PLC技术在船舶电站仿真系统中的教学应用

龚成林

应用研究

PLC技术在船舶电站仿真系统中的教学应用

龚成林

（武汉交通职业学院，武汉 430000）

职教数字化转型背景下，将PLC编程技术应用于船舶电站仿真系统中，仿照实船电站，结合船舶电站项目式教学，设计多个任务，通过自主软件编程实现，经过仿真与调试，实现船舶电站的功能需求，改善学生船舶电站课程实训环境的同时，该项目也可以作为学生PLC课程的实训案例，全面达成学生的知识、技能与素养目标，改善教学效果。

职教 数字化转型 PLC 船舶电站 仿真

0 引言

习近平总书记在党的二十大报告中指出，要推进教育数字化。教育部部长怀进鹏在世界数字教育大会上指出，以数字化转型推动职业教育的创新发展是新时代赋予职业院校的历史使命，也是职业教育主动贯彻国家战略，服务经济社会数字化转型的必然选择。[1]PLC编程技术、船舶电站两门课程均是船舶电气专业的核心专业课，将PLC编程技术应用于船舶电站仿真系统中，仿照实船电站，结合船舶电站项目式教学，设计多个任务，通过自主软件编程实现，经过仿真与调试，实现船舶电站的功能需求，改善学生船舶电站课程实训环境的同时，该项目也可以作为学生PLC课程的实训案例，全面达成学生的知识、技能与素养目标，改善教学效果。

1 系统硬件结构设计

船舶电站仿真系统是以传统散货船作为母型船，仿照船舶实际功能进行仿真设计，船舶电站仿真系统电源部分包括3台主发电机组和1台应急发电机组；配电装置包括3个发电机控制屏、应急发电机控制屏、负载屏、并车屏和岸电控制箱。

控制系统构架图如图1所示，控制系统包括PLC、MCGS触摸屏、变频器、PPU等，由西门子S7-300 PLC作为主站，实现系统总体逻辑控制，3个并车专用模块PPU作为从站，分别实现对每台发电机的并网及保护功能，主、从站之间采用串口RS485总线通信。PPU采集发电机电压、频率、电流、功率因数等数据，将计算结果输出至PLC，PLC完成发电机的控制。同时还搭载PC上位机和MCGS触摸屏，在上位机上安装MCGS触摸屏软件，绘制船舶电站模型界面，与PLC之间采用以太网通信，完成对船舶电站的操作、参数显示及报警输出等功能[2]。

图1 控制系统架构图

2 仿真系统功能与教学点

船舶电站仿真系统仿照实际远洋船舶功能要求，并覆盖教学和电子电气员实操考试技能点，完成模拟船舶电力系统的发电、配电的操作、控制、保护、测量、监视等功能，满足学生对船舶电站的学习需要，具体功能如下。

2.1 主发电机组的自动起动

1)当主配电板失电时，备用机组应自动启动、合闸，向电网供电。当运行机组发生缸套水高温、滑油低压、超速等严重故障即将安保停车时，备用机组将自动起动、自动并车、自动转移负荷，解列故障机组。

2)当电网负荷较大，在网机组负荷超过额定负荷的80%时，备用机组应自动启动，自动并车，分担电网负荷。

2.2 机组投入和并联运行

1)电网失电时，备用机组启动成功后应直接合闸，向电网供电。

2)电网有电时，备用机组启动成功后应自动检测电压、频率、相位，并调节至两机组同步时自动合闸。

3)自动并车后，应在保持电网频率不变情况下，进行有功功率自动分配和转移。

2.3 机组的解列和停机

两机组并联运行时，若出现电网负荷较低，单机组足以承担电网负荷时，此时将自动解列指定机组。解列时先转移负荷，将待解列机组负荷转移至在网运行机组，待解列机组负荷低至10%的额定负荷时，即可分闸停机。

2.4 备用发电机组起、停顺序设定功能

在MCGS触摸屏人机界面上可设定备用机组启停顺序。

2.5 重载询问功能

当有侧推装置、压载水泵等大功率负载的起动时，需进行重载询问，判断当前电网剩余功率是否能够承担相应负载启动，能够承担则发出信号至相应负载启动电路。若不能承担，则可以考虑增机投入电网后再行启动。

2.6 应急发电机自动启动功能。

当主配电板失电时，应急发电机要能在45 s内自动启动，自动合闸，向应急配电板供电，同时切断联络开关，以防应急发电机向主配电板供电[2]。

2.7 保护功能。

能实现对发电机组的过载、短路、失压、逆功率保护以及主发电机、应急发电机和岸电联锁等。控制系统船舶电站仿真由PLC进行总体逻辑控制，每台发电机配备PPU专用单片机模块，以实现对发电机数据采集，发电机并车和保护功能。PPU和PLC二者通过串口、数字量I/O口进行通信。PLC选用西门子S7-300，在SIMATIC Manager STEP7软件上进行硬件组态和程序编写[3]。

根据仿真系统需求，对PLC进行I/O分配，如表1所示。

程序采用模块化编程，在OB1中调用其他所有子程序模块。子程序FC2模块实现对三台发电机主开关状态和当前负荷采集与处理，实现重载询问功能。子程序FC3模块实现主配电板指示灯测试功能。子程序FC4模块实现应急配电板指示灯测试功能。子程序FC5模块实现主配电板并车屏蜂鸣器报警与并车失败、汇流排频率异常故障报警指示灯的控制等。子程序FC6模块实现应急发电机自动启停、主开关合闸分闸以及相应指示灯控制。子程序FC7模块实现船舶电站自动模式控制，包括备用机组选择，自动启动备用机组逻辑判别、自动停止发电机信号判别。子程序FC8模块实现主发电机启停控制。FC9、FC10、FC11模块分别实现三台发电机主开关合闸、分闸控制。FC12模块实现通讯协议转换。其中部分关键PLC梯形图程序如图2所示[4]。

表1 部分PLC I/O分配表

图2 PLC部分梯形图程序

PPU是基于单片机的专用控制模块，用于实现发电机并车和保护功能。PPU接线图如图3所示，通过采集各发电机电压、电流、频率等运行参数并进行运算，输出控制信号至PLC。

发电机自动并车时，当PLC的FC7模块检测到自动模式下，且有增机请求时，通过FC8模块对第一备用发电机输出启动信号，启动完成后，由PPU采集待并机电压、频率，并检测并车条件，同时发出信号到变频器GOV进行调频，当待并机与电网电压、频率、相位一致时，由PPU的17--19端子发出合闸指令至PLC的FC9、FC10、FC11模块，控制发电机主开关合闸。并车成功以后，由PPU37--39端子闭合，两机组进行有功功率和无功功率自动平均分配。[5]

发电机自动解列时，解列操作需将待解列的机组负荷转移至在网运行机组后，发电机主开关分闸。PLC的FC7模块会发出信号到PPU的43号端子，使PPU控制负荷转移，待转移完毕，由PPU的14、15、16号端子发出指令，控制发电机主开关分闸。

图3 PPU模块外部接线图

2 MCGS人机界面

为了更好的实现人机交互，仿真系统还设置了MCGS人机界面，通过触摸屏丰富的人机界面功能，完全模拟实船上的船舶电站进行界面设计，系统界面如图4所示，包括三台发电机、主电网、参数显示、按钮设置等。其中参数显示通过PPU模块采集发电机和电网信息，通过串口通信至触摸屏，触摸屏上按钮与PLC通信。在人机界面，可以看到各发电机的状态、参数，也可以对各发电机进行启停、合闸分闸控制。

图4 触摸屏人机界面

3 总结

上述基于船舶电站仿真系统，是通过PLC技术、触摸屏技术和船舶电站融合，通过触摸屏人机界面设计和PLC自主编程，对船舶电站的功能和逻辑控制进行分析，设计出基于PLC编程技术的船舶电站仿真系统。经过调试，仿真系统完全实现了预期功能需求，也覆盖了电子电气员考试相关考点，改善了学生的实训环境，提升了教学效果。同时，船舶电站和PLC均是船电专业的核心课程，船舶上基于PLC的自动化电站的管理对船舶电子电气员岗位提出了挑战，若能将两门课的课程设计融合，将该仿真系统设计思路与程序实现，作为两门课综合课程设计，有利于学生的职业岗位知识、技能与素养目标全面达成。

[1] 杨欣斌. 职业教育数字化转型八大路径. 中国青年网. 2023. 02. 27.

[2] 操定友. 基于PLC MCGS PPU的船舶电站的设计[J].电脑知识与技术, 2019, 15(35): 240-242. DOI: 10.14004/j.cnki.ckt.2019.4240.

[3] 周长江，孙裕林, 赵福财. 基于PLC的船舶电站监控系统分析[J].机电设备, 2022, 39(06): 113-116.

[4] 张潇, 滕宪斌, 朱发新等. 基于PLC的船舶电站自动化系统的设计与研究[J]. 广州航海学院学报, 2021, 29(03): 1-4.

[5] 张吉山. 基于PLC的船舶电站自动化控制[J]. 科学技术创新，2020(30): 79-81.

The Teaching Application of PLC Technology in Ship Power Station Simulation System

Gong Chenglin

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430070, China)

TM612

A

1003-4862（2023）12-0062-05

2023-04-13

Y2019008新工科+航运强国背景下船舶电站仿真系统设计

龚成林(1990-)，男，讲师。研究方向：船舶电气、电气工程与自动化。E-mail: 245084326@ qq.com