基于S7-300PLC和PPU的远洋渔船船舶电站控制系统设计

燕居怀，谭银朝



基于S7-300PLC和PPU的远洋渔船船舶电站控制系统设计

燕居怀，谭银朝

（威海海洋职业学院，山东荣成264315）

基于S7-300可编程逻辑控制器（PLC）和船舶电站发电机并车与保护单元（PPU），设计了远洋渔船船舶电站智能化控制系统。以PLC为主站、PPU为从站组成的联合控制核心，采集发电柴油机组以及船舶电网的各项参数，实现输入、输出共享，并根据设置的参数进行智能化指令执行。满足船舶电站自动控制以及安全保护等功能，适应渔船在航行及作业过程中工况多变的特点，从而提高船舶电力网的可靠性、便利性与经济性。

S7-300PLC PPU 船舶电站 智能化控制

0 引言

随着现代科技与经济的发展，对船舶机舱的智能化要求越来越高，船舶电站的智能化控制更是船舶机舱智能化的核心。为适应远洋渔船电力系统特点（电站配置、照明系统、助渔设备、无线电定位等），实现过程智能控制及远程监控，通过以西门子S7-300PLC为主站，PPU为从站组成的控制系统，实现船舶电站在船舶离港、起动、航行、靠岸、拖网捕捞作业等工况下发电机的智能起动、智能并车、智能卸载、智能监控、故障检测和解决等智能控制[1]。

西门子S7-300可编程逻辑控制器是中小型PLC，模块化设计，使它在保持原来PLC共同优点的基础上增加了灵活性，在各行各业已得到广泛的应用。在船舶行业的自动化控制方面应用也比较普遍。

PPU 是船舶电站并车与保护单元，专门用来负责船舶电力网的电力分配。它可以采集多种船舶发电机组与电力网的模拟参数，并且及时转化为数字量，与其他从站PPU、主站PLC以及机旁控制箱进行通信，可以弥补PLC在繁杂信号采集过程中的不足。

1 船舶电站组成

基于S7-300PLC和PPU的远洋渔船船舶电站由两台250 kW柴油主发电机组、一台250 kW应急发电机组以及配电板组成。在正常航行工况下，只需启用一台发电机组供电，当捕鱼作业、靠离港等工况下两台发电机组并联运行。备用发电机组与主发电机组实现互锁，当主发电机组故障或其他原因导致全船失电，备用发电机组会在规定时间自动起动，并且只能给必要负载供电。

主配电板设有二组发电机控制屏及主开关屏，一组应急发电机控制及主开关单元，一组380 V负载屏，一组380 V负载及岸电屏，二组组合起动屏，一组并车屏。为了增加船舶的安全性，主汇流排分为独立的二段，把船舶安全必需的设备别接在不同的段上，并且两段汇流排用隔离开关连接，就相当于有了双重保护。

2 船舶电站功能

本渔船设计的船舶电站的功能主要包括自动控制和智能保护功能两部分[2]。

2.1控制功能

根据船舶电站的自动化程度把工作方式分为手动控制、半自动控制和自动化控制三种方式。

1）手动控制方式

每台发电机组都配有机旁控制箱，在智能控制设备出现故障的情况下，也可以通过手动操作以确保船舶电力系统的正常运行。通过机旁控制箱可对船舶柴油发电机以及电网的各种参数进行调整，也可实现船舶电站的同步并车、手动解列、重载询问、手动停机等功能[3]。

2）半自动控制方式

在此设计中，也可以不经过PLC而直接由PPU进行一些简单的控制功能，这样在PLC故障条件下仍可以进行一定程度的自动化控制。PPU就暂时成了控制核心，PPU除了具有信号采集与检测功能外也可以实现部分控制功能。检测汇流排的电压、频率与发电机组的各项参数，控制发电机组的起动、调频调载、并车、卸载、停机等功能。此时PPU之间的信息传递可以不经过信息模块，只用简单的电气联系。

3）自动控制方式[4]

正常情况下，船舶电站是由PLC与PPU共同作为控制网络进行工作。此控制网络由主站西门子S7-300与三台从站同步保护装置PPU组成。主站负责整个网络的过程控制管理，从站负责电网及发电机组的各项参数的采集与转化，主站与从站之间，从站与从站之间通过Profibus进行网络通信。可以实现船舶电站各种控制与报警处理功能。

2.2安全保护功能

船舶在运行过程中出现故障是难免的，这些故障又可以根据严重程度分为一类和二类故障。二类故障包括柴油发电机组的冷却水温度过高、滑油压力与温度异常等。发生二类故障以后，监控系统进行简单的处理，比如降低故障发电机负荷等，并立刻发出报警信号，如有需要需要人工进行处理。[5]一类故障包括超速、冷却水过高等严重异常现象需要立即停机，发出报警信号，等待值班人员进行处理。

3 PLC+PPU系统硬件组成及软件说明

3.1硬件组成

由于对此船舶电站的设计标准是全自动监控，对硬件的选型也要考虑稳定性、可靠性等各方面问题。此处我们选择西门子S7-300CPU315-2PN/DP(如图1）作为控制机。该可编程控制器的模块化形式增加了他的组合灵活性，扩展方便，功能更强，性价比高，而且处理信息的精度和速度都能达到船舶电站自动监控的要求。根据实际要求我们选用的其他模块及器件分别为电源模块PS、信号模块SM、安装导轨DIN、功能模块FM、中央处理器CPU。

图1西门子S7-300PLC

PPU对发电机组及电网参数的采集、发电机组的自起动、自动调频调载、自动并车等的控制、过流过载、逆功率等保护功能，我们选择了DEIF公司的MULTI-LINE2 系列PPU(如图2）配合PLC实现。但是PPU对复杂的逻辑控制不如PLC，但是对信号周期长、实时性较差的信号处理优于PLC，如此便和PLC形成优势互补之势。此外PPU还提供了用户加密功能、保存数据、下载数据和进行软件升级等功能。PPU的链接线路图如图3所示。

3.2控制系统的软件设计

本船舶电站的PLC程序由STEP7软件编写，系统的硬件组态图如图4所示。程序分为主程序、中断程序与子程序，按设备层与控制层设计，每层分为若干个模块。[6]每个模块对外设计为PLC程序标准接口，使整个程序层次分明。主要流程如下所示：船舶发电机组自动起动流程图（如图5）、主发电机自动增机流程图（如图6）、重载问询流程图（如图7）、自动减机流程图（如图8）。

图4 系统硬件组态图

图5 船舶发电机组自动起动流程图

图6 主发电机自动增机流程图

图7 重载问询流程图

图8自动减机流程图

4 结论

针对远洋渔船的耗电负载特点，应用S7-300系列可编程逻辑控制器和PPU技术实现远洋渔船船舶电站智能化控制的方法、步骤，实现远洋渔船电站的智能起动、并联运行、智能调频调载、智能卸载、智能停机、智能监控报警等功能。在对该船舶电站进行了调试，基于西门子S7-300和PPU的远洋渔船船舶电站智能化控制系统的各项技术指标均达到了设计要求。

[1] 李雷, 刘燕, 胡益超. 基于S7-300的船舶电站功率控制系统的设计[J]. 工业控制计算机, 2013, 25(10): 53-54.

[2] 胡勤耕. 基于PLC的船舶电站控制系统研究[D]. 西南石油大学, 2012.

[3] 陈旺, 林叶春. 基于PLC和PPU船舶电站自动控制系统设计[J]. 中国水运月刊, 2011, 01(1).

[4] 罗文锋. 基于LabVIEW与PLC的船舶电站监控系统的研究[D]. 武汉理工大学, 2009.

[5] 劳山. 船舶电站自动化及发电机保护的设计与实现[D]. 大连海事大学, 2014.

[6] 吕井勇, 杨涛, 张民. 船舶电站自动控制系统软硬件设计[J]. 机电设备, 2009, 第5期(5):27-29.

Design of Power Station Control System for Deep Sea Fishing Vessels Based on PLC and PPU

Yan Juhuai, Tan Yinchao

(Weihai Ocean Vocational College, Rongcheng 264315, Shandong, China）

A power station control system for deep sea fishing vessels is designed by using S7-300 programmable logic controller(PLC) and paralleling and protection unit（PPU). With the S7-300 PLC as main station and PPU as the slave station, all the parameters of generator set and ship power system are collected to share input and output parameters, and to execute instruction intelligently. The system can meet the functions of intelligent control and fault alarm of the ship power station. It adapts the fishing vessels in changing working conditions which enhance the ship electric system’s reliability, convenience and economy.

S7-300PLC;PPU; ship power station; intelligent control

TP273

A

1003-4862（2016）04-0037-05

2015-11-25

燕居怀(1974-)，男，副教授。研究方向：电气自动化技术。