1、本 科 毕 业 设 计A 大学船舶电站自动化实训装置的设计I摘要船舶电站是保证船舶正常航行的重要设备之一，船舶电站最主要的目的在于保证船舶供电的连续性、可靠性和供电品质。随着船舶的大型化和自动化以及电子信息技术和自动控制技术的不断发展，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随之提高。因而船舶电站自动化近二十年来发展十分迅速，自动化水平得到了极大的提高。本文根据 A 大学船舶电站自动化实训装置的建设方法，参考大量船舶电站系统的技术资料，采用三菱可编程控制器实现船舶电站自动化实训装置的设计。首先介绍船舶电站自动化技术的国内外现况、总体结构和工作原理，然后对断路器、控制变压器、电流互感
2、器等元件进行选型工作，再对船舶电站自动控制系统的硬件和软件进行了设计。最后详细介绍了船舶电站自动化实训装置教学功能，主要包括船舶主配电板的日常管理及常见故障分析，发电机组手动并车、手动解列及停车实训。该电站实训装置具有较完备的船舶电站功能，不管是元器件的选择还是电路的设计上，都符合大型远洋船舶设计标准，所有的元器件都是使用真实的船舶元器件。船舶轮机学员使用 A 大学船舶电站实训装置学习远洋船舶自动化电站的工作原理、操作管理和调试维修，学习效果都十分理想。A 大学船舶电站实训装置是目前国内较为先进的电站实训装置。【关键词】：船舶电站；可编程控制器；调频调载IIAbstractShip power
3、 station is one of the most important equipments on ship, The main purpose is to keep the continuity, Reliability and quality of power supply. With the large-scale and automation and vessels of electronic information technology and automatic control technology unceasing development. More and more hi
4、gh automation degree of ship to ship, Power automation degree higher requirements and ship power automation nearly 20 years developing very rapidly. And automatic monitoring standards have been greatly improved.In the thesis, Introduced the realization of ship power station in Zhejiang ocean univers
5、ity, Large number of data about ship power station is referenced, Introduced the training device design to achieve of ship power station automation by Mitsubishi PLC, First introduction the status of domestic and foreign and overall structure of the ship power station automation technology, Requirem
6、ents of ship power protection, Breakers, Control transformers, Current transformers and other devices of the switch board are chosen, And described the work principle of ship power station training device, Then the ship power station plant automatic control system hardware and software design. In th
7、e end details of the ship power station automation training equipment teaching function, Including ships main switchboard fault analysis and fault analysis, Generator manual car, Manually splitting and parking training.The power station training device have complete function of ship power station, T
8、he choice of either components or circuit design, Are consistent with large ocean-going ship design standards, All components are using the real ship components. Marine mechanical engineer use ship power station for training to learn the working principle, Operation, Management and maintenance of po
9、wer stations, Learning are very good. The ship power station in Zhejiang ocean university is currently more advanced power station training device in the country.keywords: Ship power station ; Programmable controller ; Frequency and load adjustmentIII目 录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 船舶电站自动化技术的国内外现
10、状及发展趋势 .11.2 本设计的意义和主要内容 .31.2.1 本设计的意义 .31.2.2 本设计的主要内容 .3第 2 章 船舶电站自动化实训装置主要元器件选型 .52.1 船舶电站自动化实训装置主要元器件选型的基本要求 .52.2 船舶电站自动化实训装置主要元器件的选型 .52.2.1 发电机断路器的选型 .52.2.2 控制变压器和电流互感器的选型 .72.2.3 测量仪表的选型 .72.2.4 发电机并联运行自动控制单元选型 .7第 3 章 船舶电站自动化实训装置的总体结构 .93.1 船舶电站自动化实训装置的组成 .93.2 船舶电站自动化实训装置的设备 .93.3 船舶电站自动
11、化实训装置的工作原理及教学功能介绍 .103.3.1 船舶电站自动化实训装置的工作原理 .103.3.2 船舶电站自动化实训装置教学功能介绍 .11第 4 章 船舶电站自动化系统硬件设计 .134.1 自动准同步并联运行装置 .134.2 船舶电站电压参数的采集及处理 .144.3 船舶电站并联运行中的相位检测 .144.4 频率检测和稳频的电路设计 .154.5 有功功率检测、转移的电路设计 .164.6 调频调载装置 .174.7 PLC 的 I/O 接口分配 .17第 5 章 船舶电站自动化系统的软件设计 .19IV5.1 自动准同步并联运行的软件设计 .195.1.1 并联运行程序设计
12、 .195.1.2 频率检测及稳频子程序设计 .205.1.3 频率检测和稳频梯形图 .215.2 自动调频调载装置的软件设计 .225.2.1 并联运行时调频调载的主模块程序设计 .225.2.2 调频梯形图 .24第 6 章 船舶电站自动化实训内容介绍 .256.1 船舶主配电板的日常管理及常见故障分析 .256.2 发电机组手动并车、手动解列及停车实训 .26结论 .31致谢 .32参考文献 .33附录 A 大学船舶电站自动化实训 室照片 .340第 1 章 绪论1.1 船舶电站自动化技术的国内外现状及发展趋势船舶电站自动化在不同时期有其不同的发展程度。船舶电站自动化是随着陆用自动化技术
13、不断取得进步而逐渐发展起来的，到 20 世纪 50 年代末反馈控制理论在船上已经得到了广泛的应用，使机舱里的部分运行参数得以自动化控制。直至 20 世纪 60 年代中期，开始出现无人机舱。60 年代后期，计算机应用技术逐步在船上得到推广，促使船舶机舱自动化进入快速发展的新时期。在此后的每一个发展阶段都是以计算机技术的改革作为标志，基本上可以分为三个阶段:第一阶段是全船采用的是一台计算机进行集中控制和管理。计算机软件的应用使控制系统的硬件和设备大大简化，并且使得控制和管理功能更加丰富。不过该类系统造价昂贵，而且可靠性差，一旦计算机发生故障，就会导致系统完全瘫痪。第二阶段是以计算机技术为代表的分散
14、控制。由于上一个阶段的单台计算机过于集中的控制方式存在上述缺点，因此从 70 年代中后期开始，船舶电站自动化技术逐渐由集中型转向分散型。当时，计算机技术的普及应用和后来单片机技术的推行也为这一转变提供了技术支持。分散型系统简单易行，造价低，且具有较好的可靠性、安全性和可维修性。这就使得在 70 至 80 年代中期这一段时期内船舶电站自动化都以分散控制为主。目前，我国现有的船舶大部分也以这种方式为主。第三阶段是以网络技术的应用为特点的网络式控制阶段。分散型系统不便于集中管理和控制，是因为该系统虽然克服了集中型系统的致命缺点，但由于各个系统之间是分散独立的，系统之间不能进行数据通信。即使在集控室还
15、设有集中监视系统，但监视系统与各个分散系统之间并不存在数据通信关系，它只是简单地接收各个分散系统送来的报警信号，只起到监视报警作用，缺乏管理和控制功能。随着计算机通信技术的发展，80 年代末 90 年代初新造船舶开始采用网络型计算机自动化技术。该系统采用多微机分布式控制的方法，虽然不同的设备和系统仍然采用独立的微机控制，但是微机之间可以进行数据通信，各个分散系统通过网络连成一体，便于实现集中管理和控制。网络监控方式继承了集中型和分散型控制系统的优点，成为当今船舶电站自动化的发展方向。根据网络形式的不同，船舶电站网络控制系统可分为集散型控制系统(简称 DCS )和现场总线型控制系统。现场总线技术
16、自 20 世纪九十年代中期扩展到船舶工业领域，使船舶自动控制技术获得了新的进展。80 年代中期以来，随着计算机技术特别是微型计算机技术的飞速发展，计算机在自动化领域的应用越来越广。可编程序控制器（PLC）控制、单片机控制、STD 和 PC 工业总线控制等工业控制途径都能够较好的用于生产实践，并已推广应用到船舶自动控制上。如：美国ONAN 公司推出了智能化电站控制系统 POWERCOMMAND，可以实现全部电站自动化任务。WOODWARD 公司 95 年推出了专用于电站控制的计算机分布式控制系统，完成了发电机控制、同步并联运行、频率控制和系统监测等全部自动化任务。随着船舶自动化程度的不断提高，国
17、外工业发达的国家在八十年代中期就开始了从事研究未来船舶的工作。我国古代船舶在船体结构和动力方面，在世界造船、航运史上创造了不少辉煌的记录，但是近百年来，我国船电工业落后西方较大的距离。80 年代开始，我国积极1从国外引进船用电气设备制造的先进技术，加以消化吸收，并积极开展国际交流和学术交流活动，按国际电工委员会（International Electro technical Commission，简称 IEC）修订我国船电设备的标准，以适应船舶向大型化、自动化方向发展的需要。现在船舶电站自动化技术的发展趋势主要有以下几个方向：(1)从常规的继电器、分立元件形式的控制发展到无触点控制，大规模集成
18、电路，结构化、模块化。采用了微机，一般包括可编程控制器，使控制部分的体积重量大大减小、工作可靠性大大提高，且控制方式也由硬件控制变成以软件控制为主，使功能的修改、组合或扩展变的很容易，维护方便，模块通用性好。(2)计算机控制由大型机集中控制方式发展到多微机分散控制方式，使工作的可靠性大大提高，进而出现由多级计算机构成的分布式控制系统，并应用光纤通讯和网络技术。对过电流、欠压、逆功率等多数参数实现监测报警和控制；电压、电流、频率、功率、功率因数等参数及主开关通断状态等也在软配电板上有指示。可随时实现选定点的召唤打印记录，这些记录可代替传统的手写日志。当被检测的参数值超出允许范围，就会发出声光报警
19、并且自动打印记录。(3)信号处理由模拟量信号处理逐渐发展到尽可能多的使用数字量信号处理和通讯。(4)嵌入式系统正在逐步进入船舶自动化领域。船舶电站嵌入式自动化技术按结构划分为管理层、控制层和设备层。管理层完成对电站的集中控制和管理，控制层采用高可靠性的嵌入式控制主机，具有数据采集和发电机组的控制功能，设备层控制器位于机旁，就近对机组的运行参数进行检测及报警。管理层与控制层之间通过工业以太网连接，控制层与设备层之间通过 CAN 总线连接，各层之间可以进行各种数据的交换，最终实现高度自动化、网络化和智能化的新型船舶电站自动化。嵌入式自动化技术各个结构的作用：管理层是位于集控室的监视终端，是系统的最
20、上层，可以通过以太网与控制层的控制主机通讯获取电站运行信息，对电站的运行情况进行集中控制和管理，可以根据情况进行调频调载，并且可以对发电机组的故障进行报警，当在网运行的发电机组出现故障时可以进行自动换机。控制层的嵌入式控制主机具有数据采集和发电机组的控制功能，可以通过 CAN 总线与设备层的控制主机连接是以采集电站运行参数，如发电机组的三相电流、有功功率和功率因数、电网各节点的电压和频率等。可以控制发电机组启动、停机、应急停机、加速和减速，控制发电机主开关的合闸、分断。此外，还可以对发电机组的故障进行报警，并且进行相应的故障处理。设备层的控制器位于发电机组的机旁，就近对机组的运行参数进行检测，
21、如发电机的转速、冷却水温度、滑油压力等。在这里，可以直接控制发电机组启动、停机、应急停机、加速和减速，而且还可以对超过报警设定植的运行参数进行报警。当机组出现超速、冷却水温度极高、滑油压力过低等情况时会自动对机组应急停机。电站嵌入式系统的管理层、控制层和设备层需要互相协调的工作，这样才能够实现整个电站半自动或自动的运行，有效地进行了对发电机组、主配电板的各种保护，来提高电站运行的可靠性。21.2 本设计的意义和主要内容1.2.1 本设计的意义2011 年 3 月 14 日，舟山群岛新区正式写入全国十二五规划，作为中国首个群岛新区，浙江舟山群岛新区是国家一项做深做强海洋经济的战略决策。舟山多年来
22、一直围绕“海”字做文章，不断调整和优化产业结构，全市已形成了以船舶修造、临港石化、水产品精深加工等为支柱的海岛型工业体系。船舶工业是海洋经济的先导产业，船舶工业总产值达到 632.6亿元，占当地全市工业总产值的 45.9%，工业造船能力已突破 600 万载重吨，已成为全国重要的修造船基地。全市港口货物吞吐量达到 2.12 亿吨，近十年年均增速达 21.9%，已跻身全国沿海十大港口之列。对全市 28 家重点船舶修造企业技术人员的调查，普遍情况是生产一线的一般操作工人很多，高水平的技能人才缺乏，尤其是一些专业知识、操作技能、创新能力较强的高技能人才缺乏。全市 28 家重点船舶修造企业仅有高工 53
23、 人，工程师 210 人（截至 2010 年 12 月） 。根据舟山市统计局权威统计，2010 年末全市船舶修造业人才总量在 10000 人左右，只占该行业从业人员的 18%左右，其中技能人才 3384 人，扣除复合型人才后的技能人才 3055 人，占船舶修造业人才总量的 36.1%，其中拥有高级技能等级证书的人才仅 1238 人，大大低于全市其他重点支柱行业人才占从业人员的比重。根据当前舟山市船舶工业发展状况，对船舶修造高技能人才的需求将不断增长，特别是船体装配、船舶管系、船舶电气、船舶涂装、船舶配件加工等岗位的用工需求巨大。据专家估算，几年内我市船舶工业用工需求将达到 10 万人左右，剔除
24、临时用工及船舶工业技术升级转型后用工人数减少等因素，保守估计，每年至少需递增 5000 人，而这每年递增的 5000 人，必须是具有职业资格证书的高级工、技师、高级技师、工程师和高级工程师职称的高技能人才。可以说，对于技能型人才，特别是本地化高技能人才，船舶企业现在是求贤若渴。本课题是基于 A 大学船舶电站自动化实训室建设项目，为其设计并建造一套实物船舶电站仿真系统。该实训装置完全按照标准的 8 万吨的远洋船舶设计，所有的设备跟实船是一样的。该系统的用途是为“船舶电站自动化”课程教学。电站实训装置满足对船员进行电气使用管理方面的实训需要，并充分考虑轮机员船电培训的需要，保证了该设备具有先进性、
25、典型性、通用性、良好的可靠性和优良的教学效果。电站系统必须满足 IEC 标准、船级社规范、现代船船舶电站技术要求和海事局的船员培训、评估的要求。A 大学船舶电站实训装置将为社会带来许多船舶修造业高技能人才，满足社会的人才需求。1.2.2 本设计的主要内容结合现代化船舶电站与自动化的发展，设计与开发一套船舶电站实训系统。采用并车保护单元+可编程控制器的实船典型方式实现电站的自动化，配设主开关的电动远操机构，设置完备的总线通信机制，提供先进的双层网络的电站远程监控功能，体现教学效果和实训手段的先进性，整个电站的设计与布置考虑了使用于教学的目的，能够充分地展示手动，半自动和全自动等工作模式，组合起动
26、屏中选择了实船使用的多种典型电路。电站元器件的选择都为品牌产品，在确保可靠性的基础上，同时注重教学展示意义。所制作的船舶自动化电站功能具有发电机组的自动起停控制和保护；自动并车操作；并联运行中功率的自动分配、转3移，电网频率的自动调整；发电机的运行管理；大功率负荷投入管理；发电机组机、电故障的自动处理与报警，顺序起动；发电机自动、故障状态下解列、停机控制；发电机的保护；运行状态及故障显示；参数监视与修改，以及自动化电站系统的自检功能。本系统采用 3 台发电机组模拟船舶的主发电机组(2 台)和应急发电机组(l 台)。每台发电机的额定功率均为 460kw，额定电压为 440v，额定频率为 6OHz
27、，额定电流 738A。控制箱为普通一体式控制箱。并带有电压、电流、频率、水温、油温、油压显示，集调整、操纵、监测于一体，其上装有电子调速器和电子控制仪表板，并设有转速表、计时器、水温表、油温表、油压表、起动按钮等。机组配有远传显示仪表，可显示水温、油压、油温、转速、电瓶电压，装有远程起动/停机开关。提供 RS232 接口。4第 2 章 船舶电站自动化实训装置主要元器件选型2.1 船舶电站自动化实训装置主要元器件选型的基本要求元器件的选型主要是根据两点来进行，一是所选元件必须满足系统功能实现的要求，二是要符合船舶电力系统保护的需要。本实训电站系统要能够模拟远洋船舶电站系统的操作与自动控制功能，主
28、要包括:发电机组的自动起动停车控制和保护；自动并车操作；并联运行中功率的自动分配、转移，电网频率的自动调整；取决于负荷大小的发电机运行台数管理；大功率负荷投入管理；发电机组机、电故障的自动处理与报警，负荷自动分级重合闸；发电机自动、故障状态下解列、停机控制；发电机的保护；运行状态显示及故障显示；运行中系统给定参数的监视与修改，以及自动化电站系统的故障自检功能日。船舶电力保护系统基本要求是:(l)快速切除短路故障保护装置能自动地快速动作，切除故障回路，排除受损的电路及火灾危险。(2)故障时选择动作保护装置选择性动作，仅切除故障回路，保证非故障回路的连续供电。(3)对设备和回路的最大保护保护装置应
29、该对较大范围的故障电流均能动作，以实现对设备和回路的最大保护。(4)选择合理的保护方式根据负载的性质和重要程度，合理的选择性保护、非选择性保护或后备保护。(5)选择合适的保护装置保护装置必须具有适当的短路定额、短时额定电流和适当的热容量。(6)合理的选择电缆电缆与保护装置特性协调。(7)系统保护的协调整个电力系统保护装置动作配合完好。2.2 船舶电站自动化实训装置主要元器件的选型2.2.1 发电机断路器的选型发电机供电必须通过断路器来控制。断路器是能接通、承载和分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件下(例如短路)接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。主配电板上使用的断路器是系统设计根据可能出现的最大故障电流来选用的。目前远洋船舶配电板，一般采用国外塑壳断路器，如施耐德的 MT 型，ABB 的 IsomaxS 型，寺崎的 XS 型，西门子的 3VF 型等。对于发电机断路器选型时，要考虑到以下几个因素:(l)额定工作电流要大于 738A，额定工作电压为 440v，额定频率为 60Hz。(2)额定短路接通能力要大于最大预期峰值电流。(3)额定短路分断能力要大于短路电流的最大电流的有效值。(4)能够进行遥控分合闸操作。(5)所带脱扣单元能够满足发电机三段式保护的要求。综合考虑以上几点与价格因素，实训电站配电盘采用施耐德 MT10 型断路器作为发电机
