摘 要

船舶应急电源及其相关控制装置的性能指标是衡量船舶在各种工况下安全可靠运行的重要指标之一。在主电网停电的情况下，船舶应急电站自动控制系统直接关系到应急发电机组启动和切换的准确性和快速性，实现快速发展。船舶应急电站响应精度和自动控制。本文设计了一套应急电站。符合规范要求的电站自动控制系统。系统采用罗盛触摸屏作为上位机，西门子生产的s7-200系列PLC为下位机。使用西门子的Step7编程软件，船舶应急发电机组自动启动和自动停机，应急发电机组自动停机和开启控制在开关中，故障报警和参数显示被编程。

关键词：船舶应急电源、s7-200、船舶自动化

Abstract

The performance index of ship emergency power supply and its related control devices is one of the important indexes to measure the safe and reliable operation of ships under various working conditions. In the case of power failure of main power grid, the performance of automatic control system of ship emergency power station is directly related to the accuracy and rapidity of start-up and switching of emergency generator set.The system uses the Luosheng touch screen as the upper computer, and the S7-300 series PLC produced by Siemens Company as the lower computer.

Using Step7 programming software of Siemens, the program of automatic starting, automatic stopping, automatic closing and opening control of main switch of emergency generator, fault alarm and parameter display are compiled.

Key words: Ship Emergency Power Supply；s7-300；Ship Automation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 4

1.1选题背景及其意义 4

1.2 国内外发展现状及趋势 5

1.3 PLC在应急船舶电站中的应用 6

1.3.1 PLC概述 6

1.3.2 PLC的工作原理 7

1.3.3 PLC 在应急船舶电站中应用的优势 7

1.4 本课题的主要内容和结构安排 7

第2章 船舶应急电力系统 9

2.1 概述 9

2.2 应急发电机容量的确定 9

2.3 应急电站的基本要求 10

2.4 船舶电力系统频率变化 11

2.5 船舶电站负荷调节 11

2.6 调速器调速原理 13

2.7 调速器调速特性 13

第3章 船舶应急电站控制系统的设计与实现 16

3.1 控制系统设计步骤 16

3.2 PLC的选择 16

3.3 控制系统硬件电路设计 17

3.3.1 控制系统供电电源 17

3.3.2 模拟量信号的处理 18

3.4 控制系统软件设计 18

3.4.1 PLC的硬件组态 18

3.4.2 船舶应急电站流程及其程序的设计 20

第4章 结论 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1选题背景及其意义

海洋事业关系民族生存发展状态，关系国家兴衰安危。党的十八大以来，在习近平总书记亲自谋划、亲自部署、亲自推动下，建设海洋强国被确立为党和国家的一项重大部署，我国海洋事业总体上进入历史上最好的发展时期。正如习近平总书记所指出的，“关键的技术要靠我们自主来研发，海洋经济的发展前途无量”。开启建设海洋强国新征程，我们必须增强依海富国、以海强国的海洋意识，加快发展海洋经济，着力突破海洋科研技术，全面推进海洋事业发展。“晴天响雷敲金鼓，大海扬波作和声。”新时代中国迈向海洋强国的前进脚步，定会坚定不移、锐不可当。

揆诸近代史，背海而弱、封海而衰的惨痛教训，深刻警示人们海权“操之在我则存，操之在人则亡”。建设海洋强国，对维护国家主权、安全、发展利益，对实现全面建成小康社会目标、进而实现中华民族伟大复兴都具有重大而深远的意义。只有进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动海洋强国建设不断取得新成就，我们才能守好“蓝色国门”、开创蓝色辉煌，实现中华民族海洋强国梦的美好愿景。

作为中国的战略产业，船舶设备制造业为交通运输，经济和贸易输出重要的设备。 加入世界贸易组织后，中国已经成为世界领先的进出口国，航运是最大的贸易贸易比率。 这需要一个安全可靠的造船业作为幕后支持。 它受到封锁，导致中国的造船业落后于世界先进国家。 因此，对于造船业的发展，它可以带来经济和经济的发展，解决劳动力，就业等问题。^[1]

目前，受各种运输方式的影响最大的是航运。 根据钢船的分类规则，中国船级社规定500吨客船和货船应配备客运供电。 在正常情况下，它必须独立于主电源。 具体情况显示，船舶的应急电源是在紧急情况中使用。 发电机组或应急电池组也可用作应急电源装置。 应急电源称为应急发电机。 当主电源中断时，应急电源将继续供应重要设备，以确保船上生命和财产的安全。

船舶电力的核心是船舶的动力系统，而动力系统的核心是船舶的发电站。 当船舶电站的主电源发生故障时，不能为船舶供电，导致大部分设备停止运转。 因此不能满足船员的日常需求，万一发生事故，整船和船员将收到致命威胁; 这意味着我们需要应急电源，应急电源必须是自动的，智能的和可操作的。 无论是主电源还是应急供电系统，都由电源，配电，电网和负载连接。 当主电源系统失去电源时，应急电源必须确保重要设备的安全和正常运行，如：必要的照明，救生，通讯，消防等安全应用。

今天，大多数新船应急电厂控制系统采用网络组合和PLC控制技术。 在中国，大量的研究投入在船舶应急电厂控制系统的设计方面，但与国外同类产品相比仍然有较大差距。目前，船舶配套设备正朝着高效，长寿命，无污染，体积小，模块化，安全，可靠的方向发展。

一方面，研究船舶应急电站控制系统是为了巩固所获得的知识，为了完成大学的学习内容，达到学习和应用的效果。另一方面，通过研究和实践，掌握知识，从而扩大学习，研究应用于中国造船业的船舶应急电站控制系统，推动中国造船业的发展，更加接近远离国内的国际先进技术，同时促进贸易发展，增强国际影响力和经济实力。^[2]

1.2 国内外发展现状及趋势

目前，新船应急电厂的大部分自动控制系统采用了网络控制方式与PLC的结合的方式;在船舶应急电厂自动控制系统的设计中，中国船舶领域许多相关研究单位的研究工作适用于实际船舶，虽然功能与国外产品相似，指标仍较低。随着科学技术的不断发展，船舶支持产品正在开发中，以实现高效，自动化，智能化，集成化，模块化，长寿命，无污染，体积小，安全。船舶应急电厂的主要发展趋势如下。

（1）完整应急电站的模块化

船舶应急电站的配套产品以菜单的形式提供给用户。 用户可以根据需要进行合理组合。 基于菜单的组合和发电厂设备的集成设计，即模型块制造，并且每个分级产品在标准化接口中组装。 在监视软件编译中，您可以使用参数设置自适应地进行转换，而无需重新编写软件程序。

（2）智能电站

其中所谓的情报现在不仅指个人设备的智能，还指发电站的整体功能。 今天的大多数工业设备本身可以通过使用工业控制组件在设备内部工作。 该设备受到监测和报警，但对于船舶应急电站，应从设备之间的控制线角度。 如果通过整个船舶监控系统连接到互联网，您可以远程诊断，维护，甚至基于陆地的专家诊断系统进行远程控制，以进行远程诊断和维护。 这些是智能发展的方向。 国外的高性能智能船舶可由第一人称桥梁和远程专家诊断。

（3）应急电站设备

设备使用寿命长，无污染，容量小。 在使用寿命方面，国产柴油机的大修周期为3000h和6000h。 现在12000h甚至可以延长到18000小时，而进口机器可以更长。 在污染控制方面，越来越多的国家和地区完全控制燃烧柴油机器的排放。 一些油轮上船员的声音也收到限制。 对于设备和设备之间的材料（例如电缆），还强调了诸如无毒和无害的说明。 通过集成电气元件来改善原材料特性并提高加工精度，今天的设备往精密化的方向发展，功率等也大大提高。^[3]

（4）新船应急电站监控系统

近年来，发展迅速在船舶监控系统技术上体现的淋漓尽致，从以微控制器系统和计算机系统为核心的初始分布式控制系统到工业以太网系统，工业现场总线，智能图像监控终端和现场。具有嵌入式网络设备的新型船舶监控系统，数据采集终端和集成电站管理系统，将提高整个电站的控制，运行，综合管理和维护效率，高度开放，可靠，耐用的船舶电站监控系统。发展正在逐步走向标准化，模块化，系列化，开放性，衰减，网络化，信息化和人机交互。

1.3 PLC在应急船舶电站中的应用

1.3.1 PLC概述

有关于国际电工委员会发布的可编程控制器的标准和定义：可编程控制器是一种专为工业环境应用而设计的数字计算操作电子系统，它使用可编程存储器。它用于存储程序。相关设备应易于与工业控制系统集成。设计原理可编程逻辑控制器（PLC）是一个工业控制装置，是微机技术与传统继电器控制相结合的结果，PLC是一种特殊的工业控制机器，PLC框图软件系统.如图1.1所示。

图1.1 PLC组成方框图

PLC的硬件系统组件通过内部系统总线连接，包括电源总线，控制总线，地址总线和数据总线。输出扩展器是输入和输出单元的扩展;而PLC软件，如图显示，由两部分组成：用户程序和系统程序。

1.3.2 PLC的工作原理

可编程逻辑控制器的输入和输出模块用于将传感器和执行器连接到系统，以检测各种参数，如温度，压力和流量等。这些I / O模块有两种类型：数字或模拟。通信接口模块：智能I / O模块，可在CPU和通信网络之间传输信息。这些通信模块用于与其他PLC和计算机进行通信，这些PLC和计算机位于远程位置。可编程逻辑控制器CPU中的程序由操作系统和用户程序组成。具有CPU的操作系统的目的是处理PLC的任务和操作，例如启动和停止操作，存储区域和通信管理等。用户使用用户程序来完成和控制自动化中的任务。

PLC扫描周期典型的PLC扫描周期包括以下步骤：

（1）操作系统开始循环并监视时间。

（2）CPU开始从输入模块读取数据并检查所有输入的状态。

（3）CPU开始执行以梯形图逻辑或任何其他PLC编程语言编写的用户或应用程序。

（4）接下来，CPU执行所有内部诊断和通信任务。

（5）根据程序结果，它将数据写入输出模块，以便更新所有输出。

（6）只要PLC处于运行模式，此过程就会继续。

1.3.3 PLC 在应急船舶电站中应用的优势

应急电厂控制具有复杂的控制功能，并且通常许多接触器充当执行器。 传统PLC具有数百个内部继电器，以满足一般控制要求。PLC具有许多优点：

（1）不对硬件进行任何改变，只通过简单地修改软件来改变控制逻辑;

（2）程序可以复制，批量生产容易

（3）大大简化了电气硬件设计

（4）由于PLC具有继电器功能

（5）可靠性高

1.4 本课题的主要内容和结构安排

本文的主要内容是利用PLC工业控制技术，基于PLC控制的应急船舶电站自动控制系统。下面计算机PLC设计可通过输入和输出接口连接到发电机组和现场设备。并通过网络连接到主机，主计算机接口设计具有各种接口。设备的状态和主要参数可以显示在设计界面上。工程师可以通过各种接口观察和操作设备。^[4]

（1）首先，充分讨论了自动应急电站的组成，原理，功能和要求。在了解控制器功能和监控技术的基础上，选择油轮管理系统。

（2）设计并实现应急发电机组自动启停控制的PLC控制，应急发电机组主开关的自动开启，应急发电机组主开关的自动关闭，以及综合报警和其他过程分析和研究。

（3）在主机上提出了几种设计接口设计，实现了电站的分散控制和集中管理功能。

第2章 船舶应急电力系统

2.1 概述

船舶动力系统由两部分组成：主动力系统和动力应急系统。强制船舶应急系统对船舶安全运行至关重要，是我们对船舶安全性能要求必备项目之一。船舶应急系统应有应急供电系统。它通常由四部分组成：供电单元，配电单元。^[5]当电力系统供电时，线路开关闭合，应急发电系统的主开关应该处于关闭位置，应急开关柜由主供电系统供电，应急供电系统用作主电源系统。

中国船级社的“钢船分类条例”规定，“应急电源应该配备在总吨位超过500的私人船舶和货船上，并为其供电”。或根据相关规定的具体情况，船舶电力系统使用船舶应急发电机组供电。应急发电机在传统意义上被称为大型应急电源设备，电池组传统意义上定义为小型应急电源设备。对于具有高安全要求的大型远洋船舶或客船，应急电源的组成一般分为应急发电机组和相应的应急电池组。

对于传统的机组来讲，应根据应急电源的不同，选择相应的电源。当然，在紧急情况下，应急发电机组必须在最短的时间内投入使用，牵引应急发电机所需的原动机应具有更好的独立性和机动性。在船舶应急电源系统中，柴油发动机通常用于紧急调度。

在电池组中，应急电池有两种酸性电池和碱性电池。酸性电池体积小，价格低廉，易于维护。在船上，酸性电池通常用作应急电池。应急配电板用于控制电池的运行，控制和监控应急电源并为船舶提供应急电源。配电设备由设备供电，它安装在与应急发电机相同的舱室中，通常安装在船的甲板上。应急配电屏幕是电源屏幕上的负载屏幕。设备和仪器与主配电屏上的发电机屏幕类似，不同之处在于它们不需要并联运行，也不需要完整的步骤和计数器以及电源继电器。

2.2 应急发电机容量的确定

应急发电机的电气设备范围的不同，主要取决于船舶的吨位和船舶的使用类型。 其中的能量通常由以下电气设备所需的电力决定，紧急警报和紧急信号要求， 防火门固定和释放装置，应急消防泵，导航灯，信号灯，火灾探测和报警装置，车辆通信。 自动喷水泵，电动水密门和指示灯报警器，逃生电梯应急装置等。

钢船的分类规则规定驳船的回收必须依靠紧急情况。

电源应由以下设备完全供电。

以下地点的36小时应急照明：“国际海上人命安全公约”规定的救生艇，现有的收集点，走廊，梯子，出口和入口处的舷外;乘客电梯（客船）的所有服务和生活空间，楼梯，出口和2个通道;主要发电站的控制位置，所有控制站。

需要供电3小时：

目前的国际法规要求使用导航灯和其他信号灯以避免海上碰撞; “国际海上人命安全公约”要求的两个高频无线电，中频无线电; 在出现危险情况时的通信设备：火灾探测和火警系统以及防火门固定和释放系统; 消防泵和自动喷水泵; 紧急舱底泵和运行电力。 远程操作底阀所需的所有设备。

以下设备的供电时间为0.5小时：根据“国际海上人命安全公约”的要求，由电力操作的水密门及相应的指示器和报警器;船员应急设备。

2.3 应急电站的基本要求

（1）系统具有自动和手动操作。

（2）机组入口压力低，入口温度高，冷却水或冷却出口温度高，超速报警停机。

（3）该设备有三个激活功能。如果第一次启动不成功，则在延迟10秒后，如果第二次启动不成功，则在10秒的延迟后启动并启动。如果三次启动，它将根据预编程程序运行。如果三次启动失败，则认为启动失败并发出警报信号。本机的空载电压设定范围为额定电压的95％-105％。^[6]

（4）机器装配有机侧控制箱，带转速计，用于监控柴油机。

（5）单位噪声不超过110dB。

（6）发电机的绝缘电阻不小于5MΩ，热态不小于2MΩ。

（7）当负载从空载到额定负载且其功率因数达到额定值时，交流发电机及其励磁系统应能将其稳态电压变化保持在额定电压土壤的3.5％以内。

（8）卸载负载时，额定速度为额定速度。当额定电流为60％且功率因数不超过突然加载和卸载时，电压接近对称负载0.4（滞后）的标称值。电压不稳定且数值有所降低时，额定电压的85%为最低值;当电压数值直线上升时，额定电压的120%为额定电压所能达到的最高值，电压应当稳定在最终数值的3％以内，稳定时间不应低于1.5秒。

（9）超速装置要求未必要满足条件，当额定电压满足时，负载突然消失，额定转速的10％为瞬时调解率所能达到的最大值，额定转速的5％为稳定度调节率的最大满足值。应急发电机组处于空闲状态。在这种状态下，额定负载突然增加50％。当剩余的50％负载增加时，瞬时调整率不超过额定速度的10％。

2.4 船舶电力系统频率变化

船舶同步发电机频率与原动机转速的关系

=

式中：—船舶同步发电机的频率，赫兹（）；

—船舶同步发电机的磁极对数；

—船舶同步发电机原动机的转速，.

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