关键字: 船舶电站, 控制系统, 分布式
Abstract: In order to realize the reliable control and safe operation and maintenance of ship power station, and enhance the automation degree of un manned engine room, the thesis has designed a novel distributed ship power automation system （network monitoring and management system） which can increase the reliability and economic effect, using advanced industrial control technology, computer technology and network programming technology.
Keywords: Ship Power Station; Control System; Distributed
1 引言
随着电子技术、计算机技术和网络通信技术的飞速发展,船舶自动化及管理正朝着全船自动化、超自动化及全数字化的方向发展。本文在认真研究和参考当今先进控制系统的基础上,考虑船舶电站控制系统的特点及其最新发展动态,研究了用PC机和多台OMRONPLC做CPU的新型的船舶电站分布式综合自动化控制系统。
2 电站自动化系统的总体结构
2.1全船自动化系统的构成
本文研究的船舶综合自动化系统是以微机局域网为基础的集散控制系统,是工业集散控制系统在船舶上的具体应用。图1给出全船自动化系统的组成示意图。
图1 全船集散控制系统示意图
图中C是以微型机或PLC为核心的现场（或过程）控制单元,它们按地理位置分布于船上各个控制现场,分别独立地控制一个或数个回路,相当于一个子系统,它包括底层的各控制模块、智能终端、自动化仪表等。监控管理级计算机（操作站）一般为性能很好的工业PC机。各控制单元可以与同级各控制单元协同工作,同时又受上位机的监控和管理;多台上位机也可以连网运行,构成网络式信息和管理系统。由图1可以看出,全船自动化系统一般由两级网络构成:现场控制级网络和管理级网络构成,它们的组网方式可以相同,也可以不同。它们用于连接全船分布式综合自动化控制系统的两层结构,即过程控制级和监控管理级,各级既相互联系又相互独立。每一级又可以按水平分解成若干子集,各子集设备具有类似功能。监控级与过程控制级之间传输的信息量少,但实时性要求高;而监控管理级各PC机之间数据传输的实时性要低,但传输的信息量较大,便于全船的综合管理。
2.2 电站自动化系统的构成
电站自动化系统是全船自动化控制网络的一部分,它是以计算机技术为基础,对电站进行集中监视、操作和电站信息的综合管理,而将各发电机组的控制功能分散化。她完全遵循了全船的分布式控制模式,涵盖了控制系统的三大组成部分:分散控制装置、集中操作和管理、通信系统。
根据实际船舶电力系统的实际配置:三台发电原动机,正常航行一台运行,另两台备用;进出港、装卸货时两台发电机运行,一台备用。电站自动化系统的分散控制装置为三台PLC系统,属于过程控制级,分别作为三台发电机组的控制和数据采集单元,采用的是直接数字控制（DDC）,是分布式综合自动化控制系统与生产过程的接口和界面。这里称这些分散控制装置为测控单元,它们直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能,其过程输入是面向传感器信号（如热电偶、热电阻）及开关量等信号,其输出是驱动执行机构。
集中操作和管理部分由一台PC机承担,作为操作系统站,用于对电站系统各下位机的监控和信息管理功能。
通信部分OMRONPLCC20OH配有RS-232C连接器,可以通过通信程序与上位机通信,在全自动控制模式下,通过通信模块,三台PLC由上位PC机协调,来完成整个电站的控制任务。图2说明了以上三部分的关系。
图2 系统通信网络示意图
电站自动化系统是以数据通信为纽带,完成了过程分散控制、监控和信息集中管理等的一系列工作,是该系统的优点所在。
3 测控单元设计
3.1测控单元硬件配置框图
图3 测控单元原理框图
测控单元属于电站自动化系统的过程控制级,直接与柴油机、发电机及电网的传感器、变送器、调节机构、电器开关相连接,完成整个电站的控制过程;并能与上位机进行数据通信,接收上位机下传的参数和作业命令,以及将现场的工作情况信息整理后向上位机报告,并作为显示、报警、打印的数据来源。三台发电机组的测控单元配置完全相同,包括模拟量输入/输出、开关量输入/输出、键盘输入、声音报警等。图3为测控单元原理图。
3.2 OMRONPLC与发电机组之间的信号
由于每台发电机组的信号完全相同,在此只列出一台机组的输入/输出信号和电网信号。
（1） 关于柴油机的信号
滑油压力、冷却水温、启动空气压力、排烟总管温度。
（2） 关于发电机的信号
发电机绕组温度、发电机电压、电流、有功功率、电压频率、发电机电压与电网电压的相位差。
（3） 关于电网的信号
电网电压、电网总有功功率、电网总电流、电网频率。
（4） C200H测控单元输出的控制信号（模拟量和开关量）
柴油机组启动、柴油机组停机、发电机组并网合闸、发电机组脱网、柴油机组升速脉冲、柴油机组减速脉冲。电站系统的信号如图4。
图4 C200H与电站之间的信号
4 上位机管理单元的设计
4.1上位机管理单元的基本功能
在各测控单元完成了相应机组的分散控制的基础上,由监控管理单元进一步进行整个电站系统的监控管理,它将完成参数显示、抄表、报警、打印及部分过程操作等功能。大型系统的管理工作一般由一台或多台计算机来共同完成。由于船舶电站自动化系统属于小型系统,所以只采用了一台PC机作为监控管理计算机,在此称为上位机。这台PC机还可以同时用于全机舱的集中监控管理。上位机把过程参量的信息集中化,把各台机组的测控单元及采样装置的数据进行收集,并通过简单的操作来进行过程量的显示、各种控制流程的显示、趋势曲线的显示以及改变电网、机组的一些过程参数（如电压、频率的设定值等）。这些也即是监控管理单元的显示、操作功能,以保证整个电站系统的高效率运转。
4.2上位机的系统配置
船用微机控制系统的软硬件设计比陆用系统要求要高,条件苛刻,主要表现在以下两个方面:一是船舶在海上航行,受风、浪的影响,硬件设备经受颠簸、振动以及海风海水的腐蚀;二是船舶在进出港及海上航行时对航向、航速等要求很严,一旦有错误将造成撞船触礁的重大损失。所以船用微机采用经过船检认可的高可靠性的工控机,同时还必须采取特殊措施,进一步提高可靠性。工控机包括硬件和软件部分。硬件部分包括主机（CPU、RAM、ROM）板、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。软件包括系统软件和应用软件。
4.2.1 上位机的硬件配置
上位机既有监控管理功能,又有丰富的图形显示功能。详细配置如图5所示。
（1） 主机板
由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM）等部件组成的主机是工业控制机的核心。进行控制系统的数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。
（2） 内部总线和外部总线
内部总线是工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道,它是一组信号线的集合。本上位机采用IBMPC内总线。外部总线是工业控制机和其他计算机和智能设备进行信息传送的公共通道常用的外部总线有RS-232C串行通信总线和RS-485串行通信总线,本系统的上位机采用的是RS-232C串行通信总线的通信方式。
图5 上位机的硬件组成结构
（3） 人机接口
人机接口是标准结构,即由标准的既键盘、显示器和打印机组成。
（4） 系统支持功能
该系统的支持功能主要包括如下部分:
监控定时器（WATCHDOG）: 用于系统故障自复位,用于提高系统的可靠性。
电源掉电检测;当检测到交流电源掉电后可以保护现场。
（5） 磁盘系统:采用通用的硬磁盘。
（6） 通信接口:采用RS-232C标准串行通信接口。
（7） 输入输出通道:这里是指主计算机与电站之间设置的信号传递和交换的连接通道,由智能接口板来完成。包括模拟量输入、数字量输入。它的作用是将电站系统的信号转换成主机可以接受和识别的代码。该自动化电站系统是通过串口向各机组的PLC测控单元输出控制和调节信号,所以没有信号从接口板输出。
4.2.2 上位机的软件组成
软件是上位机的程序系统,分系统软件和应用软件。
（1） 系统软件:采用Windows2000实时多任务操作系统。
（2） 应用软件:应用软件是针对电站自动化开发的监控和管理程序。这些程序是采用微软公司的工具软件VisualBasic6.0和ACCESS共同开发的。
本文作者创新点:
本文论述了船舶电站分布式综合自动化控制系统的设计方案对自动化电站的功能进行了设计,实现了PC机和多台欧姆龙PLC的多机通信技术,编制了上位机的部分监控和管理软件。
参考文献:
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