船舶电力综合控制系统研究与开发

第３２卷第１期　２０１５年１月　机　电　工　程　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｃａｒｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊａｎ．２０１５　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５５１．２０１５．０１．０２１　船舶电力综合控制系统研究与开发　谢　坤　，夏　伟　，胡刚义　，易　宏２　（１．中国舰船研究设计中心，湖北武汉４３００６４；　２．上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海２００２４０）　摘要：针对船舶电力系统监测能力弱、可靠性差、自动化程度低等问题，将传感器、可编程逻辑控制器、并车与保护单元、电力综合显　控台应用到船舶电力综合控制系统中。对该系统的需求进行分析，建立自上而下管理层、控制层和数据层３个层次之间的关系，提　出了船舶电力综合控制方法。在联调试验和船舶上对该综合控制系统进行了实际应用。研究结果表明，该综合控制系统可显著提　高船舶电力系统的监测能力、可靠性、自动化化水平，保证了船舶电力系统的安全性、可靠性、优质性和经济性。　关键词：船舶电力综合控制系统；传感器；可编程逻辑控制器；并车与保护单元；电力综合显控台　中图分类号：ＴＰ２７３；ＴＭ７６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１５）Ｏｌ一０１１２—０６　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｈｉｐ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ＸＩＥ　Ｋｕｎ　，ＸＩＡ　Ｗｅｉ　，ＨＵ　Ｇａｎｇ．ｙｉ　，ＹＩ　Ｈｏｎｇ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｓｈｉｐ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｗｅａｋ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｂｉｌｉｔｙ，ｐｏｏｒ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ，ｓｅｎｓｏｒ，ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ—　ｌｅｒ，ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ，ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｏｌｅ　ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎｔｏ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｈｉｐ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｅｍａｎｄｓ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ａｍｏｎｇ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｌａｙｅｒ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｌａｙｅｒ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｓｈｉｐ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ＷａＳ　ｐｕｔ　ｆｏｒ－　ｗａｒｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｓｈｉｐｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌ・　ｉｔｙ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅ１．ｈ　Ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ，ｒｅｌｉｂｉａｌｉｔｙ，ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｈｉｐ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｎｓｏｒ；ＰＬＣ；ｐａｒｌａｌｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ（ＰＰＵ）；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｏｌｅ　Ｏ　引　言　船舶电力系统为全船用电设备提供电能，提供全　船正常照明和应急照明用电，为重要用电设备提供不　日趋复杂庞大，从发电、储能、输电、变电、配电、用电等　各个环节来看，电力系统运行与控制的复杂程度也越　来越高，各种故障因素都可能导致电力系统的安全问　题。因此，船舶对电力系统供电的可靠性以及用电负　问断电源。电力系统不仅仅要求实现供电的功能属　性，还应该实现供电的安全和可靠，而且在故障情况下　能保护设备是电力系统的责任。　随着船舶大型化和自动化程度的提高，越来越多　的船用设备需要电能来驱动和控制，使船舶电力系统　荷实时管理也提出了更高的要求，迫切需要研制对用　电设备的正常及事故情况进行监测、保护、控制、电力　计量的电力综合控制系统。电力系统联合工况的协调　控制、供电网络各节点的实时可靠性监控、储能系统与　发电机组及用电设备的运行匹配性控制、推进电机及　收稿日期：２０１４—０９—２６　作者简介：谢通信联系人：夏坤（１９８６一），男，湖北红安人，工程师，主要从事光机电液一体化、船舶平台信息化方面的研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｕｋｅｉｘ＠ｑｑ．ｃｏｍ　伟，男，湖北武汉人，高级工程师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉｅｋｕｎｚｊｕ＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　第１期　谢坤，等：船舶电力综合控制系统研究与开发　大功率辅机的功率控制与管理等都是船舶电力综合控　进行管理并执行任务，显控台是其承载实体。控制层　制系统面临的重要问题，因而对电力综合控制系统提　出了更高的要求。　近几年来随着现代电力电子技术、传感器技术、通　讯技术、计算机及网络技术和自动控制技术的飞速发　主要由各类控制设备、信号处理设备等组成，在现场进　行数据处理及控制，传感器采集数据通过控制层进行　综合处理后上传至全船信息传输网，供管理层及其他　控制层设备使用，控制层接受管理层指令，经内部逻辑　展，船舶的自动化程度越来越高，电力综合控制系统在　处理后，对现场执行器进行控制。数据层由位于底层　经过发展后也愈发成熟。它采用先进的测量仪器采集　电流、电压、功率、功率因素、频率、电网绝缘等电力系　统实时参数，并通过可编程逻辑控制器、并车与保护单　元等功能模块对船舶电力系统进行信息采集、状态监　的传感器和执行器等组成　Ｊ。　２　系统组成　测、回馈控制。　船舶电力综合控制系统实现对电力的自动化监视　与控制，实施智能化电力综合控制系统，可以有效保障　供电可靠性和供电品质，为船舶自动化提供保障；有利　于能量综合管理与控制，优化负荷分配，节约电力；提　高船员的工作效率，减小了劳动强度，节约人力资源。　综上所述，船舶电力综合控制系统对保证船舶电力系　统的安全性、可靠性、优质性和经济性具有深远意　义　引。　本研究针对船舶电子综合控制系统，作进一步的　研究与开发。　１　系统架构　电力综合控制系统基本系统架构图如图１所　示。电力综合控制系统在逻辑上划分为３个层次，　即管理层（电力综合显控台）、控制层（现场控制设备　及数据处理设备）和数据层（各类传感器及执行机　构），并进行有效分离，下一层设备向上一层设备提　供服务，同时从上一层设备接收指令并负责指令的　执行，根据需要将执行结果反馈到上一层设备，以实　现“管控分离”。　传感器传感器现场执行器　现场执行器　图１　电力综合控制系统基本系统架构图　管理层是人机交互的界面，对电力综合控制系统　船舶电力综合控制系统主要由控制保护分系统和　运行管理分系统组成。控制保护系统由发电、电源、配　电、推进、辅机、照明等监控子系统组成，其承载实体　是各子系统的现场控制柜、各用电设备电控箱、传感　器及执行元件；运行管理分系统由综合监控、运行支　持等子系统组成，承载实体是电力综合显控台。电　力综合显控台通过以太网与各监控子系统的现场控　制柜进行通讯，各监控子系统的现场控制柜与各用　电设备电控箱、传感器及执行元器件之间以现场总　线的形式进行通讯。船舶电力综合控制系统组成如　图２所示。　图２船舶电力监控系统组成示意图　船舶电力综合控制系统的主要设备包括电力综　合显控台、发电控制板、主配电板、应急配电板、电网　监控装置、推进电机控制板、辅机电控箱、照明配电　板等；此外，还包括采集电流、电压、功率、功率因素、　频率、电网绝缘等电力系统实时参数的先进传感器　或测量仪器。　为提高安全性，电力综合控制系统配置不间断电　源，为电力综合显控台、现场控制柜和重要设备提供不　问断电源。　电力综合控制系统各设备之间主要信息的传输通　过以太网进行，与安全运行密切相关的信息通过现场　总线或硬接线的方式来完成。　机　电　３　硬件设计　３．１电力综合显控台　电力综合显控台是电力综合控制系统的监控管　理中心，将电力系统中众多现场监控设备进行信息　集成，并通过电力综合显控台完成电力综合控制系　统各监控子系统和电力系统主要设备的运行参数监　测、协制与管理、系统参数报警及安全保护管理　等功能。　电力综合显控台台体采用模块化设计，由台体结　构、显示单元（标准显示单元、专用显示单元）、电子机　箱单元（人机接口计算机、任务处理计算机）以及操控　单元（标准操控单元、专用操控单元）组成。ｌｌ：ｌ：：Ｊ，ｂ，电　力综合显控台还设置有电源自动切换模块。　电力综合显控台基本配置如下：　（１）标准显示单元。即显示器，采用２０．１英寸显　示器。　（２）专用显示单元。用于完成某些专用功能的显　示单元，可采用模拟显示部件（指示灯、数码管等）或　小型显示终端。合荸　鞔制　　一　一　：　（３）人机接口计算机。采用标准计算机系统，运　行Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的人机界面软件，配置需求相对较高。　该计算机的ＣＰＵ为双核，显卡，箱体背部风扇　散热。　（４）任务处理计算机。选配件，运行Ｖｘｗｏｒｋｓ系统　或其他嵌入式系统的任务处理程序，用于完成对实时　性要求很高或运算量大的任务，无图形化软件界面，配　置需求相对较低，但对可靠性要求高，确保不能死机。重要断路器　　借鉴嵌入式系统的设计思路，任务处理计算机应该低　熏要设备应自；｝停机　功耗、散热良好，无显卡，箱体全封闭，无风扇，有　看门狗电路。　（５）标准操控单元。如鼠标、键盘。　（６）专用操控单元。设定用于完成某些专用功能　的显控单元，可采用模拟操控部件（开关、按钮等）或　小型显控终端。　（７）电源切换装置。用于保证电力综合显控台可　靠供电。电力综合显控台由两路相互的ＡＣ　２２０　Ｖ可靠电源供电，当任意一路电源失电时，通过电　源切换装置可切换至另一路电源供电。　电力综合显控台采用冗余的设计理念，对显示、控　制、报警功能均进行了冗余备份，并且对于关键的参数　显示和控制，同时采用硬接线的方式连接，确保可靠　性。电力综合显控台的架构图如图３所示。　工　程　第３２卷　以太网——　网现场总线…‘　现场　控制　一ｔ＿　一＿ｔ＿：一ｉ；一　一一ｔ…Ｌ—Ｉ一　双冗余现场总线　指　电　挥　机　罂场璺　……一　易玩存　Ｌ……　图３　电力综合显控台架构图　显示功能包括屏幕显示和硬显示。通过双冗余以　太网与人机界面计算机进行通信，电力系统运行参数、　状态信息可通过显示器进行显示。对于电力系统的重　要运行参数和状态信息，除了显示器显示外，还通过现　场总线或串口与任务处理计算机进行通信，以数码管　和指示灯等专用显示单元进行显示，如电源装置、推进　电机、辅机的状态信息等；对于电力系统的关键运行参　数和状态信息，同时通过硬接线的方式进行通信，以数　码管和指示灯等专用显示单元进行显示，如断路器状　态等。　控制功能包括屏幕软操和硬操。通过双冗余以太　网与人机界面计算机进行通信，电力系统相关操作可　通过轨迹球和显示器屏幕完成。对于部分重要的操作　项目，如推进电机、辅机启停控制等相关操作，除了屏　幕软操外，还通过现场总线与任务处理计算机进行通　信，通过设置的硬操按钮、开关等实现推进电机、辅机　启停控制等相关控制；对于电力系统关键的操作项目，　只通过硬接线方式连接实现硬操，如断路器的相关　操作。　报警功能包括屏幕报警和硬报警。通过双冗余以　太网与人机界面计算机进行通信，电力系统相关报警　信息可通过显示器屏幕实现，并通过蜂呜器、指示灯进　行声、光报警。　屏幕软操、屏幕报警和屏幕显示功能通过以太　网与人机界面计算机通信实现，硬操（硬接线除外）、　模拟显示部件、状态指示灯、数管显示部件等通过现　场总线或串口与任务处理计算机通信实现。人机　界面计算机与任务处理计算机之间通过中间件进　行通信，完成Ｗｉｎｄｏｗｓ系统与Ｖｘｗｏｒｋｓ系统之间的　通信　第１期　谢坤，等：船舶电力综合控制系统研究与开发　・１１７・　性和经济性具有深远意义。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［１］　ＺＩＶＩ　Ｅ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｏｂｕｓｔ　ｓｈｉｐｂｏａｒｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓ．　ｌ＃柴油发电机　ｔｅｍｓ［Ｊ］．Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅｆｉｅｗｓ　ｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００５（２９）：２６１．　２７２．　２＃柴油发电机　［２］董晓明，冯浩，石朝明，等．全舰计算环境体系结构和系　统集成框架［Ｊ］．中国舰船研究，２０１４，９（１）：８－１３．　［３］　夏伟，谢坤，阳世荣．船舶分布式智能电力监控系统　的研究与开发［Ｊ］．机电工程，２０１３，３０（８）：１０２０－１０２４．　［４］张萌，郑建华，王基．船舶艉轴部分分式机械密封结　图９　电力综合显控台上屏主界面　构分析［Ｊ］．流体机械，２０１３，４１（９）：１６—１９．　电力综合显控台上显示器屏幕显示电力系统的系　［５］　祝贺．船舶电力综合控制系统设计［Ｄ］．哈尔滨：哈尔　滨工程大学自动化学院，２００９．　统图，１Ｑ～１５Ｑ等开关显示电力系统主要设备的通断　状态，电网线条颜色的变化反映各主电路的通断隋况。　［６］　ＱＩＡＮ　Ｍｅｉ，ｗｕ　Ｚｈｅｎｇ－ｇｕｏ，ＨＡＮ　Ｊｉａｎｇ－ｇｕｉ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｓｉｍ－　ｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｎｅｔ－　下显示器屏幕显示电力系统主要设备和各监控子系统　ｗｏｒｋ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｒｏｃｅｄｉａ，２０１２（１６）：１９７２—１９７８．　的实时运行参数、状态及报警信息，主要包括发电、电　［７］ＬＵ　Ｈｅｎｇ—ｒｏｎｇ．Ｄｅｓｉｎｇ　ｏｎ　ＩＰＮＣＳ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　源、配电、推进、辅机、照明等６个界面。　ｓｈｉｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｅｔｈｅｒｎｅｔ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｒｏｃｅｄｉａ，　电力综合控制系统在电力系统联调试验和某船舶　２０１２（１６）：１７０７－１７１３．　电力系统实际设计应用中，运行稳定，能够安全、可靠　［８］　易倩颖，叶云岳，郑灼．基于ＰＬＣ的新型垂直提升式立　地对电力系统主要设备进行集中监控和运行管理，方　体车库控制系统设计［Ｊ］．机电工程，２０１２，２９（４）：４０９。　便操作人员。　４１２．　６结束语　［９］　范则阳，程骏，谢坤．一种本安型有水信号传感器设　计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１３，３２（２）：７４－７６．　本研究得出的船舶电力综合控制系统自上而下分　［１０］刘军德，盛礼俊，毛亚郎，等．基于嵌入式Ｂ／Ｓ模式的机　为管理层、控制层和设备层３个层次，实现了对电力系　电产品远程监控系统［Ｊ］．机电工程，２０１２，２９（６）：６７４．　统主要设备的自动化监视与控制，有效保障了供电可　６７６．　靠性和供电品质；有利于能量综合管理与控制，优化负　［ＩＩ］ＴＯＲＡＬ　Ｓ　Ｌ，ＢＡＲＲＥＲＯ　Ｆ，ＣＯＲＴＥＳ　Ｆ，ｅｔ　１ａ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　荷分配，节约电力；提高了船员的工作效率，减小了劳　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＣＯＲＢＡ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｎ　ｕｒｂａｎ　ｄｉｓ－　动强度，节约人力资源。　ｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｔａｎｄ－　联调试验和实际设计应用表明，该船舶电力综合　ａｒｄｓ＆Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２０１３（３５）：１５０．１５７．　控制系统对保证船舶电力系统的安全性、可靠性、优质　［编辑：张豪］　本文引用格式：　谢坤，夏伟，胡刚义，等．船舶电力综合控制系统研究与开发［Ｊ］．机电工程，２０１５，３２（１）：１１２—１１７．　ＸＩＥ　Ｋｕｎ，ＸＩＡ　Ｗｅｉ，ＨＵ　Ｇａｎｇ‘ｙｉ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｈｉｐ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２０１５，３２　（１）：１１２—１１７。　《机电工程》杂志：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｅｍ．ｃｏｎｒ．ｃｌｌ