李進(jìn)科，邵 赟，胡 舜

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溢油回收船PMS&IAS集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李進(jìn)科，邵 赟，胡 舜

（武漢武船船舶設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430060）

本文介紹了萬噸溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，在簡要概述功率管理系統(tǒng)PMS及監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)IAS構(gòu)架及功能的基礎(chǔ)上，針對溢油回收船的DP2、消防、溢油回收、正常航行及進(jìn)出港多種復(fù)雜工況特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于WINCC上位集成的一體化PMS&IAS系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)功率管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上融入電站一體化集成監(jiān)控設(shè)計(jì)，一定程度上能實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控和狀態(tài)檢修，在后期運(yùn)營維護(hù)上提質(zhì)增效、節(jié)約成本。

萬噸溢油船 PMS&IAS 一體化集成 DP2

0 引言

隨著國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，海上石油運(yùn)輸生命線的清潔與安全受到愈來愈多的關(guān)注和聚焦。萬噸級多功能溢油回收船作為國家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的重要專項(xiàng)研究內(nèi)容，在未來承擔(dān)著近海主要航道清理維護(hù)及溢油回收的重要任務(wù)。在大力提倡綠色、環(huán)保的當(dāng)下，電推系統(tǒng)低功耗、高能效的特點(diǎn)[1]受到了越來越多的青睞和推崇。

本文在介紹溢油回收船電推系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，為滿足DP2要求，設(shè)計(jì)了基于WINCC上位集成滿足功能要求的冗余一體化PMS&IAS系統(tǒng)，詳細(xì)描述了該一體化集成系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、對外接口、界面設(shè)計(jì)及程序流程等內(nèi)容。

1 系統(tǒng)組成

萬噸溢油回收船設(shè)有4臺2600 kW主發(fā)電機(jī)、1臺400 kW停泊發(fā)電機(jī)及1臺150 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，由兩條主推進(jìn)支路、兩條消防泵支路及兩條側(cè)推進(jìn)支路組成。為了保證推進(jìn)系統(tǒng)的獨(dú)立性和可操作性，兩條主推支路以及側(cè)推支路分別由四套相互獨(dú)立的電推控制系統(tǒng)單獨(dú)控制。

主推進(jìn)支路由船舶電網(wǎng)通過690 V主配電板向3600 kVA主推進(jìn)移相變壓器供電，移相變壓器帶動功率為3200 kW的12脈主推進(jìn)變頻器，再由變頻器控制3000 kW主推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳的正常運(yùn)行。

側(cè)推進(jìn)支路由船舶電網(wǎng)通過690 V主配電板向1500 kVA側(cè)推進(jìn)移相變壓器供電，移相變壓器帶動功率為1400 kW的12脈側(cè)推進(jìn)變頻器，再由變頻器控制1300 kW側(cè)推電機(jī)驅(qū)動推進(jìn)器的正常運(yùn)行。消防支路由690 V電網(wǎng)直接驅(qū)動6脈1400 kW消防泵變頻器帶1200 kW消防泵電動機(jī)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PMS功能

PMS對電能進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和管理，是綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心控制模塊，具有對溢油回收船電站的各種控制及保護(hù)功能。IAS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對全系統(tǒng)各運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集分析和監(jiān)視功能，當(dāng)發(fā)生各類報(bào)警及運(yùn)行故障時為決策者提供診斷判據(jù)，以便采取適當(dāng)?shù)奶幹么胧?/p>

具體而言，PMS系統(tǒng)會依據(jù)全船電網(wǎng)的實(shí)時功率需求實(shí)現(xiàn)動態(tài)增減機(jī)，調(diào)節(jié)各臺主發(fā)電機(jī)組間的負(fù)荷分配，實(shí)現(xiàn)主推變頻器、船舶電站及DP系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運(yùn)行[2-3]，并對整個推進(jìn)操控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)供電系統(tǒng)運(yùn)行時發(fā)生各類故障報(bào)警時，PMS系統(tǒng)能自動監(jiān)測并處理，采取系列措施保證對負(fù)載供電的連續(xù)性和電站安全性，為全電網(wǎng)的主側(cè)推支路、消防泵支路及其他用電負(fù)荷提供高品質(zhì)、配置優(yōu)化的可靠電源。

PMS系統(tǒng)的主要功能[4]如下：

1） 系統(tǒng)自檢功能

PMS在上電后的起動過程中對軟、硬件工作狀態(tài)進(jìn)行自檢，屏幕會顯示出系統(tǒng)自身故障的報(bào)警信息，自檢通過即可操作。

2） 工作模式選擇

PMS具有DP2模式、消防工況、溢油回收、進(jìn)出港及航行等多種模式。DP2模式下，主配電板自動分區(qū)供電以確保冗余可靠性；進(jìn)出口模式下，電站只增加機(jī)組，不解列機(jī)組；正常航行模式下，按照功率關(guān)系正常增減機(jī)。

3） 機(jī)組的手動自動起停

當(dāng)PMS觸摸屏面板調(diào)至手動模式時，可直接手動操作發(fā)電機(jī)組的起動和停止；當(dāng)PMS觸摸屏面板調(diào)至自動模式時，程序監(jiān)測在網(wǎng)機(jī)組功率達(dá)到設(shè)定的閾值后經(jīng)過一段設(shè)定延時后自動起動備用機(jī)組或解列在網(wǎng)機(jī)組。

4） 機(jī)組優(yōu)先級選擇

PMS系統(tǒng)可在HMI觸摸屏上設(shè)置各柴油機(jī)組的起停順序，并能在線更改各機(jī)組的優(yōu)先級次序。

5） 機(jī)組的自同步、解列及增減機(jī)

PMS需依據(jù)全船總用電負(fù)荷的不同實(shí)時調(diào)整機(jī)組出力，機(jī)組的在網(wǎng)數(shù)量應(yīng)隨負(fù)荷大小自動調(diào)整。當(dāng)用電負(fù)荷增加到一定閾值時，PMS自動實(shí)現(xiàn)備用機(jī)組的起動，在電網(wǎng)和頻率達(dá)到要求值后立即并車；當(dāng)用電負(fù)荷降低到設(shè)定閾值時，PMS自動將在網(wǎng)機(jī)組解列和停車。

6） 重負(fù)荷起動問詢

當(dāng)有功率較大的負(fù)載需要起動時，首先會向PMS發(fā)出詢問申請，PMS即刻檢視全網(wǎng)的剩余可用功率，只有當(dāng)在網(wǎng)可用功率大于該負(fù)載所需功率時PMS才會發(fā)出允許信號，當(dāng)可用功率不滿足所需時閉鎖其起動，同時起動備用機(jī)組以滿足該負(fù)載的起動條件。

7） 自動分級卸載

類似于機(jī)組優(yōu)先級選擇，該功能根據(jù)負(fù)載的重要性高低將其分級。當(dāng)起動重負(fù)荷全網(wǎng)可用功率不足或機(jī)組故障時，PMS自動卸載非重要負(fù)荷，對全網(wǎng)進(jìn)行功率限制，確保主推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

8） 功率限制

PMS實(shí)時監(jiān)測在網(wǎng)功率和機(jī)組負(fù)荷率，當(dāng)在網(wǎng)功率不足以維持推進(jìn)和日用負(fù)荷時，向推進(jìn)變頻器發(fā)出功率限制信號以限制推進(jìn)功率的增加，防止負(fù)荷突變導(dǎo)致機(jī)組過載，進(jìn)而引發(fā)全船停電安全事故。

基于以上的功能設(shè)計(jì)，溢油回收船PMS程序控制流程如圖1所示。

2.2 PMS硬件設(shè)計(jì)

溢油回收船正常工作狀態(tài)下需滿足DP2（動力定位）、消防、溢油回收、正常航行、進(jìn)出港以及停泊等多種復(fù)雜工況需求，DP2指具備動力定位系統(tǒng)的船舶，在任何單一故障發(fā)生后不影響其他設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行，仍能保持船舶的位置和首向，因此對PMS設(shè)計(jì)提出了較高要求。

為此，本船PMS采用多級獨(dú)立雙冗余設(shè)計(jì)：以PLC控制器(采用西門子公司PLC及輔件)作為主站，為4臺主發(fā)機(jī)組及應(yīng)急機(jī)組配備獨(dú)立的保護(hù)并車單元(采用DEIF公司PPU3)作為從站。

上層通訊方式為冗余PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，采用兩套獨(dú)立運(yùn)行互為備用的S7-400H熱冗余控制器，兩套S7-400H間通過光纖同步通信。當(dāng)一臺S7-400H作為主站發(fā)揮控制功能時另一臺處備用狀態(tài)，主用S7-400H如若發(fā)生故障，備用S7-400將在100ms內(nèi)自動切換為主控器投入使用，確保系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。上層PROFIBUS通過Y-link與PPU3實(shí)現(xiàn)通信連接，當(dāng)在網(wǎng)機(jī)組出現(xiàn)高低壓、溫升超限、高低頻、油壓低等故障時，PPU控制相應(yīng)機(jī)組自動脫扣，不影響全船電網(wǎng)的正常運(yùn)行。該設(shè)計(jì)架構(gòu)能有效保證船舶在極端條件下系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

母聯(lián)開關(guān)配備的同步模塊能為其提供同步分合閘等控制。需執(zhí)行DP2、消防及溢油回收操作時，按下相應(yīng)模式選擇開關(guān)，電站能在PMS管理下實(shí)現(xiàn)母排的自動分段和負(fù)荷分區(qū)，滿足上述各工況的切換操作要求，PMS架構(gòu)如圖2所示。

2.3 IAS硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)IAS是溢油回收船的重要構(gòu)成部分，負(fù)責(zé)全船的發(fā)電、供電、推進(jìn)控制、檢測和報(bào)警。本船IAS系統(tǒng)硬件設(shè)備由集控臺、推進(jìn)控制裝置、采集柜、應(yīng)急車鐘以及工控機(jī)組成。

圖1 PMS系統(tǒng)工作流程圖

圖2 萬噸溢油船PMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本船IAS系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的分散式控制結(jié)構(gòu)，硬件主要組成如下：

1）位于集控臺內(nèi)的西門子S7-400主站一套，包含UR機(jī)架、CPU模塊、電源模塊、存儲卡及同步模塊；

2）位于配電板內(nèi)的PMS、發(fā)電機(jī)組分布式子站ET200M4套（包括IM153冗余連接模塊、并車保護(hù)單元PPU3、DI/DO模塊以及OP觸摸屏）；

3）位于駕控臺的推進(jìn)控制子站；

4）位于應(yīng)急配電板內(nèi)的應(yīng)急子站；

5）安裝于集控臺內(nèi)的工控機(jī)系統(tǒng)，包括工控機(jī)、顯示器、485通訊模塊以及打印機(jī)。

3 WINCC上位集成

3.1 程序結(jié)構(gòu)

IAS監(jiān)控系統(tǒng)與PMS功率管理系統(tǒng)均為下位系統(tǒng)，在硬件組態(tài)及構(gòu)成上是完整獨(dú)立的兩套子系統(tǒng)，下位系統(tǒng)的程序邏輯采用西門子的STEP7開發(fā)。溢油回收船PMS&IAS一體化集成主要體現(xiàn)在后臺上位系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)和一體集成，上位工控系統(tǒng)采用西門子WinCC7.2開發(fā)，OP面板采用WinCC Flexible開發(fā)，用于對整個PMS&IAS系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測和實(shí)時報(bào)警反饋[5]。

3.2 接口設(shè)計(jì)

上位系統(tǒng)的接口主要包含PMS與外部設(shè)備信號接口以及PMS與IAS網(wǎng)絡(luò)通訊接口兩類：

PMS的外部設(shè)備接口對象主要有柴油發(fā)機(jī)組、690 V主配電板、DP設(shè)備、變頻器以及重載設(shè)備，具體接口內(nèi)容如下：

柴油發(fā)機(jī)組：機(jī)組起動信號、停止信號、故障報(bào)警、遙控狀態(tài)、備妥反饋、升降速、急停等；

690 V主配電板：主開關(guān)狀態(tài)及分合閘操控、優(yōu)先脫扣、主發(fā)電機(jī)絕緣低報(bào)警、PMS模式切換選擇等；

變頻器：推進(jìn)斷路器分合閘狀態(tài)、快速降負(fù)荷以及在網(wǎng)功率等信號；

PMS與IAS通訊接口主要包含如下狀態(tài)字：

1/2/3/4號發(fā)電機(jī)運(yùn)行、遙控、備車、急停以及開關(guān)狀態(tài)，各機(jī)組有功、無功、電流、電壓、效率，母線電壓、頻率，母聯(lián)斷路器開關(guān)狀態(tài)，岸電開關(guān)狀態(tài)，主/側(cè)推開關(guān)狀態(tài)，主變原/副邊開關(guān)狀態(tài)以及航行工況、消防工況、進(jìn)出港工況、溢油回收工況、DP2工況等狀態(tài)信息。

3.3 界面設(shè)計(jì)

該船上位工控機(jī)界面主要包含功率管理、電站監(jiān)測、機(jī)組報(bào)警、推進(jìn)系統(tǒng)、歷史曲線、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和報(bào)警信息七大功能。

功率管理界面顯示系統(tǒng)單線圖信息，各在網(wǎng)機(jī)組的實(shí)時功率、電流、電壓數(shù)據(jù)以及母聯(lián)、推進(jìn)支路主開關(guān)的分合閘顯示；

電站監(jiān)測對四臺主發(fā)機(jī)組的狀態(tài)參量予以顯示監(jiān)測，具體為功率、電流、電壓、滑油溫度/壓力、繞組溫度等，如圖3所示。

機(jī)組報(bào)警界面收集匯總所有可能的故障報(bào)警條目，形成故障子集庫；

推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時顯示推進(jìn)支路主要部件的狀態(tài)參量：推進(jìn)變壓器繞組溫度，推進(jìn)變頻器輸出電流、功率、轉(zhuǎn)速，推進(jìn)電機(jī)繞組及軸溫。

報(bào)警系統(tǒng)界面顯示所有監(jiān)測到的報(bào)警及故障條目，包含當(dāng)前報(bào)警信息及歷史報(bào)警信息，精確顯示報(bào)警的時間和故障類型。當(dāng)前報(bào)警會在主界面下方以醒目的紅色文字閃現(xiàn)提醒船員實(shí)時處理，在OP觸摸屏操作“消音”和“復(fù)位”后若故障消失，切換進(jìn)入報(bào)警系統(tǒng)界面后信息文本變?yōu)榫G色成為歷史信息存儲；若故障未排除，信息文本變?yōu)樗{(lán)色提示繼續(xù)排查。界面如圖4所示。

圖3 電站監(jiān)測界面

圖4 報(bào)警系統(tǒng)界面

此外，還能通過船上信號收發(fā)臺與岸基信號收發(fā)臺的通訊聯(lián)絡(luò)，將船舶航行時的故障信息實(shí)時傳輸，供技術(shù)人員分析診斷提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)，一定程度上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和狀態(tài)檢修，后期維護(hù)上達(dá)到節(jié)約成本的目的。

4 總結(jié)

采用電推系統(tǒng)，環(huán)保優(yōu)勢明顯，能效利用率大大提高，本文闡述了溢油回收船核心控制系統(tǒng)PMS以及安監(jiān)系統(tǒng)IAS的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和上位軟件的一體化集成設(shè)計(jì)，功能完善、自動化程度高。

[1] 俞文勝. 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)論述. 世界海運(yùn), 2007, 30(3): 43-45.

[2] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進(jìn)船舶功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究. 船電技術(shù), 2013, 30(9).

[3] 叢培亭. 船舶電站[M]. 北京:中國書籍出版社, 2007.

[4] 張奇, 金奎. 基于S7-400H的功率管理系統(tǒng)在海洋平臺中的應(yīng)用. 船電技術(shù), 2016, 36(8).

[5] 張均東, 閆慧琪, 余劍翔. 基于CAN總線的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì). 測控技術(shù), 2003, 22(10).

Integrated System Design of PMS&IAS for the Oil Spilling Recovery Ship

Li Jinke, Shao Yun, Hu Shun

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd., Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0038-04

2017-03-13

李進(jìn)科（1987-），男，工程師。研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。E-mail: 305964272@qq.com