLC的I/O模塊與傳感器、執(zhí)行器機(jī)構(gòu)之間需要通過(guò)大量電纜連接，這不僅增加了安裝的工作量，也增加了安裝費(fèi)用和發(fā)生故障的機(jī)率。應(yīng)用分布式I/O模塊，可將I/O模塊就近放置于各傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)附近，在PLC和模塊及現(xiàn)場(chǎng)器件之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接，可克服中央I/O模塊的上述缺點(diǎn)。本文采用的ET200M是多通道模塊化的分布式I/O，采用S7-300全系列模塊，ET200M由一個(gè)IM153和多個(gè)S7-300 的I/O模塊組成，IM153包含用于信號(hào)模塊(SM)、

51、功能模塊(FM)的接口模塊。本系統(tǒng)的硬件設(shè)備組態(tài)圖如圖3-8所示圖3-8 系統(tǒng)硬件設(shè)備組態(tài)圖本系統(tǒng)通過(guò)MPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與三臺(tái)PLC的通信，把程序下載到PLC中，通過(guò)PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行主從站之間的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是多主站多從站系統(tǒng)，主站與主站之間使用令牌傳送控制的通信，主站與從站(I/O設(shè)備)之間使用主/從輪詢(xún)方式通信，有時(shí)是這兩種方式的混合方式。令牌是一種特殊信息幀，它將發(fā)送權(quán)從一個(gè)主站傳向下一個(gè)主站，它必須在每個(gè)最大令牌循環(huán)時(shí)間內(nèi)分配給每個(gè)主站一次。令牌傳送方法確?？偩€(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)在一個(gè)明確定義的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分配。對(duì)于相同狀態(tài)的兩個(gè)主站之間通信，必須確保在給定的間隔內(nèi)，每個(gè)站都有機(jī)

52、會(huì)來(lái)處理通信任務(wù)；對(duì)于一個(gè)主站和與之相連的I/O之間的通信，必須盡可能少的耗費(fèi)實(shí)現(xiàn)周期性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。主/從原則使得當(dāng)前擁有令牌的主站(主動(dòng)節(jié)點(diǎn))可以訪(fǎng)問(wèn)分配給它的從站(被動(dòng)節(jié)點(diǎn))。主站可以向從站發(fā)送信息或者從從站取得信息，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖如圖3-9所示。圖3-9 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖第4章 船舶電站PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.1 PLC編程語(yǔ)言介紹STEP7是S7-300系列PLC的編程軟件。梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖是標(biāo)準(zhǔn)的STEP7軟件包配備的3種基本編程語(yǔ)言，它們可以在STEP7中相互轉(zhuǎn)換。梯形圖 (LAD)是使用的最多的PLC圖形編程語(yǔ)言。梯形圖與繼電器電路很相似，具有直觀(guān)易懂的優(yōu)點(diǎn)，很

53、容易被熟悉繼電器控制的電氣工作人員掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。梯形圖由觸點(diǎn)、線(xiàn)圈和用方框表示的指令框組成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，例如外部的開(kāi)關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等。線(xiàn)圈通常代表邏輯運(yùn)算的結(jié)果，常用來(lái)控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的標(biāo)志位等。指令框用來(lái)表示定時(shí)器、計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等指令。本論文采用梯形圖來(lái)對(duì)PLC進(jìn)行編程。4.2 PLC控制系統(tǒng)程序總體框架本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要涉PLC控制系統(tǒng)部分，采用功能模塊子程序結(jié)構(gòu)，設(shè)置好每個(gè)模塊的入口與出口，利用CPU315-2DP調(diào)用子程序的功能使各個(gè)功能模塊連接在一起，使整個(gè)程序?qū)哟畏置?、結(jié)構(gòu)清晰。各主要模塊有：自動(dòng)起動(dòng)模塊、自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)模塊

54、、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載模塊、自動(dòng)解列與停機(jī)模塊。其框架圖如圖4-1所示。圖4-1 PLC控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)主程序自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)電站工作狀態(tài)，針對(duì)不同的狀態(tài)做出綜合計(jì)算和邏輯分析，判斷需要完成什么工作，從而決定調(diào)用哪一個(gè)功能子程序來(lái)完成該工作：被調(diào)用的功能子程序一旦執(zhí)行完畢，又返回主程序中繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)就如此反復(fù)地運(yùn)行。4.3系統(tǒng)主要模塊程序設(shè)計(jì)4.3.1 自動(dòng)起動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)船舶電站需要自動(dòng)起動(dòng)一臺(tái)備用機(jī)組的情況有很多種，如：1當(dāng)單機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率不能滿(mǎn)足負(fù)載需要時(shí)，這時(shí)候船舶電站的自動(dòng)控制裝置應(yīng)該能夠自動(dòng)地起動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組。2當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)的電壓或頻率不正常時(shí)，

55、這時(shí)候需要自動(dòng)起動(dòng)一臺(tái)備用機(jī)組。3 當(dāng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中原動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，如滑油壓力不正常，冷卻水出口溫度不正常，排煙溫度過(guò)高時(shí)，這時(shí)候應(yīng)能自動(dòng)起動(dòng)一臺(tái)備用機(jī)組，而且有故障的運(yùn)行機(jī)組應(yīng)能自動(dòng)停機(jī)。4 當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)起動(dòng)一臺(tái)備用機(jī)組。當(dāng)船舶電站自動(dòng)裝置檢測(cè)到上述幾種需要自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組條件時(shí)，即產(chǎn)生增機(jī)要求，同時(shí)檢測(cè)相應(yīng)機(jī)組起動(dòng)邏輯條件，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)發(fā)起動(dòng)指令。自動(dòng)起動(dòng)模塊流程圖如圖4-2所示。圖4-2 自動(dòng)起動(dòng)模塊程序流程圖4.3.2 自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)模塊程序設(shè)計(jì)當(dāng)前，對(duì)于交流同步發(fā)電機(jī)組組成的船舶電站已經(jīng)有多種模擬電路的自動(dòng)同步并車(chē)裝置，然而研究使用PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)仍有積極的實(shí)

56、際意義。因?yàn)樗c模擬裝置相比，功能結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，而且系統(tǒng)本身抗干擾能力及可靠性都有所提高，開(kāi)發(fā)成本降低，而且控制更加靈活，還可以方便地進(jìn)一步擴(kuò)展。準(zhǔn)同步并車(chē)方式是目前船舶上普遍采用的一種并車(chē)方式，要求待并機(jī)組和運(yùn)行機(jī)組兩者的電壓、頻率和相位都調(diào)整到十分接近的時(shí)候，才允許合上待并機(jī)組主開(kāi)關(guān)。采用這一方式進(jìn)行并車(chē)引起的沖擊電流、沖擊轉(zhuǎn)矩和母線(xiàn)電壓的下降都很小，對(duì)電力系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生不利的影響，但是，由于某種原因造成非同步并車(chē)時(shí)，則沖擊電流很大。最嚴(yán)重時(shí)可與機(jī)端三相短路電流相同，所以并車(chē)操作應(yīng)嚴(yán)格小心，這是準(zhǔn)同步并車(chē)方式的缺點(diǎn)。對(duì)于三相交流同步發(fā)電機(jī)組，理想并車(chē)條件是待并機(jī)的電壓=與運(yùn)行機(jī)（或電網(wǎng)）的電

57、壓=之間須同時(shí)滿(mǎn)足如下條件： (1)電壓的有效值相等，即=;(2)頻率相等，即;(3)相位或初相角相等，即;(4)相序一致。符合上述條件，則待并發(fā)電機(jī)的電壓矢量與電網(wǎng)矢量完全重合，而且同步運(yùn)行。此時(shí)并車(chē)，沖擊電流最小，這就是準(zhǔn)同步并車(chē)的理想情況。自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)裝置可分為兩類(lèi):(l)采用恒定越前時(shí)間的自動(dòng)并車(chē)裝置裝置發(fā)出合閘信號(hào)提前的時(shí)間恰好等于發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，采用這種方法的自動(dòng)并車(chē)裝置在理論上稱(chēng)作恒定越前時(shí)間的自動(dòng)并車(chē)裝置。這種方法可以做到在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓相位完全重合的條件下合閘。但實(shí)際上由于主開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間不固定，所以可能會(huì)稍有偏差。(2)采用恒定越前相角的自動(dòng)并車(chē)裝置此裝置在給

58、定的越前相角下發(fā)出合閘信號(hào)，此時(shí)越前時(shí)間并不是一個(gè)確定的數(shù)值，它取決于并車(chē)時(shí)的角頻差。因此，這種裝置在原理上就不能保證完全準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步并車(chē)的條件。一般而言，在發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間較短的情況下，上述兩種自動(dòng)并車(chē)裝置都可以得到很成功的運(yùn)用。但是，當(dāng)主開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)就不能采用恒定越前相角的并車(chē)裝置，因?yàn)樵谶@種情況下發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)引起電流和功率的不平衡，因此本文采用的是恒定越前時(shí)間的自動(dòng)并車(chē)裝置。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)模塊包括電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)、頻率檢測(cè)環(huán)節(jié)和相位檢測(cè)環(huán)節(jié)三個(gè)子程序，其自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)的原理框圖如圖4-8所示。圖4-8自動(dòng)準(zhǔn)同步并車(chē)原理框圖電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)：電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)是將電

59、網(wǎng)電壓和待并機(jī)的電壓先進(jìn)行降壓、整流、濾波成直流電壓，然后將處理后的電壓送入PLC的電壓比較環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部的運(yùn)算環(huán)節(jié)算出電壓差，然后分析其電壓差是否在合理范圍內(nèi)，如果在合理范圍內(nèi)，則進(jìn)入下一子程序，即頻率檢測(cè)環(huán)節(jié)；如果所得的電壓差不在合理范圍內(nèi)，則發(fā)出調(diào)壓控制信號(hào)，如果經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)電壓差仍然不滿(mǎn)足要求，則發(fā)出電壓閉鎖信號(hào)，使程序不進(jìn)入到下一個(gè)子程序，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。頻率檢測(cè)環(huán)節(jié)：頻率檢測(cè)環(huán)節(jié)是自動(dòng)并車(chē)的重要環(huán)節(jié)，理論上在并車(chē)時(shí)要求在網(wǎng)機(jī)的頻率應(yīng)和待并機(jī)的頻率相等，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，要做到完全相等是相當(dāng)困難的，所以在實(shí)際的自動(dòng)并車(chē)裝置中，只要頻率差在一定的允許范圍內(nèi)，就可以并車(chē)?？紤]

60、到系統(tǒng)的振蕩問(wèn)題，頻率差一般不能太大也不能太小。這是因?yàn)轭l差很小時(shí)脈動(dòng)周期長(zhǎng)，甚至呆滯不動(dòng)要捕捉相角重合時(shí)刻就很困難，不利于發(fā)電機(jī)快速并聯(lián)運(yùn)行，所以當(dāng)脈動(dòng)周期大于一定值時(shí)要發(fā)出擾動(dòng)信號(hào)使頻率增加，這就是呆滯擾動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并車(chē)時(shí)的頻差為0.10.3。相位檢測(cè)環(huán)節(jié)：相位檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行的三大條件之一，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并聯(lián)運(yùn)行的難點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為盡可能在同相點(diǎn)準(zhǔn)確合閘，除檢測(cè)在網(wǎng)機(jī)和待并機(jī)的相位差之外，還必須考慮各種主空氣開(kāi)關(guān)固有的合閘動(dòng)作時(shí)間，根據(jù)檢測(cè)的相位差和固有的合閘動(dòng)作時(shí)間來(lái)計(jì)算合閘提前量。本裝置采用恒定超前時(shí)間法獲取合閘提前量。先把各發(fā)電機(jī)組的正弦電壓通過(guò)波形變換電路變?yōu)橥l方波，