1、摘要現代航運對船舶自動化程度和信息集成程度要求越來越高，因此船舶自動化主要發展方向已成為將駕駛臺、機艙等相對獨立的幾個部分聯成一體，做到全船信息的高度集成和共享。船舶電站自動監控系統是機艙自動化系統的重要組成部分，電站監控系統運行的可靠性、經濟性對保證船舶電站的供電質量，進而實現船舶“機駕一體化”的發展要求具有重要意義。船舶電站自動監控功能可分為自動控制功能和自動監視功能。其中自動控制功能的實現可歸結為兩點關鍵技術的實現：即發電機組的轉速控制和發電機組的勵磁控制；而自動監視系統主要完成電站運行過程中的參數的顯示、記錄與報警等功能，為電站監控系統提供一個良好的人機接口。本文以發電機組的轉速控制和

2、發電機組的勵磁控制兩項關鍵控制功能為核心， 充分結合電站監控系統的發展趨勢，完成船舶電站控制系統的設計。電站自動控制的核心之一為柴油機的轉速控制。本文針對由三臺發電機組組成的船舶電站，進行柴油機的轉速自動控制系統的研究與設計。系統采用西門子公司的S7-300可編程序控制器（PLC）為主要控制元件，同時采用DIEF公司的發電機并聯控制單元（GPC）與之配合，PLC與GPC通過PROFIBUS-DP現場總線進行通信，使二者相互配合完成發電機組的起?？刂?、并車控制、頻率調節及有功功率自動分配控制的轉速自動控制任務。關鍵詞：船舶電站，監控系統，PLCAbstractWith the developme

3、nt of modem navigation, the demand of ships automation and degree of information integration is increasing. Therefore, the developmental direction of the ship automation is to integrate the relatively independent parts such as the deck department and the marine engine department together, so the inf

4、ormation of the ship can be highly integrated and shared. Automatic Monitoring System of marine electrical power plant is an important component of Marine Engineering Automation. The reliability and economy of AMS can improve the quality of power supply, and in turn to realize the “Integration of Sh

5、ip Driving and Machine Controlling.” The functions of Ship Automatic Monitoring System can be divided into automatic control and automatic surveillance. The realization of automatic control function can be attributed to the realization of two key technologies-the speed control of generation sets and

6、 the excitation control of generator. The Automatic Surveillance System is mainly to realize the displaying and recording of the operation parameters, and alarming when it is abnormal, etc. and provide a good man-machine interface for the system.In this paper, as the control cores, the generation se

7、ts speed control system and generator excitation control system are designed and fully integrated the development trends of the power plant control system.One of the cores of the power plant automatic control is speed control of diesel engines. In this paper, the automatic speed control system for d

8、iesel engine is researched and designed for electric power plant that composed by the three generation sets. Siemens S7-300 Programmable Logical Controller (PLC) is adopted as the main control set, with the corporation of Generator Parallel Controller (GPC) made by DIEF company. PLC and GPC are comm

9、unicated through PROFIBUS-DP fieldbus so that they can work concordantly to accomplish the task of speed control when Automatic Start-up and shutdown, Automatic parallel operation, Automatic frequency adjustment and active power distribution. Key Words：Marine electrical power plant, Monitoring Syste

10、m, PLC 目 錄1 緒論11.1 選題背景及意義11.2 船舶電站監控系統體系結構的發展11.3 PLC在船舶自動化電站中的應用41.4 本課題的研究內容與意義42 船舶自動化電站52.1 船舶電力系統組成與控制52.1.1 船舶電力系統的組成52.1.2 船舶自動化電站的自動控制功能5船舶電站的自動監測報警6船舶電站的特點72.2 船舶電站的保護功能72.2.1 船舶同步發電機外部短路保護82.2.2 船舶同步發電機過載保護112.2.3 船舶同步發電機欠壓保護122.2.4 船舶發電機逆功率保護133 船舶電站自動監控系統的PLC實現153.1基于PLC的船舶電站監控系統的總體構成15

11、西門子S7-300 PLC應用技術15船舶電站監控系統的Profibus-DP總線結構163.1.3 Profibus-DP總線式分級設計思想173.1.4 Profibus-DP總線式結構的優點183.1.5 并聯控制器(GPC)簡介183.3 監控系統硬件設備選用193.3.1 上位機選用193.3.2 PLC模塊選用20信號處理及傳感器選用224 船舶自動化電站PLC監控程序設計244.1 監控軟件結構及功能設計244.2 PLC程序總體框架254.3 子模塊程序264.3.1 發電機自起動模塊的程序設計264.3.2 發電機并車模塊的程序設計274.3.3 發電機調頻調載模塊的程序設計

12、314.3.4 自動解列與自動停機程序34結 論36致 謝37參考文獻381 緒論1.1 選題背景及意義船舶是現代水上運輸的重要交通工具，也是人類在水面上活動的主要平臺，對人類社會的政治、經濟發展和人們日常生活、工作有著極其重要的意義。近年來隨著相關科技日新月異的發展，對于船舶自動化的要求越來越高1。船舶電站自動化是船舶自動化的一個重要組成部分，也是船舶現代化的重要標志。隨著航運業的發展，對船舶電力系統的可靠運行提出了越來越高的要求。船舶電力系統的控制、監視和跟蹤管理也顯得極為重要2。船舶電站是船舶電力系統的核心，對船舶的安全航行和經濟效益有重要的影響，其供電的連續性、可靠性和供電品質將直接影

13、響船舶的經濟指標、技術指標和生命力。船舶電站自動化裝置的發展過程，從六十年代采用繼電器控制技術及后來的晶體管分立元件控制技術到七十年代的小規模集成電路及后來的中大規模集成、模擬電路控制技術，至八十年代的微處理機控制技術，九十年代的PLC控制技術。船舶電站的控制在七十年代后期形成了功能較齊全、性能較穩定的由數字集成電路與模擬集成電路組成的控制系統。進入八十年代世界各國先后研制單片機組成的微機控制系統。九十年代PLC控制系統的可靠性己為世人所共識，產生了基于PLC控制的船舶電站、主機遙控、集中監視系統。隨著計算機信息處理技術的發展，船舶電站自動化正朝著集散型計算機控制系統的方向發展。計算機技術應用

14、于船舶電站自動化系統，使得船舶電站成為集自動控制、監測、 報警等于一體化的監控系統，船舶電站自動化技術是船舶工業科技戰略發展應用研究的重要技術之一，是涉及計算機網絡、數字化信息技術、現代控制技術、通訊、信息處理、光纖、傳感器、電力電子等多種學科和技術綜合應用的一體化產物。它需要研究網絡技術（包括船用光纖、現場總線、工業以太網等技術）、智能柴油機電控技術、電力電子技術、微機技術等，以集成化、網絡化、標準化、模塊化、智能化、系列化等方式，向實現船舶電站綜合自動化這個高層次階段發展。它是開放式和網絡化的未來船舶電站自動化的創新模式，具有自動化程度高、可靠性高、維護簡潔等特點。綜上所述，船舶電站自動化

15、是船舶科學技術的重要組成部分，其系統及設備發展極其迅速，更新換代的速度也是驚人的，船舶電站自動化技術正朝著數字化、智能化、模塊化、網絡化、集成化的方向迅速發展，這是今后國際船舶電站自動化技術發展總趨勢。1.2 船舶電站監控系統體系結構的發展隨著近三十年自動控制技術的進步，船舶電站監控系統的性能也得到了大幅度的提升。按照船舶電站的結構特點，可大致分成三個發展階段：(1)集中式監控系統（CCS：Computer Control System）集中式監控系統于八十年代占主導地位，采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器。系統可對船舶電站運行時的數十個參數進行集中監控。集中式監控系統的優點是替代了十

16、幾個模擬調節器的工作，如溫度、壓力、轉速等調節器。船員在集控室內便可了解和掌握電站設備的運行情況。但由于其仍然采用模擬量通信信號，整個系統的造價昂貴；并且集中控制也產生了風險集中的后果，一旦出現設備故障可能造成整個電站監控系統的失控或癱瘓。其系統結構如圖1.1所示。顯示 報警 打印 操作臺 PLC/單片機/微型計算機測量及變換單元 監測對象 A/D轉換D/A轉換執行機構 控制對象 圖1.1 集中式監控系統結構圖Fig.1.1 CCS Contiguration(2)集散式監控系統（DCS：Distributed C

17、ontrol System）進入九十年代，微型計算機技術迅速發展為電站監控系統的進步提供了強有力的支持。集散型控制系統是計算機（Computer）、通信（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）技術的產物（簡稱四C技術）。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監視管理功能，若干臺下位機下放分散到現場實現分布式控制。因此，這種分布式的控制系統體系結構有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。其系統結構如圖1.2所示。圖1.2 集散式監控系統結構圖管理級微型計算機 通信接口 單元一單元N單元四單

18、元三單元二Fig.1.2 DCS Configuration(3)現場總線式監控系統（FCS：Fieldbus Control System）現場總線式監控系統是由集散式監控系統發展而來，但與集散式監控系統相比有了實質性的進步。由于智能設備的出現，在現場即可完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能。這樣就要求通信具有“雙向性”，而大部分集散式系統的通信接口互聯方式不滿足此要求?，F場總線式監控系統正是順應以上潮流而誕生的，它用現場總線這一開放的、具有可互操作的網絡將現場各控制器及儀表設備互連，構成現場總線監控系統，同時監控功能徹底下放到現場，提高了現場信息的可利用程度，降低了安裝成本和維

19、護費用。其系統結構如圖1.3所示。管理級計算機 通信總線現場控制單元一現場控制單元二現場控制單元三現場控制單元N    圖1.3 現場總線式監控系統結構圖Fig.1.3 FCS Configuration1.3 PLC在船舶自動化電站中的應用船舶電站需要其監控系統長時間運行。并且電站元器件結構復雜，控制設備不可避免會受到干擾。因此，電站監控系統的設計首先要保證其穩定可靠。而電站自身又具有動作復雜、頻繁的特點，這就需要較多執行元件進行控制。PLC (Programmable Logical Controller) 通常稱為可編程邏輯控制器（又稱為

20、可編程控制器），它是一種以微處理器為基礎，綜合了現代計算機技術、自動化技術和通信技術發展起來的一種通用的工業自動控制裝置。由于它擁有體積小、功能強、程序設計簡單，以及維護方便等特點，特別是PLC適應惡劣的工業環境的能力和高可靠性，使其應用越來越廣泛3。PLC技術能夠完美的實現上述要求，其優點如下：(1)可靠性高、抗干擾能力強PLC是專為工業控制設計的，能適應工業現場的惡劣環境。在PLC的設計和制造過程中，采取了多層次抗干擾及精選元器件等措施，使PLC的平均無故障時間通常在20000小時以上，這是一般的其他設備做不到的。(2)所需添加設備數量少一般的PLC都有上百個內部輔助繼電器，還有多種內部專

21、用繼電器，可節約大量的中間繼電器。另外，當需要較多的I/O時，可方便的添加擴展模塊。(3)易于操作維護PLC的控制程序無須更改硬件，通過修改其內部輔助繼電器程序即可完成邏輯控制的更改。PLC還具有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員。1.4 本課題的研究內容與意義本課題研究的對象為以PLC為核心控制單元的船舶自動化電站綜合控制系統。利用S7-300軟件設計船舶自動化電站PLC控制程序，采用WinCC組態軟件進行操作監視級的監控界面設計及通信實現，。通過軟件程序設計和硬件電路搭建實現對船舶電站系統的手/自動綜合控制與管理。船舶電站自動化是機艙自動化的重要組成部分，隨著現代船

22、舶電氣化、自動化程度的不斷提高，集中監控與管理船舶系統的各項參數指標在整個系統中占著及其重要的地位；網絡技術的普遍應用，港航移動目標的遠程監控也成為船舶管理的一個重要方向。良好的船舶自動化電站系統可以大大降低工作人員勞動強度，提高工作效率，提高供電的穩定性和可靠性，對保證船舶安全、經濟運行具有重要意義。2 船舶自動化電站2.1 船舶電力系統組成與控制 船舶電力系統的組成 船舶電力系統主要是由電源、配電裝置、電網與負載四部分組成：(1)電源船上的電源裝置通常是柴油發電機組和蓄電池。主發電機組是船舶的主電源，應急發電機組是應急電源，蓄電池組一般作為小應急電源。主發電機組不能供電時，由應急發電機組或

23、蓄電池組向船舶重要航行設備和應急照明系統供電。(2)配電裝置配電裝置是接受和分配電能的裝置，也是對電源、電力網和負載進行保護、監視、測量和控制的裝置。包括各種電力開關、互感器、測量儀表、連接母線、保護電器、按鈕、控制和轉換開關、自動化沒備及各種附屬設施等。根據供電范圍和對象的不同，配電裝置可分為主配電板、應急配電板、分配電板、充放電板和岸電箱等。(3)船舶電力網船舶電力網是全船電纜電線的總稱。按其所連接的負載性質，可分為動力電網、照明電網、應急電網、小應急電網等。(4)電力負載船上的用電設備形式很多，主要有動力負載(各種電力拖動機械)、照明負載、通信導航設備等，艦艇還有特殊的武器裝備負載。動力

24、負載往往占總用電量的70%左右，對于船舶電力負載大體可分為如下幾類：船舶各種機械設備的電力拖動；船舶照明；通訊和導航設備；生活及其他用電設施。 船舶自動化電站的自動控制功能(1)電壓自動調整。電壓自動調整是對發電機磁場的自動調節，從而令發電機輸出電壓的穩定。衡量自動電壓調節器的性能有兩個，即靜態特性和動態特性。一般情況下，靜態電壓調整率應不超過額定電壓的±2.5%，動態電壓調整率不超過額定電壓的±15%，恢復時間不超過1.5s，電壓波動不大于3%額定電壓；(2)機組自動起動。機組自動起動應具有三次起動功能，若三次起動失敗則應給出指示及報警。一般出現以下情況時，備用機組應自動

25、起動：電網失電；在網運行機組的平均功率大于85%額定功率；在網運行機組發生故障需要換機或停機；機組接到人工起動指令時。(3)首機自動投入。在電站電網失電時，備用機組自動起動，最先起動成功的備用機組投入電網供用；(4)自動準同步并車。電站系統需要自動增加機組時，在備用機組起動成功后，自動進入準同步并車程序，根據并車三個條件：相電壓相等、頻率相同及相位差為零，自動測量和調整發電機電壓、頻率及相位，使并車三個條件滿足并發出合閘信號，一般合閘信號要提前幾十毫秒發出，并且待并發電機的頻率要略大于電網頻率；(5)自動調頻調載。對已投入電網運行的發電機組自動實現頻率及有功負荷分配制度，使各運行機組負載按比例

26、分配，一般負載分配差度小于±5%額定功率，頻率調節精度為±0.25Hz；(6)動轉移負荷及分閘（或稱解列）。對已投入電網運行的機組出現以下情況時，則按順序運行機組逐個解列：在網運行機組平均功率小于30%額定功率；機組有冷卻水高溫、滑油壓力低等二級故障；有人工解列指令，且當前功率不大于85%額定功率。當解列機組的負載轉移到小于10%額定功率時，發出分閘信號。(7)機組自動停機。當投入電網運行的機組解列分閘后，則該機組就自動停機。一般情況下，機組出現以下情況之一則自動停機：機組有嚴重故障（應急保護停機）或二類故障；機組平均負荷小于30%額定功率，則先解列再自動停機；機組接到人工

27、指令需要停機。(8)重載詢問控制。大負荷設備起動前發出詢問信號，電站自動控制系統接到詢問信號后進行儲備功率計算，若儲備功率大于大負荷設備的額定功率，則大負荷即可起動；若儲備功率小于該設備的額定功率，則首先起動備用機組投入使儲備功率滿足條件后，大負荷設備才可投入運行；(9)原動機預潤滑預熱控制。電站機組在長期不用或環境溫度較低的條件下，機組自動起動前首先要進行原動機的預潤滑，主要是控制機組預供油泵投入運行一段時間機組起動成功后再停止，此后機組的潤滑工作由機帶潤滑泵承擔；其次，是對機組冷卻水的預熱，自動起動冷卻水加熱裝置給冷卻水預熱。一般冷卻水預熱裝置有電預熱和蒸汽預熱兩種。2.1.3船舶電站的自

28、動監測報警自動監測報警應具有對電站的運行情況進行實時顯示、報警、記錄和打印等功能4。(1)顯示和打?。喊ǜ鞣N測量參數的實時動態顯示和打印，各種狀態圖的實時動態顯示和打印。(2)自動記錄：所有測量數據能進行整點自動記錄，同時報警和消警信息也能自動記錄。(3)報警：具有聲光報警功能，聲響報警消音后不得影響后來的報警信號。燈光報警為閃光方式，確認后變平光。報警系統的線路要獨立于控制線路，并具有燈光和音響的試驗功能。(4)報警連鎖：機組的起動和停機過程會引起某些控制參數偏離整定值，因此，要能自動連鎖報警屏蔽線路，防止誤報警。2.1.4船舶電站的特點船舶電站與陸用電站相比較具有以下特點：(1)船舶電站

29、容量小。由于船舶電站只供給一條船上負載的需要，因此其單機容量和系統容量與陸用電站相比要小得多，而某些大電動機容量與電站容量可相比擬，因此相互影響較大。(2)船舶電站設備工作環境比陸地惡劣。船舶電站設備具有工作環境溫度較高、相對濕度大、有鹽霧，霉菌，油霧、設備布置密集，設備之間有較大的電磁干擾、受風浪影響引起的船舶搖擺等特殊性。這使船電設備易受到腐蝕，設備運轉振動和沖擊大。(3)船舶電站的發電設備與用電設備之間的距離很短，因此電網的短路電流較大。總之，船舶電站具有容量小、工作環境惡劣、設備相對集中等特點。同時，現代船舶電站設備復雜程度越來越高，因此對電站控制的精確度要求逐步提高，但是現代船舶的管

30、理人員數量卻日益減少，這就為船舶電站自動監控系統的功能提出了更高的要求5。2.2 船舶電站的保護功能發電機是船舶的重要設備，保護發電機不損壞是船舶安全航行的首要保證。針對船舶發電機各種常見的不正常運行狀態和故障，必須裝設相應的保護裝置6。發電機安全保護一般來說主要包括如下幾種：(1)過載保護，當運行發電機的輸出功率或電流超過其額定值時，過載保護起作用。一般情況下，當過載達110%120%額定值時，延時510s，自動卸掉部分次要負載；當過載達150%額定值時，延時1020s，使發電機自動跳閘；(2)定子繞組內部短路保護，對于額定功率大于1000kW的發電機組，當發電機運行主開關未合閘時，發電機電

31、流>130%額定電流，則發電機自動消磁保護；(3)發電機外部短路保護，當發電機電流為35倍額定電流時，延時0.2s0.6s，使發電機跳閘；當發電機電流為510倍額定電流時，瞬時動作使發電機跳閘；(4)欠壓保護，對帶時限的發電機欠壓保護，當發電機電壓低于其額定電壓70%80%時，延時1.5s3s跳閘；對不帶時限的發電機欠壓保護，當發電機電壓低于其額定電壓40%75%時發電機跳閘；(5)逆功率保護，當發電機出現逆功時，其逆功為8%額定功率，延時5s8s使發電機跳閘；(6)以上為一般船舶電站安全保護系統應考慮的功能，在特殊情況下還應考慮過壓、過頻和欠頻保護。由于船舶發電機的電壓較低，并且又定期

32、檢查，經驗證明，低壓發電機內部故障出現的機會極少，所以一般不專門設繼電保護裝置。對于并聯運行的發電機可能出現的定子繞組相間短路，可由電流速斷器對電進行保護。根據鋼質海船入級與建造規范規定，對船舶低壓同步發電機，針對其可能出現的故障和不正常運行狀態，主要設有如下繼電保護：外部短路的過電流保護；過載保護；欠壓保護；逆功率保護。 船舶同步發電機外部短路保護短路故障所造成的后果是非常嚴重的7。發生短路時，由于外路電路負載被短接，發電機定子繞組中將產生極大的短路電流，電網電壓也急劇下降，會使電動機停轉，甚至使發電機全部斷開，導致全船停電。為了防止短路故障，對于運行人員來說，應在平時加強對設備的維護管理，

33、定期檢查各主要電器設備的絕緣情況，嚴格執行操作規程，消滅誤操作。為了限制短路故障的破壞作用，在技術措施方面則必須裝設繼電保護裝置，以便故障發生后，能自動地切除故障部分，保護設備，防止故障擴大，保證非故障部分正常運行。(1)發電機外部短路保護對發電機外部短路故障的判斷，因為發電機外部短路時，從發電機到短路點，必將出現很大的過電流，所以可利用這一特點，來檢測發電機之外部短路。按照時間原則或電流原則在原理上都可以實現保護的選擇性，但由于船舶輸電線路較短，且阻抗較小，電網各段短路電流都很大，因此按照電流原則實現選擇性保護往往是有困難的，而按照時間原則實現選擇性保護，則整定比較容易，而且比較可靠。但是，

34、完全按照時間原則實現選擇性，往往又帶來影響保護快速性和使保護裝置復雜化等弊病，甚至是不可能的。因此，常常采用時間原則和電流原則混合的方法，以滿足保護選擇性和快速性的要求。一般船舶發電機都設有兩套過電流保護裝置。第一套為帶時限的外部過電流保護裝置，又叫短路短延時保護裝置。如圖 2.1(a)中的QF1過流保護，它與QF2過流保護是以時間原則來實現選擇性的。第二套為不帶時限的電流速斷保護裝置，又叫短路瞬時動作保護裝置。如圖2.1(a)中的QF1的速斷保護，它是以電流原則來實現選擇性的，并保證了在靠近發電機端短路時，保護動作的快速性。顯然，QF1的過電流保護裝置又是一種后備保護裝置，當k1點短路而其Q

35、F2的過電流保護裝置不動作時，則QF1的過流保護立即動作，這種后備保護是完全必要的。GI>I>MIop(qb)Iop1 t1QF1k1k2Iop2 t2QF2(a)t1=t2+tt2 L t (b)Ik1Iop1Iop2I0L1LIk2Iop2(c)圖2.1 發電機短路保護裝置及其整定Fig.2.1 Generator short-circuit protection device and setting(2)發電機外部短路過流保護的整定圖2.1中發電機外部短路過電流保護裝置（QF1過流保護）啟動值的整定考慮對可靠性的要求，應把短路保護、過載保護和電動

36、機自啟動區分開來。當過電流保護的啟動電流按照大于發電機的額定電流來整定，并使保護裝置的返回電流大于在電動機自啟動情況下的最大電流時，引入可靠系數Krel和自啟動系數Ks后，返回電流Ire可表示為(2.1)考慮到繼電器的返回系數之后，啟動電流為(2.2)式中，Iop1為QF1的過電流保護啟動電流整定值，IgN為發電機額定電流，Krel為可靠系數（Krel=1.31.5），Kre為返回系數（Kre=0.50.9），Ks為自啟動系數（Ks=1.31.8）。將各系數代入式(2-2)得(2.3)確定啟動電流整定值之后，應校驗發電機外部短路過電流保護的靈敏度，當作為遠后備保護時，靈敏系數SP應為(2.4)

37、式中Ik2,min為末端k2點最小短路電流。圖2.1中QFl的過流保護動作時限的整定考慮對選擇性的要求，必須使QFl的過流保護的動作時限t1與QF2的過流保護的動作時限t2相配合，如圖2-1(b)所示，按階梯形時限特性整定，使t1比t2大一個時間，即(2.5)式中t1為QF1的過流保護動作時限，t2為QF2的過流保護動作時限，為兩相鄰保護動作的時限之差。決定的因素主要有：斷路器的跳閘動作時間，時間繼電器誤差以及要有一定的裕度等。大了動作會慢，因此應使盡量小，但太小了，易產生誤動作。一般取(0.150.25)s。所以，一般t1整定為(2.6)采用過電流保護，按照時間原則保證選擇性時，越靠近電源處

38、，動作時限越大，而越靠近電源，短路電流越大，則要求保護動作越快，這是一個矛盾。為此，要用電流速斷保護來加以補充。并聯運行的發電機，在發電機側短路時，短路電流可能很大，為保證選擇性，可采用電流速斷保護。(3)發電機外部短路電流速斷保護的整定電流速斷是電流保護的一種，但它和過電流保護不同。過電流保護的啟動電流的整定值是以躲開最大允許工作電流來整定的，而電流速斷的啟動電流的整定值，則是按躲開其外部短路電流來整定的。如圖2.1(c)所示，按電流原則保證選擇性時，發電機電流速斷保護的啟動電流Iqb應躲開k1點短路時的最大短路電流Ik1,max，所以，電流速斷的啟動電流整定值為(2.7)若取Ik1,max

39、=7IgN時，則上式為(2.8)確定Iqb后，校驗靈敏度SP，應滿足(2.9)電流速斷保護的啟動電流整定值是根據保護范圍之內的短路電流整定的，在保護范圍之外電流速斷保護不應動作，所以它沒有必要與保護范圍之外的短路保護在時間上相配合。因此，電流速斷保護是瞬時動作的。電流速斷保護的優點是快速，比較簡單可靠?？紤]到在發電機近端短路時，對于保護動作快速性的要求，可以加裝瞬時動作的電流速斷裝置來保護。 船舶同步發電機過載保護可能產生發電機過載的主要原因有：(1)船舶電站在運行中發電機的容量不能滿足負載增長的需要；(2)幾臺發電機應并聯運行但未做并聯運行；(3)或者當并聯運行的發電機中有一臺或幾臺發土故障

40、而自動停機；(4)因并聯運行的發電機間的負荷分配不恰當。無論是負載電流超過發電機的額定電流，還是負載功率超過了發電機的額定功率，對發電機組都是不利的8。發電機長時間過載，會使發電機過熱、引起絕緣老化和損壞，以及造成原動機的壽命縮短和部件損壞等。所以，應裝設相應的過載保護裝置。由于對船舶供電可靠性的考慮，處理發電機過載問題，要兼顧保護發電機不受損壞且盡量保證不中斷供電兩方面。因此，當發電機過載時，首先應將一部分不重要的負載自動卸掉，以消除發電機的過載現象，并保證重要負載的不間斷供電。同時，應自動發出發電機過載報警信號，以警告運行人員及時處理或同時發出自啟動指令，以自動啟動備用發電機組。若在一定時

41、間內仍不能解除過載，為保護發電機不被損壞，就應自動的將發電機從匯流排上切除，并發出發電機過載自動跳閘信號。對船舶發電機過載保護裝置的啟動電流Iop(OL)和動作時限t(OL)可做如下整定：為保證在正常工作時保護裝置不動作，應使保護裝置啟動電流Iop大于發電機的額定電流IgN。為保證保護的可靠性，應使保護裝置可靠地返回，則要求返回電流Ire大于發電機額定電流IgN?？紤]到繼電器啟動電流和返回電流可能有誤差，故取可靠系數Krel>1，則可寫成(2.10)根據返回系數Kre的定義(2.11)則可得啟動電流為(2.12)Kre越大，即越趨近于1時，Iop越小，即越靈敏；Krel越小，則Iop越小

42、，也越靈敏。因而，對只發報警信號或自動過載信號或備用機組自啟動信號的過載保護裝置，Krel可取得小些，以提高其靈敏性；而對動作于發電機跳閘的過載保護，Krel要取得大些，以保證其可靠性。對于船舶發電機過載保護，Krel11.2；Kre0.80.9。于是，船舶發電機過載保護裝置的啟動電流可整定為 (2.13)發電機過載保護裝置動作時限的整定，主要考慮躲開大電動機或幾臺較大電動機同時啟動的時間。一般電動機啟動時間為510s，所以過載保護的動作時限可整 定在1020s。即 (2.14)當發生持續過載時，發電機過載保護雖經延時，但到時仍要動作，以中斷供電。要使發電機不中斷供電且避免過載的一種較好的做法

43、就是：當出現過載信號時，首先考慮切除電網中正在運行的一些次要負載，使發電機脫離過載狀態（使啟動的過載保護得以返回），從而保證電站對重要負載的連續供電，這種處理辦法叫做“自動卸載”。這種辦法也必須與發電機過載保護的延時特性配合才能實現。根據負載的不重要程度及工作特點，分成幾組，可以實現多次自動卸載的叫分級卸載。2.2.3 船舶同步發電機欠壓保護習慣上通常把欠壓和失壓兩者統稱為失壓9。當調壓器失靈或由于發電機外部發生持續性短路故障時，都將出現發電機電壓下降的現象。發電機在欠壓情況下運行，將引起電機的電流大、電動機轉矩下降、發電機過熱、絕緣損壞，這對發電機本身和異步電動機的運行等都是很不利的。船舶發

44、電機欠壓保護的啟動電壓，應按躲開最低可能的工作電壓進行整定，即 (2.15)式中Uop為啟動電壓整定值，Ug.min為最低工作電壓。當電力系統中突然有較大負載增加，例如有較大電動機或多臺自啟動電動機啟動或發生暫時性短路和并車沖擊電流時，發電機電壓也可能有很大的下降，但這是正?；驎簳r情況，發電機欠壓保護不應動作。因此，在整定發電機欠壓保護的啟動電壓值時，應當考慮到對保護動作可靠性的要求。可以用整定啟動電壓值或動作時限的方法，來躲過這些不應使保護動作的欠壓情況。鋼質海船入級與建造規范規定，并聯運行的發電機應設有欠電壓保護并能滿足如下要求：(1)用于避免發電機不發電時閉合斷路器應瞬時動作；(2)當電

45、壓降低至額定電壓的70%35%時，應經系統選擇性保護要求的延時后動作。由此看出，欠壓保護包括失壓保護的內容。電壓降低至額定電壓的35%時作失壓處理，應瞬時跳閘。在自動電站中有的把額定電壓的10%作為對母線是否有電壓的識別值。電壓降低至額定電壓的70%35%的欠壓范圍，要求保護帶延時，可以避免電網電壓因大功率電動機啟動瞬時下降引起的不必要跳閘。由于發電機的調壓器具有靈敏的快速動作功能，在1.5s之內可把暫時性的電壓下降恢復到接近額定電壓值的3%之內，故欠壓保護動作時限的整定值應大于l.5s，以躲開暫時性電壓下降，一般欠壓保護的整定時限為 (2.16)2.2.4 船舶發電機逆功率保護同步發電機的逆

46、功率運行，是指該同步發電機不發出有功功率，而從電網吸收有功功率。同步發電機出現逆功率運行的原因是，當幾臺同步發電機并聯運行時，其中一臺發電機的原動機工作失常。這對系統是不利的，可能造成正在并聯工作的另一臺發電機過載，以致造成其過載跳閘，全船供電中斷。因此，出現這種情況時，要求將處于電動機運行狀態的發電機切除。因為發電機過載保護是具有時限的，所以逆功率保護并不要求立即跳閘，即也可以具有一定的時限。當同步發電機在非同步條件下并車時，也可能短時出現逆功率，這是允許的，此時逆功率保護不應動作。因此，從避開并車時可能出現的短時逆功率沖擊方面，逆功率保護應具有一定的時限。發電機過載保護一般整定在額定值的1

47、25%135%，延時1520s跳閘。非同步并車出現的功率沖擊一般在1s之內。根據上述原因和要求，對逆功率保護啟動值的整定，大多數船級社都規定：(1)原動機為柴油機時，逆功率整定值在發電機額定功率的4%15%間某一區域（典型區間為4%10%）；(2)原動機為汽輪機時，逆功率整定值在發電機額定功率的1%6%間某一區域（典型區間為1%3%）；(3)延時時間在210s間整定（典型值為3s）。本文原動機為柴油機，逆功率整定值為發電機額定功率的10%，逆功率保護由PLC控制GPC實現。3 船舶電站自動監控系統的PLC實現3.1基于PLC的船舶電站監控系統的總體構成船舶電站控制系統工作在船舶航行這一特殊環境

48、下。因而硬件的選擇在滿足電站功能前提下，要盡可能選擇可靠性好、易操作的產品10。本系統基于可編程邏輯控制設計，上位機選用工業PC控制機，下位機采用西門子S7-300系列PLC。西門子S7-300 PLC應用技術西門子公司的S7-300 PLC是模塊化的中小型PLC，品種繁多的模塊組成、簡單實用的編程語言、強大的通信聯網能力使其應用十分靈活。(1)S7-300的特點S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號模塊和功能模塊能夠滿足各種領域的自動控制任務。S7-300由350多條指令，其編程軟件STEP 7功能強大，使用方便。STEP 7的功能塊圖和梯形

49、圖編程語言符合IEC-61131標準，語句表編程語言與TEC標準稍有不同，以保證與STEP 5的兼容，三種語言可以相互轉換。通過調用系統功能和系統功能塊，用戶可以使用集成在操作系統內的子程序，從而顯著地減少所需要的用戶存儲器容量，它們可以用于中斷處理、出錯處理、復制和處理數據等。S7-300每個CPU上都有一個使用MPI（多點接口）通信協議的RS-485接口。有的還帶有集成的現場總線PROFIBUS-DP接口、PROFINET接口或PtP(點對點)串行通信接口。S7-300不需附件任何硬件、軟件和編程，就可建立一個MPI網絡。使用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信處理器，S7-300

50、可作DP網絡的主站或從站。S7-300已將HMI（人機接口）服務集成到操作系統內，大大減少了人機對話的編程要求。S7-300按指定的刷新速度自動的將數據傳送給SIMATIC人機界面。(2)S7-300 PLC的組成部件S7-300是模塊化的中型PLC，它由以下幾部分組成：中央處理單元(CPU)：CPU用于存儲和處理用戶程序，控制集中式I/O和分布式I/O。電源模塊(PS)：電源模塊用于將AC 220V的電源轉換為DC24V電源，供CPU模塊和I/O模塊使用。信號模塊(SM)：信號模塊是數字量輸入/輸出模塊（簡稱為DI/DO）和模擬量輸入/輸出模塊（簡稱為AI/A0）的總稱，它們使不同的過程信號

51、電壓或電流與PLC內部的信號電平匹配。功能模塊(FM)：功能模塊是智能的信號處理模塊，它們不占用CPU的資源，對來自現場設備的信號進行控制和處理，并將信息傳送給CPU。通信處理器(CP)：信處理器用于PLC之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i和工業以太網，或用于實現點對點通信。接口模塊(IM)：接口模塊用于多機架配置時連接主機架和擴展機架。(3) STEP7編程語言介紹STEP 7是S7-300系列PLC的編程軟件。梯形圖、語句表和功能塊圖是標準的STEP7軟件包配備的3種基本編程語言，它們可以在STEP7中相互轉換。梯形圖(LAD)是

52、使用的最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的優點，很容易被熟悉繼電器控制的電氣工作人員掌握，特別適合于數字量邏輯控制。梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的指令框組成。觸點代表邏輯輸入條件，例如外部的開關、按鈕和內部條件等。線圈通常代表邏輯運算的結果，常用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內部的標志位等。指令框用來表示定時器、計數器或者數學運算等指令。3.1.2船舶電站監控系統的Profibus-DP總線結構大部分船舶電力系統，由型號相同的2-3臺發電機組成。船舶正常航行時只使用一臺發電機。另一臺作為備用發電機，在進出港、狹水道等情況下并機使用。某些特種船舶（如軍艦）還帶有

53、第三臺發電機，作為應急發電機。發電機分散在現場工作，可采用PLC單元對其進行數據采集和監控;而船舶電站控制系統作為船舶整體控制系統的一部分，又要求集中在系統操作站內進行電站的管理和操作。根據這一實際情況，系統設計基于Profibus-DP總線結構，如圖3.1所示。傳感器以及一些智能儀表采集現場的工作信號，這些工作信號經過信號變換處理后，送入PLC的信號處理模塊。PLC再根據這些參數反映出的現場的工作狀況進行控制。S7-300系列PLC的CPU模塊上集成有Profibus-DP總線接口。通過Profibus-DP總線，PLC的CPU模塊可以周期性地自動交換I/O模塊的數據(過程映像數據交換)。而

54、Profibus-DP總線又可與工業控制計算機相連，進行數據通信。這樣工控機的操作指令就可以通過Profibus-DP總線下發給PLC，實現對現場設備的過程控制。而工控機作為操作控制級計算機，又可以協調與管理級計算機之間的通信，配合完成全船的綜合監控。Profibus的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等領域。Profibus由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布I/O系統）、PROFIBUS-PA（Process Automat

55、ion，現場總線信息規范）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，過程自動化）。PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專門用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或420mA信號傳輸。PORFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構連在一根總線上，并有本質安全規范。PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡，是一個令牌結構的實時多主網絡。高功能計算機、服務器（船長室、輪機長室監控機）工業控制計算機Profibus現場總線S7-300PLC S7-300PLC 

56、S7-300PLC 工作發電機備用發電機應急發電機圖3.1 總線式電站監控系統總體結構Fig.3.1 The FCS configuration of ship power station monitor system3.1.3 Profibus-DP總線式分級設計思想現場總線能很好的溝通了生產過程現場級控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。本系統計采用了這種分級階梯式控制思想，運用了可編程邏輯控制器Profibus-DP總線通信加操作管理站的組合。(1)現場過程控制級現場級設備由三個獨立的PLC單元組成，該級負責產生直接的控制信號，通過執行機構作用于被控對象。PLC以微處理

57、器為核心，能夠獨立的完成邏輯控制、數據處理、AID轉換、D/A轉換和通信功能。(2)Profibus-DP總線通信通信采用Profibus-DP總線技術來完成。采用一主多從的工作方式，工控機具有總線的控制權，可向從站發送、獲取信息。各個PLC單元都掛接在現場總線上，能夠實時的接收指令和上報現場工作狀況。并且每個單元可以脫離監控級獨立運行，自成一個小系統。Profibus-DP總線傳輸速率最高可達12Mbit/s，對于現場級設備的數據傳輸來說己經十分充足。(3)操作控制級操作控制級，使用工業控制PC機對下位機進行監控和信息管理。電站系統拄制過程中的全部信息可以在顯示在工控機上;并且工控機還可以存儲和打印此類數據，供其他系統使用。工控機一般具有人機接口，管理操作人員可以修改一些過程的參數，并以命令是形式發送給下位機單元中，控制電站的運行。此外，電站監控系統是船舶整體自動化系統的一部分，作為上位機的工控機又與綜合