內容提要：根據船舶應急電站與主電站的關系以及對應急電站的控制要求，在主電網和應急電網、主配電板開關、聯絡開關、應急發電機組等硬件基礎上，自主設計基于PLC及其控制軟件替代繼電器（接觸器）的應急電站自動控制系統。
關鍵詞:船舶 電網 應急電站 PLC 自動控制
根據《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）和中國船級社(CCS)《鋼質海船入級與建造規范》（以下簡稱《規范》）關于應急電源設置及供電時間的規定，遠洋貨船多設置有應急發電機，以便在船舶主電源失效時向《規范》所規定設備（以下稱“重要設備”）供電，確保船舶安全。
應急發電機能否發揮其應有的效能，除發電機、電網等硬件外，還取決于其控制系統的功能及性能。
1應急電站（含自動控制系統）的功能及其實現
船舶電力供應系統包括主電站和主電網、應急電站和應急電網、小應急照明。其中，“重要設備”必須配置主電網和應急電網兩路電源。
主電站和主電網以及應急電站和應急電網的布置見圖1，從左到右，G1、G2、G3是主發電機，ACB1、ACB2、ACB3是主開關，MSB是主電網，MCB是主配電板開關，EMCB是聯絡開關，ESB是應急電網，EACB是應急發電機主開關，GE是應急發電機。
圖1應急電站與主電站的關系
應急電站的作用，是在主電站失效時向“重要設備”供電。
應急電站的控制系統，一般都具備手動、自動兩種操作模式。
手動操作模式，只有應急發電機遙控起動/停車、合閘/分閘等操作，無需自動控制。
自動操作模式，為保證應急電站的功能，設置應急電站自動控制系統，其功能至少有：
·保證主電網或應急電網均不由主電站和應急電站同時供電。
·不妨礙主電站向主電網供電前提下的本系統試驗，包括發電機組自動啟動（維護性試車只包括起動且運行2分鐘后自動停車）、聯絡開關EMCB跳閘、應急電站主開關EACB合閘向應急電網供電，等。
·維持應急電站的準啟動狀態，包括發電機組的周期性自動預潤滑、供油系統預供油、潤滑油和冷卻水自動加溫、蓄電池自動充電等。
·及時感知主電站失效。
·適時接通（延時5秒）/斷開（主電網恢復供電延時5秒）應急電網與主電網的電的聯系。
·應急發電機啟動（經延時確認45s內啟動，包括建立電壓、調整電壓和頻率，連續三次起動均不成功才作為起動失敗終止起動同時發出聲光報警）/停止（空載運行1分鐘后自動停車）。
·適時連接/斷開應急發電機與應急電網（供電和停止供電）。
·應急電站（原動機、發電機、配電板及相應開關）的保護，例如：應急發電機組起動成功經延時保護環節投入工作后，潤滑油壓過低（小于0.3MPa）、冷卻水溫過高（大于95℃），立即停車同時發出聲光報警信號，待故障排除且復位后才可再次起動；潤滑油溫、冷卻水壓異常發報警信號，等。
傳統的應急電站自動控制系統，多采用有觸點的繼電器構成邏輯和時序控制環節，即利用繼電器機械物理觸點的串/并聯、通/斷實現各種邏輯控制。
其中的第1項——“保證主電網或應急電網均不由主電站和應急電站同時供電”，由應急電站與主電站之間的電氣聯鎖實現：
·主電站正常時，主發電機（G1、G2、G3）經主開關（ACB1、ACB2、ACB3）向主電網MSB供電，同時經主配電板開關MCB和聯絡開關EMCB應急電網ESB供電。此時，應急發電機不能起動、合閘，應急電網ESB可視為主電網MSB的一部分。
·主電站失電，應急配電板上的聯絡開關EMCB自動分閘，經延時確認，應急發電機GE在45s內自動起動、EACB自動合閘向“重要設備”供電。
·主電站恢復供電，則EACB應自動分閘切斷供電，應急發電機立即自動停車。
其中的第2項——不妨礙主電站供電條件下自動控制系統系統的試驗，通過聯絡開關EMCB實現（該開關需采用框架式自動開關或使用配有上電合閘操作機構的自動開關）。
①開始試驗，只需將應急配電板上的試驗開關從工作位置扳到試驗位置，應急配電板的自動控制系統依次控制：
·應急配電板上聯絡開關EMCB跳閘（應急配電板失電）；
·原處于備用狀態的應急發電機組自動起動并建立電壓；
·主開關EACB合閘（應急電站向應急電網供電）。
此時，主電站與應急電站同時分別向主電網和應急電網供電，但兩個電網間沒有電的直接聯系。
②結束試驗，只需將試驗開關扳回工作位置，應急配電板檢測到主電網有電，其自動控制系統依次：
·主開關EACB跳閘（應急電站停止供電）；
·EMCB合閘（應急電網恢復由主電站供電）。
采用繼電器的應急發電機控制系統，接點多，線路復雜，尤其是因設置允許三次重復起動需確認各信號延時的情況下，需設置多個時間繼電器。而船舶環境惡劣（例如縱傾橫搖、振動、溫度、濕度、油霧、鹽霧、霉菌等），若維護不當，主電站失效時應急發電機可能無法起動，嚴重威脅船舶安全。
為此，有必要改進應急發電機控制系統，而如今電子技術的快速發展為此提供了有利條件。
本文根據船舶應急電站與主電站的關系以及應急電站的控制要求，在應急電網、主配電板開關MCB和聯絡開關EMCB、應急發電機組等硬件基礎上，設計基于PLC及其控制軟件替代繼電器（接觸器）的應急電站自動控制系統。
2基于PLC的應急電站自動控制系統的硬件構建
本設計，應急柴油發電機組采用蓄電池啟動，柴油機啟動發火即升至額定轉速，發電機建立電壓后即投入供電運行。
（1）選用PLC,因為其具有以下優點：
·專為惡劣的工業環境設計，硬、軟件兩方面都采取了提高抗干擾能力及可靠性的措施；
·采用存儲邏輯，控制邏輯以程序方式存儲在內存中，便于修改，極具“柔性”而無需改變外部接線；
·定時范圍可從1ms起定，精度高，且定時整定不受環境影響；
·具有通訊功能，便于與觸摸屏等結合構建良好的人機界面。
（2）選型
根據應急電站控制功能需要，13個輸入量都是電壓、溫度、壓力等傳感器轉換的開關量；10個輸出量也全為開關量，故選用有14DI/10DO的西門子S7-200系列CPU214，無需另加裝擴展模塊。
PLC輸入、輸出點設置及地址分配見表1。
表1 PLC的I/O設置及地址分配
|
序號 |
名稱 |
地址 |
序號 |
名稱 |
地址 |
|
1 |
手動 |
I0.0 |
1 |
起動 |
Q0.0 |
|
2 |
自動 |
I0.1 |
2 |
停車 |
Q0.1 |
|
3 |
遙控起動 |
I0.2 |
3 |
運行指示 |
Q0.2 |
|
4 |
模擬試驗 |
I0.3 |
4 |
合閘 |
Q0.3 |
|
5 |
滑油低壓 |
I0.4 |
5 |
分閘 |
Q0.4 |
|
6 |
冷卻水低壓 |
I0.5 |
6 |
起動故障 |
Q0.5 |
|
7 |
滑油高溫 |
I0.6 |
7 |
故障聲報警 |
Q0.6 |
|
8 |
泠卻水高溫 |
I0.7 |
8 |
油壓低指示 |
Q0.7 |
|
9 |
主電網失電 |
I1.0 |
9 |
水溫高指示 |
Q1.0 |
|
10 |
發電成功 |
I1.1 |
10 |
故障輸出 |
Q1.1 |
|
11 |
停車、復位 |
I1.2 |
|||
|
12 |
試燈 |
I1.3 |
|||
|
13 |
手/自動合閘 |
I1.4 |
（3）應急電站自動控制系統
根據應急電站的運行特點及其對控制系統的要求，基于S7-200PLC及其控制硬件構建的應急電站自動控制系統見圖2。
圖2應急發電機控制系統
本系統中，硬件連接簡單，輸入、輸出全部為開關量信號。圖中：
C1檢測應急發電機電壓，應急發電機建壓，C1有電，其常開觸電閉合，PLC輸入點I 1.1為1；
C2檢測主電網電壓，主電網失電，C2常開觸點斷開，PLC輸入點I 1.0為0，起動應急發電機；
C3是應急發電機起動接觸器；
P1是壓力傳感器，若運轉中應急發電機滑油低壓，PLC輸入點I0.4為1，系統將執行安全保護程序；
P2是壓力傳感器，當運轉中應急發電機冷卻水低壓，PLC輸入點I0.5為1，系統執行安全保護程序；
T1是溫度傳感器，當運轉中應急發電機冷卻水高溫，PLC輸入點I0.7為1，系統執行安全保護程序；
T2是溫度傳感器，當運轉中應急發電機滑油高溫，PLC輸入點I0.6為1，系統將執行安全保護程序；
R1～R8都是中間繼電器。
3應急電站自動控制系統的程序（軟件）設計
應急發電機自動控制系統的程序，主要有起動模塊、安全保護模塊和停機模塊。
3.1起動程序設計
運行控制有三種方式：手動、自動和試驗，任一方式下都允許三次重復起動。
應急電站起動程序流程見圖3。
圖3應急發電機起動程序流程圖
（1）“自動”方式起動流程
①接受主電網失電信號，延時5s確認。
②發出起動信號，起動發電機組并建壓。
③5s內發電機組建壓成功→延時8s確認→指令主開關合閘向應急電網供電，同時監控警報投入工作；或5s內建壓不成功→停止起動信號10s→間隔15s后再次起動（共允許重復三次）→第65s終止起動，發出起動失敗報警信號。
（2）“手動”方式起動流程
起動信號由操作者發出，發電機建壓成功后手動合閘供電，其余流程與“自動”方式同。
（3）“試驗”方式起動流程
與手動、自動基本相同，只是不合閘供電，應急發電機組運行2分鐘后自動停止。
3.2安全保護程序設計
應急電站安全保護程序邏輯見圖4。
圖4故障報警及停機程序邏輯
系統安全保護程序功能是：
①采集相應監測傳感器送到來輸入點的信號，并確認。
②發出報警或同時保護停機：
·不會立即出現危險的故障，發出聲光報警（提醒值班人員注意）；
·可能即將出現危險的故障，發出聲光報警（提醒值班人員注意），且立即自動保護停機（保護停機后，即使故障排除，也需按停車復位開關后才能重新起動）。
3.3停機程序設計
應急發電機組，下列情況停機，程序邏輯見圖5。
圖5應急發電機停機程序邏輯
·發出起動指令5s后發電機未建立電壓，停機10s。
·連續三次啟動均未建立電壓，停機且不允許再起動。
·主電網恢復供電，供電狀態下的應急電站經延時2s確認后分閘，發電機組空載運行1分鐘后停機。
·模擬試驗，發電機組起動建壓成功，運行2分鐘后停機。
·發電柴油機滑油低壓和/或冷卻水高溫，延時1s確認后停機。
·手動開關置于停車位置，立即停機。
4結束語
本設計采用軟件實現控制邏輯及時序邏輯，完全適于舊船改造應急電站控制系統：
·可靠性高，某實船安裝運行，性能完全符合設計要求。
·硬件電路簡單，費用低廉,本系統中的PLC費用不到人民幣2千元。
作者：江蘇海事職業技術學院 王云華 來源：航海技術
