某船舶電站監(jiān)控程序設計存在的問題與改進措施

覃登羅 樊斌 閆鶴翔

摘 ? ?要：本文分析了某船舶電站監(jiān)控程序存在的數(shù)據(jù)采集不同步、不可控以及過載保護不可靠等設計缺陷，通過調(diào)整數(shù)據(jù)采集順序，采用時鐘事件觸發(fā)方式代替時鐘上升沿觸發(fā)方式對程序進行改進，消除了這些缺陷。

關鍵詞：船舶電站; 監(jiān)控程序; 缺陷; 改進

中圖分類號：TM769 ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper analyses the principle and damage of the design defects of a ship power station monitoring program， such as unsynchronized data acquisition， uncontrollable data acquisition and unreliable overload protection， improves the program by adjusting the sequence of data acquisition and using clock event trigger mode instead of clock rising edge trigger mode， to eliminate these defects and explain the abnormal phenomenon and the reason of a generator fault.

Key words： Ship Power Station; Monitoring program; Defects; Improvement

1 ? ? 前言

某船舶電站由兩臺額定功率為PN的發(fā)電機組成，通過電力監(jiān)控系統(tǒng)實施遠程監(jiān)控，如圖1所示。在正常情況下兩機并聯(lián)工作時，電力監(jiān)控系統(tǒng)顯示的兩機功率值會有所波動，但由于波動不大未引起注意。某次由兩臺發(fā)電機并聯(lián)供電電網(wǎng)負載總功率約0.8 PN ，當接入本船最大負載（功率為0.6 PN）時，2號、1號發(fā)電機主開關先后自動斷開，且1號發(fā)電機發(fā)生嚴重故障保護停機（原動機與減速器之間的彈性軸斷裂），電力監(jiān)控系統(tǒng)觸摸屏上短時間同時顯示兩臺發(fā)電機功率大于1.25，超出了發(fā)電機的過載能力[1]。經(jīng)過仔細檢查與分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制程序存在比較嚴重的設計缺陷，并提出了改進措施，排除了未知負載接入、短路、逆功以及電路故障的可能性[2]。

2 ? ? 電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控原理

電力監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC對發(fā)電機有功功率進行監(jiān)控，監(jiān)控程序偽代碼如下：

（1）讀取時基為10 ms的時鐘狀態(tài);

（2）如果時鐘狀態(tài)從0變?yōu)?，則捕捉到時鐘上升沿，計數(shù)tik增加1;

（3）如果tik>15，則tik=0;

（4）如果tik=5，則采集2號發(fā)電機功率P2;

（5）如果tik=10，則采集1號發(fā)電機功率P1;

（6）如果tik=15，則采集岸電功率PB;

（7）如果P1>1、10持續(xù)8 s，則卸掉1號發(fā)電機次要負載，并發(fā)出1號發(fā)電機次要負載斷開報警;

（8）如果P1>1、25持續(xù)1 s，則斷開1號發(fā)電機主開關，并發(fā)出1號發(fā)電機有功功率>125%報警;

（9）如果P1>1、29，則斷開1號發(fā)電機主開關，并發(fā)出1號發(fā)電機有功功率>125%報警;

（10）如果P2>1、10持續(xù)8 s，則卸掉2號發(fā)電機次要負載，并發(fā)出2號發(fā)電機次要負載斷開報警;

（11）如果P2>1、25持續(xù)1 s，則斷開2號發(fā)電機主開關，并發(fā)出2號發(fā)電機有功功率>125%報警;

（12）如果P2>1、29，則斷開2號發(fā)電機主開關，并發(fā)出2號發(fā)電機有功功率>125%報警。

該監(jiān)控程序的功能是對發(fā)電機功率采集和功率過載保護，其原理是：

語句1～3，通過判斷相鄰兩個掃描周期的時鐘狀態(tài)從0變?yōu)?來捕捉時鐘上升沿，對上升沿計數(shù)，每16個上升沿為一個周期;

語句4～6，當時鐘上升沿計數(shù)等于5、10、15時，分別采集2號發(fā)電機、1號發(fā)電機和岸電的功率;

語句7～12，根據(jù)預定規(guī)則對發(fā)電機進行超負荷保護并發(fā)出相應報警信號。

3 ? ?監(jiān)控程序設計存在的問題分析

電站監(jiān)控系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)采集不同步、不可控及過載保護不可靠的缺陷，這些缺陷在正常情況下不易發(fā)現(xiàn);但當并聯(lián)發(fā)電機功率分配波動時，這些缺陷便顯露出來，而且波動越大越明顯，可能會造成誤動作或失控而產(chǎn)生嚴重后果。

3.1 ? 數(shù)據(jù)采集不同步

由于監(jiān)控程序?qū)?、2號發(fā)電機功率的采集不同時進行，在雙機并聯(lián)工作時，監(jiān)控系統(tǒng)無法正確測量電網(wǎng)負載的功率值：設電網(wǎng)負載總功率為P，1、2號發(fā)電機的實際功率值為P10、P20，則P10+P20 =P;監(jiān)控系統(tǒng)測量到的兩機功率為P11、P21，由于P11和P21不是同一時刻的值，其值范圍分別是0≤P11≤P、0≤P21≤P，兩值之和的范圍是0≤P11+P21≤2P，即從監(jiān)控系統(tǒng)中兩發(fā)電機功率之和為0～2P之間的任意值;當電網(wǎng)負載總功率不變而兩發(fā)電機有功功率分配波動時，P10、P20、P11、P21可能的變化曲線如圖2 a ）所示，P10+P20和P11+P21變化曲線如圖2 b ）所示。

在兩機功率分配有波動時，數(shù)據(jù)采集不同步導致監(jiān)控系統(tǒng)無法得到電網(wǎng)負載功率的實際值，其控制將變得混亂。

3.2 ? 數(shù)據(jù)采集不可控

監(jiān)控程序通過捕捉時鐘上升沿來觸發(fā)數(shù)據(jù)采集動作，實際運行時程序并不能捕捉到所有的時鐘上升沿，導致數(shù)據(jù)采集時機存在不確定性，因而是不可控的。

以時鐘周期=10 ms及PLC掃描周期=12 ms為例：在PLC掃描周期R1～R12內(nèi)捕捉到時鐘T1、T7兩個周期的上升沿，而其它10個時鐘周期的上升沿丟失，其規(guī)律為每10個掃描周期重復出現(xiàn)，因此上升沿捕捉率為2/12=17%;當掃描周期為10 ms時（時鐘半周期的偶數(shù)倍），捕捉不到上升沿，此時上升沿捕捉率為0;當掃描周期為15 ms時（時鐘半周期的奇數(shù)倍），上升沿捕捉率為50%;當掃描周期在時鐘半周期以內(nèi)時，上升沿捕捉率達到100%。

實際上，PLC的掃描周期是不固定的。如果設定了掃描周期，當PLC實際掃描周期小于設定掃描周期時，PLC會等待到設定時間后再進行下一個掃描周期;而當PLC實際掃描周期大于設定掃描周期時，則以實際掃描周期為準;而且在一個掃描周期內(nèi)，時鐘狀態(tài)也可能發(fā)生變化，在不同時刻讀取到的時鐘狀態(tài)也可能不同，當掃描周期為半時鐘周期的偶數(shù)倍時，上升沿捕捉率可能會很低，但為0的情況幾乎不會發(fā)生。

根據(jù)對PLC進行實際測量的數(shù)據(jù)：在5分鐘內(nèi)，按循環(huán)方式和設定不同的掃描周期，記錄捕捉到的時基10 ms時鐘上升沿數(shù)量，得到表2的數(shù)據(jù)。從表2可以看出，掃描周期為12 ms時，時鐘上升沿捕捉率為17%。

測試說明：①每種方式檢測時間為5分鐘，實際產(chǎn)生時鐘上升沿為30 000個;②當設置的掃描周期小于實際掃描周期時，按實際的掃描周期執(zhí)行;當設置的掃描周期大于實際掃描周期時，掃描完成后延時到設定時間再繼續(xù)下一個掃描周期;③ 實際掃描周期不固定，一般在8～12 ms之間，最小為6 ms，最大為17 ms;④ PLC實際完成一個周期比設定掃描周期多1 ms，即如果設定掃描周期為T，實際執(zhí)行需T+1 ms。

根據(jù)采樣定理，要想捕捉到所有的時鐘上升沿，PLC掃描周期不能大于時鐘周期的一半。本程序中時鐘周期為10 ms，要求PLC掃描周期不大于5 ms，但本電力監(jiān)控系統(tǒng)中PLC的掃描周期為8～12 ms，因此必然存在上升沿丟失的情況，而且掃描周期越接近時鐘周期的整數(shù)倍，上升沿捕捉率越低。

3.3 ? 過載保護不可靠

由于監(jiān)控系統(tǒng)采集到的發(fā)電機功率之和不等于電網(wǎng)負載功率實際值，其數(shù)據(jù)是不可靠的，而使用不可靠的數(shù)據(jù)作為依據(jù)進行控制是不可靠的。

電力監(jiān)控系統(tǒng)為離散系統(tǒng)，每次采集的數(shù)據(jù)將保持一個采集周期。程序中設計的一個數(shù)據(jù)采集周期為捕捉到16個周期為10 ms的時鐘上升沿的時間，理論上應為16*10=160 ms，由于存在上升沿丟失現(xiàn)象且丟失率不確定，因而數(shù)據(jù)采集周期也不確定，可能遠大于160 ms。因此過載保護中的過載持續(xù)時間是無法確定的，理論上過載持續(xù)1 s斷開發(fā)電機主開關，實際上過載只持續(xù)0.1 s就有可能斷開發(fā)電機主開關[3]。

4 ? ?監(jiān)控程序設計改進

將原監(jiān)控程序的語句1～6修改為以下4句，并由10 ms時鐘事件觸發(fā)：

（1）tik增加1;

（2）如果tik大于10，則tik=1;

（3）如果tik=5，則采集2號發(fā)電機功率P2 和1號發(fā)電機功率P1;

（4）如果tik=10，則采集岸電功率PB。

語句3同時采集兩臺發(fā)電機功率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集同步;每次采集到的兩發(fā)電機的功率之和均等于電網(wǎng)實際負載功率，并且由于是時鐘事件觸發(fā)，不會錯失執(zhí)行的機會，數(shù)據(jù)采集周期嚴格保持在10 ms*10=100 ms，因此是可控的，數(shù)據(jù)和過載保護也是可靠的[4]。

5 ? ? 發(fā)電機故障現(xiàn)象原因分析

根據(jù)上述分析，推斷發(fā)電機故障發(fā)生的原因如下（見圖3）。

兩發(fā)電機并聯(lián)工作時電網(wǎng)負載總功率約為0.80，功率平均分配，當接入0.6 的負載時，電網(wǎng)負載總功率為1.4 。若由于某種原因，如突加負載導致調(diào)頻調(diào)載出現(xiàn)錯亂，使有功功率分配大幅度波動，監(jiān)控系統(tǒng)在t0檢測到2號發(fā)電機功率大于1.25 ，該值保持到t4;在t1檢測到1號發(fā)電機功率大于1.25 ，該值保持到t5;在t1到t4之間，兩機顯示功率均大于1.25 。

在t2時由于2號發(fā)電機功率大于1.25 持續(xù)1 s而斷開其主開關，此時全部負載加到1號發(fā)電機上，導致1號機嚴重超載而斷軸，輸出功率迅速下降;在t3時斷開其主開關，由于從t1到t5的時間小于1 s，沒有觸發(fā)1號發(fā)電機的過載保護動作。由于機帶滑油泵失去動力，導致滑油壓力下降，經(jīng)過5 s因滑油壓力過低，發(fā)電機控制系統(tǒng)觸發(fā)滑油壓力低保護動作而緊急停機，并發(fā)出嚴重故障報警，電力監(jiān)控系統(tǒng)收到報警后作出相應的保護動作（如斷開發(fā)電機主開關），并顯示和記錄此報警信息。

6 ? ? 結論

（1）監(jiān)控程序的設計缺陷可能會造成誤判、誤動作或失控而產(chǎn)生嚴重后果。本文對本船電力監(jiān)控程序進行改進后，消除了缺陷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）PLC作為控制器，應用十分廣泛，在對其進行程序設計時，對有關聯(lián)的數(shù)據(jù)的監(jiān)控應保持同步，監(jiān)控時間應具有確定性，避免使用有缺陷的數(shù)據(jù)作為控制的依據(jù)[5]。

參考文獻

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[3]康波，李云霞.計算機控制系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2015.

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[5]曹立強，船舶電站綜合控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 大連海事大學，?? ? ? ?2017.