船舶电站监控系统的设计与应用分析.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 17 船舶电站监控系统的设计与应用分析 牛二春 上海船舶运输科学研究所有限公司，上海 200135 摘要：摘要：本文主要探讨船舶电站监控系统的设计与应用。首先介绍了船舶电站监控系统体系结构的发展，包括船舶自动化电站组成和保护功能。然后详细介绍了船舶电站自动监控系统的 PLC 设计，包括基于 PLC 的船舶电站监控系统的总体构成和监控系统硬件设备选用。最后通过船舶电站系统应用案例，展示了船舶电站监控系统的实际应用效果。船舶电站监控系统通过实时监测船舶电站的运行状态和参数，及时发现并解决潜在问题，提高船舶电站的可靠性和安全性。关键词：关键词：船舶电站；监控系统；自动化；PLC；安全性 中图分类号：中图分类号：U66 0 引言 随着船舶的发展和技术的进步，船舶电站的重要性日益突显。船舶电站不仅为船舶提供必要的电力供应，还负责驱动船舶上的各种设备和系统。为了确保船舶电站的正常运行和安全性，船舶电站监控系统应运而生。1 船舶电站监控系统体系结构的发展 1.1 初期的船舶电站监控系统 最早期的船舶电站监控系统采用的是传统的硬件控制方式，包括电气仪表和开关控制等，这种系统的缺点是可靠性不高、维护成本高以及无法实现远程监控，随着船舶电力需求的增长和技术的进步，船舶电站监控系统开始采用计算机控制系统。1.2 计算机控制系统的引入 计算机控制系统的引入使船舶电站监控系统的功能和性能得到了极大的提升，计算机控制系统可以实现对电力系统的自动化控制和监测，大大减少了人工操作的工作量和错误率，此外，计算机控制系统还可以实现数据的存储和分析，提供实时的电力系统状态和性能指标，这种系统的优点是操作简便、可靠性高、维护成本低以及具有远程监控的能力1。1.3 网络化和智能化 随着网络技术和智能化技术的发展，船舶电站监控系统逐渐实现了网络化和智能化，网络化使得不同部分的电站监控系统可以实现数据的共享和传输，提高了系统的整体性能和效率，智能化技术则通过引入人工智能算法和机器学习技术，实现对电力系统的智能分析和优化。这样可以提高系统的自动化程度和能源利用效率，减少能源的浪费和排放。1.4 数据安全和故障诊断 随着船舶电站监控系统的发展，数据安全和故障诊断成为了系统设计的重要考虑因素，船舶电站监控系统需要保证数据的安全性和完整性，防止数据泄露和篡改，同时，系统还需要具备故障诊断的能力，能够及时发现和修复电力系统的故障，确保船舶的安全运行。1.5 系统集成和云平台 为了进一步提高船舶电站监控系统的性能和功能，系统集成和云平台的概念被引入，系统集成将不同的子系统和模块进行整合，提供一个统一的接口和操作界面，这样可以方便用户对系统进行管理和控制，提高用户体验。云平台则可以实现对船舶电站监控系统的远程管理和监控，用户可以通过云端平台随时随地对系统进行监控和控制2。2 船舶自动化电站组成和保护功能 2.1 船舶电力系统的组成（1）电源 船舶电力系统的电源主要包括发电机和电池，发电机是船舶电力系统的主要电源，可以通过燃油或其他能源驱动。电池主要用于应急电力供应，当发电机故障或停机时，电池可以提供短时间的电力支持。（2）配电装置 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 18 配电装置将发电机产生的电能分配到各个电力负载上。配电装置包括开关柜、断路器、接触器等设备，可以实现对电力负载的分配和控制。（3）船舶电力网 船舶电力网是船舶电力系统的主要传输通道，将电能从发电机传输到各个电力负载。船舶电力网由电缆和开关设备组成，具有较高的电压和电流。（4）电力负载 电力负载是指船舶上需要使用电能的设备，如船舶的主机、辅机、船舶设备等。电力负载的种类繁多，不同的负载对电力系统的要求也不同。2.2 船舶自动化电站的自动控制功能 船舶自动化电站具有多种自动控制功能，可以提高电力系统的运行效率和可靠性。以下是一些常见的船舶自动化电站的自动控制功能：（1）电压自动调整 船舶电站可以根据电力负载的变化自动调整电压，以保持电力系统的稳定运行（2）机组自动起动 当电力需求增加时，船舶电站能够自动启动额外的发电机组，以保证电力供应的稳定。（3）首机自动投入 当电力需求减少时，船舶电站能够自动停止不需要的发电机组，以节省能源和减少燃料消耗3。（4）自动准同步并车 船舶电站能够自动将多个发电机组连接并行运行，以满足大功率负载的需求。（5）自动调频调载 船舶电站能够根据负载需求自动调整发电机组的频率和负载。（6）动转移负荷及分闸 船舶电站能够自动将负载从一台发电机组转移到另一台发电机组，以平衡负载和提高电力系统的可靠性。（7）机组自动停机 当电力需求减少到一定程度时，船舶电站能够自动停止不需要的发电机组，以节省能源和减少燃料消耗。（8）重载询问控制 船舶电站能够自动检测并控制负载的重载情况，以保护发电机组和电力系统的安全运行。（9 原动机预润滑预热控制 船舶电站能够自动控制发电机组的原动机预润滑和预热，以提高发电机组的启动性能和寿命。2.3 船舶电站的保护功能（1）船舶同步发电机外部短路保护 在船舶电站中，同步发电机是主要的发电设备之一，同步发电机的外部短路保护是船舶电站中的关键保护功能之一。外部短路是指发电机输出电路与船舶电网之间的短路故障，可能导致电流过大、发电机过热以及设备损坏等问题。因此，及时准确地检测和处理外部短路故障至关重要。船舶电站监控系统通常配备了专门的电流和电压传感器，用于监测同步发电机输出电路的电流和电压变化。当监测到电流或电压异常时，监控系统会立即触发保护装置，切断发电机与电网的连接，防止短路故障进一步扩大。同时，监控系统还会记录和报警异常情况，以便工作人员及时采取措施修复故障。（2）船舶同步发电机过载保护 船舶电站中的同步发电机容量有限，如果超过其额定负载运行，会导致设备过热、损坏甚至发生火灾等安全事故。因此，同步发电机过载保护是船舶电站中必不可少的保护功能之一4。过载保护主要通过监测发电机的电流和温度来实现。船舶电站监控系统会实时监测发电机的电流变化，并与额定负载进行比较。当电流超过额定负载一定的阈值时，监控系统会立即触发保护装置，切断发电机与电网的连接，防止发电机过载运行。此外，监控系统还会监测发电机的温度，当温度超过安全范围时，也会触发保护装置进行保护。（3）船舶同步发电机欠压保护 电力系统中的欠压是指电压低于正常运行范围的情况。在船舶电站中，同步发电机的电压过低可能会导致电力设备无法正常运行，甚至引起故障。因此，同步发电机欠压保护是船舶电站中的重要保护功能之一。船舶电站监控系统通过监测同步发电机的电压变化来实现欠压保护。当监测到发电机电压低于安全范围时，监控系统会立即触发保护装置，切断发电机与电网的连接，以防止设备受损。此外，监控系统还会中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 19 记录和报警异常情况，以便工作人员及时采取措施修复故障。（4）船舶发电机逆功率保护 逆功率是指发电机在发电运行状态下，由于负载的反向电流作用，使发电机成为负荷的功率源。逆功率会导致发电机负载过大，可能造成设备损坏，甚至发生故障，因此，逆功率保护是船舶电站中不可或缺的保护功能之一。船舶电站监控系统通过监测发电机的功率因素和负载电流来实现逆功率保护。当监测到发电机的功率因素变为负值，或负载电流反向流入发电机时，监控系统会立即触发保护装置，切断发电机与电网的连接，以防止逆功率造成设备损坏。此外，监控系统还会记录和报警异常情况，以便工作人员及时采取措施修复故障。3 船舶电站自动监控系统的 PLC 设计 3.1 基于 PLC 的船舶电站监控系统的总体构成 在船舶电站的自动化监控系统中，PLC(可编程逻辑控制器)是一种重要的设备，可实现对电站设备的监控、控制和数据处理等功能。本文将讨论基于 PLC 的船舶电站监控系统的总体构成，以及西门子 S7-300 PLC 应用技术和船舶电站监控系统的 Profibus-DP 总线结构。（1）西门子 S7-300 PLC 应用技术 西门子 S7-300 PLC 是一种常用的工业自动化控制设备，具有高性能、可靠性和灵活性的特点。在船舶电站监控系统中，使用 S7-300 PLC 可以实现对电站各个设备的监测与控制，包括发电机组、配电系统、船舶动力系统等。S7-300 PLC 具有多个通信接口，可以与其他设备进行数据交换，实现系统的集中监控和远程控制5。（2）船舶电站监控系统的 Profibus-DP 总线结构 船舶电站监控系统采用 Profibus-DP 总线结构可以实现设备之间的高速数据传输和实时监控，如图一。下面将讨论 Profibus-DP 总线式分级设计思想、总线式结构的优点以及并联控制器(GPC)的简介。（3）Profibus-DP 总线式分级设计思想 Profibus-DP 总线式分级设计思想是将整个船舶电站监控系统划分为不同的层级，每个层级负责不同的功能。其中，最底层是现场设备层，负责采集各个设备的数据;中间层是现场控制层，负责对数据进行处理和控制;最上层是监控与管理层，负责对整个系统进行监控和管理。通过这种分级设计，可以实现系统的模块化和可扩展性。图 1 总线式电站监控系统总体结构（4）Profibus-DP 总线式结构的优点 采用 Profibus-DP 总线式结构的船舶电站监控系统具有以下优点：首先，总线式结构可以减少布线工作量，降低系统的维护成本。其次，总线式结构可以提高系统的可靠性和稳定性，因为总线可以自动检测和修复故障。第三，总线式结构可以实现设备之间的高速数据传输，提高系统的实时性和响应速度。最后，总线式结构可以实现设备的分布式控制，提高系统的灵活性和可扩展性。（5）并联控制器(GPC)简介 并联控制器(GPC)是船舶电站监控系统中的重要组成部分，用于实现对电站设备的监控和控制，GPC可以与 PLC 进行通信，接收 PLC 发送的指令，并根据指令控制相应的设备。GPC 具有独立的处理器和存储器，可以实现高效的数据处理和控制功能。此外，GPC 还可以连接多个 PLC，实现对电站设备的并行控制。3.2 监控系统硬件设备选用（1）上位机选用 上位机是船舶电站监控系统的核心控制终端，负责对系统进行监控和管理。在选用上位机时，需要考虑其性能、稳定性和可靠性。同时，上位机还需要具备良好的人机界面，便于操作和管理。常用的上位机品牌有西门子、施耐德等，可以根据具体需求进行选中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 20 择。（2）PLC 模块选用 PLC 模块是船舶电站监控系统中的核心设备，负责对各个设备进行控制和数据处理。在选用PLC模块时，需要考虑其性能、扩展性和可靠性。常用的 PLC 模块品牌有西门子、施耐德、欧姆龙等，可以根据具体需求选择不同规格和型号的 PLC 模块。（3）信号处理及传感器选用 信号处理和传感器是船舶电站监控系统中的重要组成部分，如图二，用于采集和处理设备的各种信号，在选用信号处理和传感器时，需要考虑其精度、稳定性和可靠性，常用的信号处理和传感器有温度传感器、压力传感器、流量传感器等，可以根据不同设备的监测需求进行选择。图 2 传感器是船舶电站监控系统 4 船舶电站系统应用案例 为了进一步说明船舶电站监控系统的重要性和优势，将介绍一个实际的船舶电站系统应用案例。该案例是基于 PLC 控制的船舶电站监控系统，应用于某艘远洋货轮。该船舶电站监控系统采用了西门子 S7-300 PLC 作为控制器，通过 Profibus-DP 总线实现了各个模块之间的高速通信和数据传输。上位机采用了工业级计算机，配备了专业的监控软件，可以实时监测和管理船舶电站的运行状态。在该船舶电站监控系统中，PLC 控制器实现了对船舶电站的自动化控制功能，包括电压自动调整、机组自动起动、首机自动投入、自动准同步并车、自动调频调载、动转移负荷及分闸、机组自动停机、重载询问控制、原动机预润滑预热控制等。同时，PLC 控制器还实现了船舶电站的保护功能，包括外部短路保护、过载保护、欠压保护和逆功率保护等。通过该船舶电站监控系统的应用，船舶的电力系统得到了有效的管理和控制，提高了船舶的安全性和运行效率。同时，该系统还具备良好的扩展性和可靠性，可以满足不同类型船舶的需求。5 结语 船舶电站监控系统的设计与应用是船舶电力系统领域的重要课题。通过对船舶电站监控系统的体系结构和功能进行研究，以及对 PLC 设计和硬件设备选用的分析，可以为船舶电站监控系统的实际应用提供指导和参考。船舶电站监控系统的设计与应用将进一步提高船舶的安全性、可靠性和工作效率，为船舶行业的发展做出贡献。参考文献 1牛海春,冯飞,秦富贞.基于 CAN 总线的船舶电站监控 系 统 及 其 数 据 融 合 方 法 J.自 动 化 应用,2020(6):18-20.2晋建厂,汪佳彪,赵俊超.船舶电站监控系统的 CAN通讯协议J.船舶工程,2019,41(09):76-80.3张蒙蒙,胡彩霞.基于 WinCCExplorer 与 S7-300 的船 舶 电 站 监 控 系 统 仿 真 设 计 J.黑 龙 江 科学,2019,10(14):35-37.4林建民.基于 PLC 的船舶电站监控系统研究J.科技风,2019(17):8.5何琪,毛攀峰,徐鹏.基于 STC 单片机技术的船舶电站监控系统设计J.机电信息,2017(18):10-11.