1、 本科 毕业设计 基于 PLC的船舶发电机自起动系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘 要 船舶电站 是船舶的重要组成部分，电站运行的可靠性、经济性及自动化程度对保证船舶的安全运行有重要的意义。 船舶的自动化和大型化，对 船舶电站自动化提出了很高的要求。船舶发电机自起动作为船舶电站自动化的重要一环，有着无可替代的作用。 PLC 作为一种的 新型控制技术 ， 在实现船舶电站自起动的过程中，采用 PLC 来控制，能够保证发电机自起动的可靠性。 本设计主要研究对象为发电机组，就其在船舶电站自起动过程中需要满足的一些条件进行了研究，
2、在待并发电机并入电网的过程中，研究电网和待并发电机组中电压、频率、相位的差异对电机并车带来的影响。在具体涉及到电压、频率和相位上的设计时，用发电机调压器来对待并发电机的电压进行调整，用同步表法来指示待并发电机与电网电 压相位差、频率差并在此基础上进行相位差和频率差的调整，上述过程可用 PLC 来进行信号的检测、比较、调节到最终的信号发出。通过对发电机进行调整并结合 PLC 的控制，能够实现发电机自起动。在整个发电机自起动过程中，可能会出现一些故障问题，采用了相应的保护措施来保证发电机自起动的安全起动。 进过试验研究表明，发电机自起动基本能够实现的，若加上发电机的运行监控，将运行状况反映到控制屏
3、上，可以让发电机自起动更加的直观，维修也更加方便。 关键词 ： 船舶电站；发电机； PLC；自起动 III Abstract Ship power station is an important part of a ship, it has an important significance to ensure the safe operation of the ship through power station operation reliability, economy and automation. Ships are larger and more automation, so it
4、 has a high demand on the ship power station automation. Since the ship generator automatic starting as an important part for the ship power station automation, has irreplaceable function. PLC as a new control technology, in the process for the ship power station automatic starting, use PLC to contr
5、ol, can guarantee the reliability of the generator automatic starting. The main research object is generator in this design, study the conditions in the process for the ship power station automatic starting, in the process of the generator connection with the power grid, study the influence for gene
6、rator which bring from the difference of voltage、 frequency、 phase between the power grid and the generator waiting for stating. When design the voltage、 frequency and phase, use the voltage regulator adjust the voltage of the generator waiting for stating, use synchronous table method to indicate a
7、nd adjust the phase difference、 frequency difference between the power grid and the generator waiting for starting, the above process can be used PLC to signal detection、 comparison、 adjust and the final signal issued. Through the combining of generator adjustment and the PLC control, can realize th
8、e generator automatic starting. In the whole process of generator automatic starting, may appear some failure problems, so use corresponding protection measures to ensure the safety of generator automatic starting. Scored the test research shows that generator can be automatic starting, If plus gene
9、rator running monitoring, reflect the operation conditions on the control screen, can let the generator automatic starting more intuitive, also maintenance more convenient. Keywords： ship power station； generator； PLC； automatic startingIII 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 船舶电站自动化的国内外研究 . 2 1.1.1 船舶电站自动化系
10、统发展阶段 . 2 1.1.2 船舶电站自动化系统发展趋势 . 2 1.2 船舶电站自起动的概述 . 3 1.3 PLC 在船舶电站自动化中的发展及优势 . 3 第 2 章 船舶电站自起动系统工作分析 . 5 2.1 船舶电站系统的组成和其特点 . 5 2.1.1 船舶电站系统的组成 . 5 2.1.2 船舶电站系统的特点 . 5 2.2 船舶发电机自起动工作原理 . 5 2.2.1 发电机组自起动的管理结构 . 5 2.2.2 发电机组并车种类 . 6 2.3 发电机组的自动准同步并车 . 7 2.3.1 准同步并车条件 . 7 2.3.2 自动准同步并车信号检测 . 7 第 3 章 船舶发
11、电机自起动系统的软硬件设计 . 9 3.1 船舶发电机自起动的设计 . 9 3.1.1 发电机起动的流程 . 9 3.1.2 船舶发电机自起动前的准备工作 . 10 3.2 发电机自起动系统软硬件的设计 . 10 3.2.1 PLC 的选型 . 11 3.2.2 PLC 在机组起动中的设计 . 11 3.2.3 PLC 在自动并车中的总流程设计 . 12 3.3 并车过程的设计 . 13 3.3.1 电压的设计 . 13 3.3.2 频率的设计 . 14 IV 3.3.3 相位的设计 . 15 第 4 章 船舶电站自起动系统的可视化 . 16 4.1 软件的选择 . 16 4.1.1 MCGS
12、 组态软件 . 16 4.1.2 上位机和 PLC 间的信号设计 . 16 4.2 监控画面的设计 . 17 第 5 章 电网和发电机的保护 . 19 5.1 电网的保护 . 19 5.1.1 电网的短路保护 . 19 5.1.2 电网的过载保护 . 19 5.2 同步发电机的保护 . 19 5.2.1 发电机的外部短路保护 . 20 5.2.2 发电机的过载保护 . 20 5.2.3 发电机的欠压保护 . 20 5.2.4 发电机的逆功率保护 . 20 小结 . 21 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 附录 . 23 1 前 言 船舶电站主要指主发电机和主配电板的船舶电源装
13、置，船舶电站是船舶的重要组成部分，是船舶电力系统的核心，船舶电站由 原动机 、 发电机和主配电装置组成， 电站运行的可靠性、经济性及自动化程度对保证船舶的安全运行有重要的意义。 船舶作为一种重要的交通依然有着不可替代的地位。在全球经济一体化的发展过程中，船舶承担了 90%以上的国际贸易运量，随着科技的不 断发展，船舶的大型化和自动化以及电子信息技术和自动监控技术的不断发展，如今船舶上的设备、体系都在不断的进步和完善，船舶自动化程度越来越高，对船舶电站自动化程度的要求也越来越高。 船舶电站是船上重要的辅助动力装置，供给辅助机械及全船所需电力， 在船舶的电力系统中具有一个极为重要的地位。近年来，随
14、着船舶运输业的发展，船舶电站也有了很大的变化，特别是自动化技术和电子工业技术的发展为船舶电站自动化发展提供了需要的技术和物质条件，船舶运输现代化的需要，促使了船舶电站向自动化的方向发展。 随着机舱、通讯、装卸作业等自动化 设备的不断兴起，就要求船上有一个能够保证连续可靠的提供电能的电站。对于无人值班机舱，更加需要有一个功能完善的可靠的自动化电站。在现代化船舶上，电站操作越来越复杂、电站自动化程度日益提高。 二十世纪七十年代后，船舶电站系统的控制形成了功能齐全、性能稳定的由数字集成电路与线性模拟集成电路组成的控制系统。八十年代后，出现了由单片机或单片机组成的微机控制系统，微机在船舶工业中的应用也
15、是不断的进步从而研制出了自动化程度更高，性能更好的控制系统。到了九十年代， PLC 软件的应用增强了控制系统的可靠性和寿命，就目前 PLC控 制的电站、主机遥控、集中监测报警等系统已经不断的更新换代，使得船舶电站正在逐步的形成属于自身的一套完善的船舶自动化管理控制体系。 船舶电站的自动化能够维持电站供电的连续性和持续性，提高船舶的生命力，减轻船员的值班强度，改善船员工作环境，充分利用人力。所以，就现在各方面而言，研究微处理器在船舶电站中的应用在今天仍然有相当重要的现实意义。 2 第 1 章 绪论 1.1 船舶电站 自动化 的国内外研究 1.1.1 船舶电站自动化系统发展阶段 船舶作为运输工具的
16、历史，几乎和人类文明史一样悠久。从远 古的独木舟发展到现代的运输船舶，船舶的发展历程中船舶作为一种水上的运输工具在不断地创造和完善下，逐渐的向大型化、专业化、高速化和自动化发展。如今一艘好的船必须要有一个完善的船舶电力系统和一个自动化的船舶电站，作为船舶的一个重要的组成部分， 电站运行的可靠性、经济性及自动化程度对保证船舶的安全运行有重要的意义。 在 八十年代占主导地位 的 集中式监控系统 CCS，采用单片机、 PLC 和 微机作为控制器。该 系统可监控船舶电站运行时的数十个参数。 该 监控系统的优点是替代了十 多 个模拟调节器的工作， 如湿 度、 油 压、 温度 等调节器。船员在 集控室 中
17、就 可 以 掌握 各个 电站设备的运行 状况 。但 该系统 采用模拟量通信信号， 使 整个系统造价昂贵 ，而且 集中控制 同样使 风险集中，一旦出现故障可能造成整个电站监控系统的失控或瘫痪。 九十年代的 集散式监控系统 DCS，由于 微型计算机技术迅速发展 ， 电站监控系统 也在不断的发展 。集散型控制系统是 由 计算机、通信、显示和控制技术 构成的 。集中管理、分散控制 作为其核心思想 ， 做到了 管理 和 控制分离 开 ，上位机 主要负责 集中监视管理， 而 下位机 则下放到现场实现分布式控制。 所以，相对于集中式监控系统，该 监控系统体系结构 使集散式监控系统可靠性得到提高 。 现场总线
18、式监控系统 FCS 是由集散式监控系统发展而来， 该 监控系统 在 集散式监控系统的基础上有了实质性的进步，因为可以在 现场完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能 。 现场总线式监控系统 的 通信具有 “双向性 ”， 而很多 集散式系统的通信 没有这功能，用现场总线 将现场各 个 控制器 和 仪表设备 进行连接 ，构成 一个 现场总线监控系统 。将 监控下放到现场， 使 现场信息的可 信度提高 ， 使 安装成本和维护费用 降低 。 1.1.2 船舶电站自动化系统发展趋势 由于船舶电站的自动化能够维持电站供电的连续性和持续性，提高船舶的生命力，减轻船员的值班强 度和改善船员工作环境，从
19、而充分利用人力。近些年来，计算机、通信、控制等技术的迅速发展外加随着船舶的大型化和多功能化发展，对船舶电站自动化水平和要求也是越来越高，在驾驶、机舱和装卸货等方面都实现了自动化控制。在其中的发电机组并车中就能看出一些变化，从开始的手动并车发展到出现船舶自动化并车装置来完成手动并车操作的全过程，从手动到自动，能够看出船舶电站自动化的水平在不断提高。 展望 21 世纪， 电站自动化由原来局部的 、 就地的监控，必然发展到综合的 、 集中的自动化电站 。船舶综合的自动化是集机舱自动化、机械自动化、装卸自动 化等于一体的多功能系统。当今网络监控方式是船舶电站自动化的发展方向，此监控方式继承了集中型和分
20、散型控制系统的各自优点。目前，国际上的主要生产厂商制造的船用控制系统都是网络型控制系统。 目前德国西门子公司、丹麦约克船舶公司等国际著名的船电产品制造商都有较成熟的技术和各自的产品，一些产品上都反映了现代船舶自动化的特点和发展趋势。如德国的 Siemens 3 AG 和 STEIN SOHN、希腊的 GOLDEN Marine Automation、挪威的 Kongsberg Norcontrol AS及日本的 NABACO 等。对 于 Siemens 公司推出的最新产品 SIMOS IMAC 55。其产品是一个全开放的模块化分布式网络型监视、控制和报警系统，该系统采用工业标准组件进行了系统的
21、构建，该系统不但方便了一些多功能船员的操作，增加了系统的冗余性、可靠性和安全性。 上述的介绍可以看出将来的船舶电站自动化将很大程度上依赖于计算机及其网络技术。用计算机进行全船的智能管理，可以使其能够可靠运行，提前检测故障，保证船舶的安全，拥有经济的操作。为此，我国的航运和航海教育要做好这方面的准备工作，让相关的机构和人员能够适应这个发展趋势。 1.2 船舶电站自起动的概述 船舶电站自起动作为船舶电站自动化中的重要一个环节，在船舶自动化的不断发展和创新中，也是得到了很快的发展，光在船舶电站的发电机并联运行一项中就能反映出。 在实现电机并联到电网的同步操作中就有手动、半自动和自动三种方法：手动同步
22、操作是指操作人员用手动完成调节待并发电机的电压、频率和相位，使之达到并联的符合要求后合闸；半自动同步操作是指操作人员用手动调节其中的电压差和频率差，在达到并联符合的要求后，由自动装置完成合闸的操作；对于自动同步操作是指在电压差、频率差、相位和最后的合闸都由自动装置来 完成。 刚开始的由操作人员通过观察待并机对同步条件的满足情况，并作出操作的判断 是需要升速还是降速，是升压还是降压，随后进行电压、转速的调节操作，在电压、频率和相位达到要求后，将发电机主开关合闸，把发电机投入并联。 在操作的过程中，操作人员根据同步表和同步指示灯提供的依据来进行相应操作的。同步表式利用其表面指针的旋转方向和快慢来表
23、示频率差的大、小和正、负，用固定的（ 12 点）位置来表示相角重合；同步指示灯是用指示灯来显示频率差的大小和正负（旋转法），及其相应的相角重合。 手动准同步并车对操作要求较高，若操作 不当，会让电网产生很大的冲击电流，严重时可能造成船舶停电。相对于人员的操作，利用自动装置来代替操作人员进行发电机的并车，可以很好的避免一些人为的原因而导致电站出故障的事故，随着电站自起动的不断发展，利用计算机的智能管理，可以使电站可靠的运行，保证船舶的安全、经济的操作，减轻船员的工作强度，改善船员的工作环境。所以船舶自起动的研究对今后船舶的发展有着重要的意义。 1.3 PLC 在船舶电站自动化中的发展及优势 PL
24、C 作为一种新型、通用的自动控制装置，是以微处理器为核心，并集计算机技术、通信技术众优点于一身的控制 装置。由于其结构简单、性能优越、使用方便、易于编程等优点，在如今自动化控制的控制结构更趋分散化和复杂化的情况下， PLC 的应用将越来越重要。 船舶电站控制的最大特点是动作复杂、频繁，其中需要很多的执行元件，在起初的船舶电站中使用继电器控制逻辑运行需要大量的中间继电器，使得电站的控制系统看上去十分的复杂，在维修电站故障的时候非常费时、费力。而 PLC 的使用可以让 PLC 内部的辅助继电器进行编程后来取代众多的中间继电器，一般的 PLC 有上百个内部辅助继电器甚至更多，对于一些基本简单的控制要
25、求都能够应付，只需要对 PLC 进 行编程即可。 PLC 的运行速度、可靠性和寿命都要远远高于继电器控制方式，在更改控制逻辑时只需4 要改软件的程序，无需对硬件作改动；除了有继电器的功能外，还有多种其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，拥有扩展单元、模块，当需要较多的 I/O 接口时可以方便的扩展。采用 PLC 控制的自动化柴油机发电机组，具有硬件的结构简单、成本低廉、响应速度快、性能价格性价比高等优点。经现场使用的考验， PLC 的运行可靠，性能稳定。对于现代化的智能控制系统，可以通过通讯模块将 PLC 纳入到整个控制系统中，体现出了 PLC 极大的灵活性和适 应性，具有极高的实际推广
26、价值。 5 第 2章 船舶电站自起动系统工作 分析 船舶电站自起动作为船舶电站自动化中的重要环节，在船舶电站自动化控制囊括的自动化多项功能中占了其中的大部分，如信号自检、自动起动、自动准同步并车。在具体的控制过程中，又用了可靠性很高的 PLC 控制系统，让电站的起动更快、更稳定。本章介绍船舶电站自起动系统工作的分析，在研究过程中，首先进行简单的船舶电站系统介绍。 2.1 船舶电站系统的组成和其特点 2.1.1 船舶电站系统的组成 船舶电站系统主要由电源、配电装置、电力网和用电负载组成。 （ 1）电源：电源是将其他形式的能量（机械能、化学能等）转化为电能的装置。通常，船舶电源包括发电机组和蓄电池
27、组。主发电机组是船舶的主电源，当主发电机不能供电时由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要的设备和应急照明系统供电。发电机组的原动机用得最多的是柴油机，其次是汽轮机。由于柴油机热效率较高、起动快、机动性好，所以，柴油机的发电机组是最为常见的。 （ 2）配电装置：分为总配电盘、分配电盘、应急配电盘、蓄电池充放电盘和岸电箱。它是接受和分配电能的装置，包括了 各种转换和控制开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电路、自动化装置和各种附属设备。 （ 3）电力网：它是全船电缆电线的总称。其作用是联接电源和负载来传送电能和信息。可分为动力电网、照明电网、应急电网、低压电网和弱电电网等。 （ 4）负载：照明设备，
28、甲板上及舱室的电力拖动机械，通信导航设备以及船内通信和生活用电等各种电力设备。 2.1.2 船舶电站系统的特点 （ 1）船舶电力系统是一个独立的电力系统，一般其单机容量和系统容量都比较小，因此发电机组和电网电压之间的相互影响较大。误操作或局部故障都容易导致全船断电，威胁 船舶的安全。所以要求船舶发电机组要有较高品质的调速和调压装置，且要给电力系统配置安全可靠的保护装置。 （ 2）船舶对电气设备而言是一个工作环境恶劣的场所，会影响设备的可靠性、正确性和寿命。因此需要船舶电气设备能在湿热、油气、盐雾等恶劣的环境中和规定的船舶倾斜、摇摆、振动或冲击等条件下能够可靠的工作。 （ 3）船舶电站的发电设备与用电设备之间的距离很短，因此在计算电网压降时，往往可以忽略电缆的电抗。 2.2 船舶发电机自起动工作原理 2.2.1 发电机组自起动的管理结构 模块化的发展可以让系统在局部发生故障时，能够最 大限度保留自动控制功能，可靠性、灵活性很大。由于模块与模块之间连接的构思不同，可分总体控制方式和积木块式两种类型。
