船舶中高压交流电力系统人机交互监控系统设计

申明荣，祝彦兵

● （1．海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913；2．中船重工第704研究所，上海 200031）

船舶中高压交流电力系统人机交互监控系统设计

申明荣1，祝彦兵2

● （1．海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913；2．中船重工第704研究所，上海 200031）

利用PLC和触摸屏技术设计了船舶中高压交流电力系统人机交互（HMI）综合监控系统。该系统实现了中高压交流电站综合保护与部分控制的人机交互在线仿真——能够监控所模拟船舶电站的工作状态、实现相关设备的自动控制；能执行故障时的故障报警、位置指示、记录，对危害电力系统安全的故障能作用于相应的主断路器跳闸，实现系统的自动保护功能。

船舶中高压交流电力系统；人机交互；监控；触摸屏

0 引言

随着船舶向大型化、智能化的发展, 导致所需要的电力负荷不断增大，低压交流电力系统在安全、经济和环保等方面已逐渐难以满足要求，所以越来越多的新造船舶，尤其是工程船、电力推进船，提高电压等级，采用中高压交流电力系统。与低压交流电力系统相比，中高压系统具有以下优点：1）同等功率要求条件下，系统额定电流降低，减小了电缆直径和功率损耗，降低造船成本和营运成本，增大了舱室可用面积；2）在船舶电力系统配备同等容量的条件下，所需的发电机的台数少，使机舱设备更紧凑，可利用空间增大；3）在大容量电动机（如侧推）起动、系统发生严重短路故障时，可以减小起动电流或故障电流和便于系统继电保护的实现[1]。由于中高压系统的工作环境相对危险，工作人员在系统带电作业时操作不方便，因此需设计中高压电站的远程监控系统，使其更人性化。目前的监控系统通常具备控制设备起停、综合报警功能，而无法实现从监控系统界面中直接更改设定参数；因此设计具有人机交互功能的监控系统对工作人员更有帮助。本文将以某船中高压电力系统为依托，分别从硬件系统和软件系统来设计中高压交流电力系统人机交互（HMI）综合监控系统。

1 硬件系统设计

船舶高压交流电站综合保护系统的整体设计框架图如图1所示，高压发电机、变压器与汇流排的各保护的相应的特征量参数经信号采集设备将信号输送到转换单元进行模数（A/D）或数模（D/A）转换，最后转变为PLC能够处理的开关量或标准模拟量信号。经PLC处理后的开关量或模拟量信号经通信单元将数据打包输送给上位机触摸屏进行状态参数显示、报警，或输送至控制单元进行相关控制操作；工作人员亦可通过上位机向PLC处理单元输送控制指令，然后PLC将处理后的控制指令信号送至控制单元实现控制操作，以此来实现系统的人机交互功能。

图1 船舶高压交流电站综合保护系统整体硬件设计框架图

图2 SIMATIC管理器中HMI站的创建

硬件设计中PLC与触摸屏之间的通信时最难解决的问题，尤其是在缺少硬件而又必须实现HMI在线仿真时。在无硬件时，实现PLC编程软件（STEP7 V5.4）与触摸屏编程软件（WinCC Flexible 2007）两者之间的通信可实现HMI在线仿真。选择好所需的触摸屏类型与型号，完成在STEP7中生成实现人机交互的HMI站，如图2所示。

在HMI站建立后，利用在NetPro中建立连接的方法实现控制设备（PLC）和触摸屏设备之间的联系，完成两个软件的通信，如图3所示。

图3 用NetPro组态的MPI网络

2 软件系统设计

硬件是所设计保护系统信息传递的载体，而软件则控制其动作规律[2]。本文所设计的HMI系统软件由PLC控制程序设计和WinCC Flexible组态设计构成。PLC程序设计为发电机控制与保护设计、变压器控制与保护设计和汇流排控制与保护设计；WinCC Flexible组态界面包括十二个能够自由切换的工作界面。

2.1 PLC软件设计

图4 保护系统工作流程图

明确PLC控制系统总体工作流程是其软件设计的前提。首先在系统上电或者故障复位后应初始化，将各保护参数量置位，以避免影响系统正常工作；然后系统自检判断有无硬件故障或通信故障，防止引起保护误动作。当系统完成初始化与自检之后，PLC开始对保护特征量信号采集、处理、判据计算、判断电站有无故障，系统工作流程图如图4所示。

完成系统工作流程设计后应分别设计发电机、变压器和汇流排保护与控制系统[3]。由于某些被保护量需经过更深层次的逻辑判断，因此需对这些保护量设计其控制逻辑流程，以达到确保保护动作执行的安全可靠的目的。

2.2 WinCC Flexible组态界面设计

本设计选用多功能面板MP 270 10’’ Touch，该面板具有性能高、开放性强、性价比高、可以抗承受剧烈振动、可运行在恶劣环境中、与PLC易于通讯等优点，非常适用于船舶电站的环境中[4,5]。在组态界面设计前需定义系统参数变量的地址，确保其与PLC地址表中的地址对应，定义后地址即可进行界面设计，如图5所示。

将系统所需的界面按照图5的形式一一编辑好，为下一步的人机交互系统的实现做好准备。

图5 WinCC Flexible组态画面编辑图

3 人机交互系统的实现

将PLC程序仿真运行，然后使WinCC Flexible组态软件运行，系统人机交互界面如图6和图7所示，在系统故障时可以打开故障界面进行故障查询和消音确认，报警界面不作详细介绍。

图6 系统主工作界面

图7 发电机组工作界面

4 总结

本文所设计HMI系统只是实现电站综合保护的在线仿真，能够实现相关设备的自动控制以及部分报警功能的报警与显示，功能尚需进一步完善。由于人机交互技术在过程可视化，易于更改和设置设备参数等方面优点突出，随着船舶电站自动化与智能化的发展，人机交互技术必将广泛运用于船舶中高压电站综合监控系统中。

[1]于亮, 王校峰, 等.船舶中压电力系统的发展[J].机电设备, 2008(2): 1-3.

[2]姬春义.基于DSP变压器保护装置的设计[D].合肥:合肥工业大学, 2007.

[3]陈凯.船舶发电机综合保护试验装置[D].大连: 大连海事大学, 2005.

[4]吴志敏, 阳胜峰.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程[M].北京: 中国电力出版社, 2009.

[5]祝彦兵.船舶中高压交流电力系统综合保护研究与设计[D].大连: 大连海事大学, 2012.

Design of the HMI Monitoring System of Marine High-voltage AC Power System

SHEN Ming-rong1, ZHU Yan-bing2
(1.Naval Military Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd, Shanghai 201913; 2.China; No.704 Research Institute of CSIC, Shanghai 200031, China)

The paper uses the technique of PLC and the configuration to design HMI monitoring system for the marine high-voltage AC power system.This system can realize the HMI online simulation, which means that it can not only indicate the working state of the simulating power plant, but also control the relevant devices automatically.It can implement trouble alarming,position indication, record and actuate the ACB to open due to the serious troubles, which can make the HMI system realize the automatic protection.

marine high-voltage AC power system; HMI; monitoring; configuration

U665

A

申明荣（1980-），男，工程师。研究方向：船舶电气。