船舶电站自动化管理系统的设计与研究

摘 要：随着造船技术的进步，船舶对电站管理系统的经济性和可靠性要求逐渐提高，其运行的可靠性对船舶安全行使有很大意义，对船舶自动化程度的要求也越來越大。本文首先对船舶电站自动化管理系统进行了概述，然后分析了该系统的主要功能，最后从硬件和软件的角度提出设计思路，以供广大读者参考。

关键词：船舶电站管理系统；硬件设计；软件设计

一、船舶电站自动化管理系统概述

船舶电站是整个船舶系统的重要组成部分，其运行的可靠性对船舶安全行使有很大意义，并且随着现代船舶信息化技术的发展，船舶电站管理也开始向自动化和智能化方向靠拢。船舶电站自动化管理的优点主要包括：提高船舶电站供电能力、减少船员值班强度、维持供电的可靠性和持续性、提高船舶运行的效率等。

我国船舶自动化技术在发展过程中从当初的有触点控制系统逐渐向无触点控制系统转变，所以电路控制系统也发展为规模化、模块化和结构化的集成电路。目前我国很多船舶电站都采用了微机来控制，从而促使控制体积和重量大大下降，可靠性也得到了很大提高，控制方式也逐渐向软件控制过渡，使操作使用起来更加便捷。

集散控制系统是在一些先进的船舶电站自动化管理系统方面采用的主要设置系统，这种系统具有显示方式灵活、连接方式容易更改、数据存储量大等优势，并且在管理中还具有控制功能分散、可靠性高等优点，所以会逐渐取代计算机集中控制系统。

二、船舶电站自动化管理系统的主要功能

船舶电站管理系统主要是为了保证整个船舶的供电正常、提高劳动生产率、降低电站产生的费用等，并且随着自动化程度的提高，电站已经开始从以往那种局部的控制转向目前更为集中和综合的控制，成为整个船舶自动化的重要组成部分。

详细来说，船舶电站自动化管理系统的主要功能包括：第一，船舶电站管理系统可以自动启动备用发电机组，可以解决持续供电问题。当备用发电机处于停机状态时，如果有命令发电机启动的信号想起，那么这台备用发电机就会自动启动。第二，船舶电站管理系统可以准同步并联进行，降低成本。当备用发电机启动后，并且电网上已经有了发电机供电，这二者之间就可以实现配合工作，将启动的发电机自动并入到电网中并联使用。第三，船舶电站管理系统可以实现自动分配有功功率。如果电站中出现两台机组并联运行的情况，那么管理系统可以使电网频率维持在恒定状态，将有功功率按照机组容量比例分给两台机组。第四，船舶电站管理系统可以将解列的发电机组负载转移到正在运行的发电机组，然后还可以自动接收跳闸命令实现解列。第五，船舶电站管理系统可以自动卸载单元，如果电网负载超过了一定限度后，可以将次要的负载卸载。第六，船舶电站管理系统可以自动分配无功功率，管理系统可以自动调节单元，将电网电压维持在恒定状态，并能够自动调整并联状态下的无功功率。

三、船舶电站自动化管理系统的设计

（一）船舶电站自动化管理系统的硬件设计

首先从信号的采集和处理方面来分析，信号主要在发电机、柴油机和S7—300PLC测控单元之间传递，发电机的信号由电影、与电网的相位差产生；柴油机的信号包括各缸排烟温度、冷却水温度、冷却水压力、滑油压力等部分组成；S7—300PLC测控单元的控制信号主要包括柴油机启动、声速脉冲、发电机并网合闸等内容。测量控制单元选择了集散式船舶电站管理系统，可以直接与柴油机、发电机和电网相连，从而完成对整个电站的控制，电站机组的测量控制单元主要有开关量输出入、键盘输入、模拟量输出入等。检测单元是电站管理系统中非常重要的部分，主要是对现场信号进行采集，如实反映测控对象的状态，满足可靠性的要求。

其次从准同步并联控制单元功能的实现设计来看，该单元的主要功能包括：第一，对准备并发电机和运行发电机的相位差、频率差等方面进行检测，如果没有符合并联运行的要求，但那么久不能发出合闸命令。第二，对准备并发电机电压和正在运行发电机电压的频率差进行检测，并发出调频信号，将二者的频差减小到满足合闸的要求。第三，如果频率差和电压差都满足了要求，那么该单元就要提前发出合闸命令，从而实现自动准同步并联。电压信号、频率信号和信号的检测是这一设计的主要内容，从电压信号的检测来看，电压条件应该满足PLC模拟量模块的要求，并采用电压比较器来检测，如果检测到电压没有满足要求那么就要发出报警信号。从频率信号的检测来看，这一检测时为了实现自动调频功能，可以采用光电编码器来材质，控制对象频率为50Hz。从相位信号的检测方面来看，这是为了实现自动并联运行，也是其中的难点，在检测过程中要考虑到各种环境下的合闸动作时间，并根据检测的相位差等要素来计算合闸提前量。

最后从自动调频调载单元的功能设计方面来分析，这一单元的主要功能包括：第一，维持电力系统频率在恒定位置；第二，在接受解列命令后能够自动控制负荷转移，并且在一定情况下还可以自动分闸，从而与电网脱离；第三，根据发电机组容量的比例进行负荷分配。这一单元的设计内容包括频率调节的实现和有功功率的分配。频率调节的实现需要安装超频闭锁限值，这样在频率达到某种高限后，就可以禁止加速条件，从而闭锁加速调节信号，另外还会发出警报。有功功率转移和分配功能的实现是在控制器发出控制信号后，可以适当地加大油门，从而减少网机的油门，这样既实现了有功功率的转移；而有功功率的分配则是在发电机组并联运行状态下系统总负荷会按照有差调节特性来平均分配给并联的多台机组，还可以进行二次调节。

（二）船舶电站自动化管理系统的软件设计

首先从自动启动模块的子程序设计方面来看，这一程序是在电网功率不够的情况下发出增机信号，同时还可以检测到备用发电机的条件。如果出现了以上情况，那么该程序就会发出信号，子程序会检测是否存在机械故障，如果有故障就要转向下一台备用机组。目前在这一程序中还利用了计算机技术，可以发出自动启动的决策，主要呈现检测就可以听到信号后启动。

其次从自动准同步并联子程序设计方面来分析，该程序可以自动判断目前电站所处的状态，所以需要在该项程序中加入状态变量，那么在并联运行中，就可以对状态变量进行循环读取和分析，并根据判断的结果来决定各个子程序模块的使用。频率检测程序设计也是其中非常重要的内容，这一程序设计中的脉冲宽度要根据频差来决定，从而将调节次数控制在最小的范围内，这样既避免了振荡，有能够快速解决问题。

最后从自动调频调载程序设计方面来分析，这一程序主要是对电站的工作情况进行监控，编制这一系统的程序需要对船舶电站自动调频调载功能进行分析。根据检测的自动调频调载功能来编写控制程序，同时还有利用模块化设计思路，这样就可以完成稳频和均功的作用，所以其中的子程序主要包括均功模块和稳频模块，在发送报警时可以使用相应的子程序模块。在对自动调频调载的控制软件进行设计时，主要模块包括解列控制模块、功率检测模块频率检测模块等方面，而主模块程序在设定时注意过程应该包括：第一，如果是单机运行，那么就应该执行单机稳频调节；第二，如果是并联运行，并且负载也没有达到一定限值，那么就应该使用调频调载程序模块；第三，如果在并联运行时，负荷达到了一定限值，那么就应该使用解列模块，然后再进行网机的稳频操作。

参考文献：

[1] 张孟秋.船舶电站管理显示单元的设计与实现[D].大连海事大学，2010.

[2] 张江龙.船舶电力系统的分析与设计[D].大连海事大学，2010.

[3] 王加雷.船舶高压电站功率管理系统的设计与管理[D].大连海事大学，2011.

[4] 方杰.船舶电站自动调频调载系统的设计[D].武汉理工大学，2011.

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