内容提要：根据船舶应急电站与主电站的关系以及对应急电站的控制要求，在主电网和应急电网、主配电板开关、联络开关、应急发电机组等硬件基础上，自主设计基于PLC及其控制软件替代继电器（接触器）的应急电站自动控制系统。
关键词:船舶 电网 应急电站 PLC 自动控制
根据《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）和中国船级社(CCS)《钢质海船入级与建造规范》（以下简称《规范》）关于应急电源设置及供电时间的规定，远洋货船多设置有应急发电机，以便在船舶主电源失效时向《规范》所规定设备（以下称“重要设备”）供电，确保船舶安全。
应急发电机能否发挥其应有的效能，除发电机、电网等硬件外，还取决于其控制系统的功能及性能。
1应急电站（含自动控制系统）的功能及其实现
船舶电力供应系统包括主电站和主电网、应急电站和应急电网、小应急照明。其中，“重要设备”必须配置主电网和应急电网两路电源。
主电站和主电网以及应急电站和应急电网的布置见图1，从左到右，G1、G2、G3是主发电机，ACB1、ACB2、ACB3是主开关，MSB是主电网，MCB是主配电板开关，EMCB是联络开关，ESB是应急电网，EACB是应急发电机主开关，GE是应急发电机。
图1应急电站与主电站的关系
应急电站的作用，是在主电站失效时向“重要设备”供电。
应急电站的控制系统，一般都具备手动、自动两种操作模式。
手动操作模式，只有应急发电机遥控起动/停车、合闸/分闸等操作，无需自动控制。
自动操作模式，为保证应急电站的功能，设置应急电站自动控制系统，其功能至少有：
·保证主电网或应急电网均不由主电站和应急电站同时供电。
·不妨碍主电站向主电网供电前提下的本系统试验，包括发电机组自动启动（维护性试车只包括起动且运行2分钟后自动停车）、联络开关EMCB跳闸、应急电站主开关EACB合闸向应急电网供电，等。
·维持应急电站的准启动状态，包括发电机组的周期性自动预润滑、供油系统预供油、润滑油和冷却水自动加温、蓄电池自动充电等。
·及时感知主电站失效。
·适时接通（延时5秒）/断开（主电网恢复供电延时5秒）应急电网与主电网的电的联系。
·应急发电机启动（经延时确认45s内启动，包括建立电压、调整电压和频率，连续三次起动均不成功才作为起动失败终止起动同时发出声光报警）/停止（空载运行1分钟后自动停车）。
·适时连接/断开应急发电机与应急电网（供电和停止供电）。
·应急电站（原动机、发电机、配电板及相应开关）的保护，例如：应急发电机组起动成功经延时保护环节投入工作后，润滑油压过低（小于0.3MPa）、冷却水温过高（大于95℃），立即停车同时发出声光报警信号，待故障排除且复位后才可再次起动；润滑油温、冷却水压异常发报警信号，等。
传统的应急电站自动控制系统，多采用有触点的继电器构成逻辑和时序控制环节，即利用继电器机械物理触点的串/并联、通/断实现各种逻辑控制。
其中的第1项——“保证主电网或应急电网均不由主电站和应急电站同时供电”，由应急电站与主电站之间的电气联锁实现：
·主电站正常时，主发电机（G1、G2、G3）经主开关（ACB1、ACB2、ACB3）向主电网MSB供电，同时经主配电板开关MCB和联络开关EMCB应急电网ESB供电。此时，应急发电机不能起动、合闸，应急电网ESB可视为主电网MSB的一部分。
·主电站失电，应急配电板上的联络开关EMCB自动分闸，经延时确认，应急发电机GE在45s内自动起动、EACB自动合闸向“重要设备”供电。
·主电站恢复供电，则EACB应自动分闸切断供电，应急发电机立即自动停车。
其中的第2项——不妨碍主电站供电条件下自动控制系统系统的试验，通过联络开关EMCB实现（该开关需采用框架式自动开关或使用配有上电合闸操作机构的自动开关）。
①开始试验，只需将应急配电板上的试验开关从工作位置扳到试验位置，应急配电板的自动控制系统依次控制：
·应急配电板上联络开关EMCB跳闸（应急配电板失电）；
·原处于备用状态的应急发电机组自动起动并建立电压；
·主开关EACB合闸（应急电站向应急电网供电）。
此时，主电站与应急电站同时分别向主电网和应急电网供电，但两个电网间没有电的直接联系。
②结束试验，只需将试验开关扳回工作位置，应急配电板检测到主电网有电，其自动控制系统依次：
·主开关EACB跳闸（应急电站停止供电）；
·EMCB合闸（应急电网恢复由主电站供电）。
采用继电器的应急发电机控制系统，接点多，线路复杂，尤其是因设置允许三次重复起动需确认各信号延时的情况下，需设置多个时间继电器。而船舶环境恶劣（例如纵倾横摇、振动、温度、湿度、油雾、盐雾、霉菌等），若维护不当，主电站失效时应急发电机可能无法起动，严重威胁船舶安全。
为此，有必要改进应急发电机控制系统，而如今电子技术的快速发展为此提供了有利条件。
本文根据船舶应急电站与主电站的关系以及应急电站的控制要求，在应急电网、主配电板开关MCB和联络开关EMCB、应急发电机组等硬件基础上，设计基于PLC及其控制软件替代继电器（接触器）的应急电站自动控制系统。
2基于PLC的应急电站自动控制系统的硬件构建
本设计，应急柴油发电机组采用蓄电池启动，柴油机启动发火即升至额定转速，发电机建立电压后即投入供电运行。
（1）选用PLC,因为其具有以下优点：
·专为恶劣的工业环境设计，硬、软件两方面都采取了提高抗干扰能力及可靠性的措施；
·采用存储逻辑，控制逻辑以程序方式存储在内存中，便于修改，极具“柔性”而无需改变外部接线；
·定时范围可从1ms起定，精度高，且定时整定不受环境影响；
·具有通讯功能，便于与触摸屏等结合构建良好的人机界面。
（2）选型
根据应急电站控制功能需要，13个输入量都是电压、温度、压力等传感器转换的开关量；10个输出量也全为开关量，故选用有14DI/10DO的西门子S7-200系列CPU214，无需另加装扩展模块。
PLC输入、输出点设置及地址分配见表1。
表1 PLC的I/O设置及地址分配
|
序号 |
名称 |
地址 |
序号 |
名称 |
地址 |
|
1 |
手动 |
I0.0 |
1 |
起动 |
Q0.0 |
|
2 |
自动 |
I0.1 |
2 |
停车 |
Q0.1 |
|
3 |
遥控起动 |
I0.2 |
3 |
运行指示 |
Q0.2 |
|
4 |
模拟试验 |
I0.3 |
4 |
合闸 |
Q0.3 |
|
5 |
滑油低压 |
I0.4 |
5 |
分闸 |
Q0.4 |
|
6 |
冷却水低压 |
I0.5 |
6 |
起动故障 |
Q0.5 |
|
7 |
滑油高温 |
I0.6 |
7 |
故障声报警 |
Q0.6 |
|
8 |
泠却水高温 |
I0.7 |
8 |
油压低指示 |
Q0.7 |
|
9 |
主电网失电 |
I1.0 |
9 |
水温高指示 |
Q1.0 |
|
10 |
发电成功 |
I1.1 |
10 |
故障输出 |
Q1.1 |
|
11 |
停车、复位 |
I1.2 |
|||
|
12 |
试灯 |
I1.3 |
|||
|
13 |
手/自动合闸 |
I1.4 |
（3）应急电站自动控制系统
根据应急电站的运行特点及其对控制系统的要求，基于S7-200PLC及其控制硬件构建的应急电站自动控制系统见图2。
图2应急发电机控制系统
本系统中，硬件连接简单，输入、输出全部为开关量信号。图中：
C1检测应急发电机电压，应急发电机建压，C1有电，其常开触电闭合，PLC输入点I 1.1为1；
C2检测主电网电压，主电网失电，C2常开触点断开，PLC输入点I 1.0为0，起动应急发电机；
C3是应急发电机起动接触器；
P1是压力传感器，若运转中应急发电机滑油低压，PLC输入点I0.4为1，系统将执行安全保护程序；
P2是压力传感器，当运转中应急发电机冷却水低压，PLC输入点I0.5为1，系统执行安全保护程序；
T1是温度传感器，当运转中应急发电机冷却水高温，PLC输入点I0.7为1，系统执行安全保护程序；
T2是温度传感器，当运转中应急发电机滑油高温，PLC输入点I0.6为1，系统将执行安全保护程序；
R1～R8都是中间继电器。
3应急电站自动控制系统的程序（软件）设计
应急发电机自动控制系统的程序，主要有起动模块、安全保护模块和停机模块。
3.1起动程序设计
运行控制有三种方式：手动、自动和试验，任一方式下都允许三次重复起动。
应急电站起动程序流程见图3。
图3应急发电机起动程序流程图
（1）“自动”方式起动流程
①接受主电网失电信号，延时5s确认。
②发出起动信号，起动发电机组并建压。
③5s内发电机组建压成功→延时8s确认→指令主开关合闸向应急电网供电，同时监控警报投入工作；或5s内建压不成功→停止起动信号10s→间隔15s后再次起动（共允许重复三次）→第65s终止起动，发出起动失败报警信号。
（2）“手动”方式起动流程
起动信号由操作者发出，发电机建压成功后手动合闸供电，其余流程与“自动”方式同。
（3）“试验”方式起动流程
与手动、自动基本相同，只是不合闸供电，应急发电机组运行2分钟后自动停止。
3.2安全保护程序设计
应急电站安全保护程序逻辑见图4。
图4故障报警及停机程序逻辑
系统安全保护程序功能是：
①采集相应监测传感器送到来输入点的信号，并确认。
②发出报警或同时保护停机：
·不会立即出现危险的故障，发出声光报警（提醒值班人员注意）；
·可能即将出现危险的故障，发出声光报警（提醒值班人员注意），且立即自动保护停机（保护停机后，即使故障排除，也需按停车复位开关后才能重新起动）。
3.3停机程序设计
应急发电机组，下列情况停机，程序逻辑见图5。
图5应急发电机停机程序逻辑
·发出起动指令5s后发电机未建立电压，停机10s。
·连续三次启动均未建立电压，停机且不允许再起动。
·主电网恢复供电，供电状态下的应急电站经延时2s确认后分闸，发电机组空载运行1分钟后停机。
·模拟试验，发电机组起动建压成功，运行2分钟后停机。
·发电柴油机滑油低压和/或冷却水高温，延时1s确认后停机。
·手动开关置于停车位置，立即停机。
4结束语
本设计采用软件实现控制逻辑及时序逻辑，完全适于旧船改造应急电站控制系统：
·可靠性高，某实船安装运行，性能完全符合设计要求。
·硬件电路简单，费用低廉,本系统中的PLC费用不到人民币2千元。
作者：江苏海事职业技术学院 王云华 来源：航海技术
