船舶电站是船舶及其电力系统的核心，船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分。集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着极其重要的地位；随着网络技术的普遍应用，港航移动目标的远程监控也成为船舶管理的一个重要方向。良好的监控系统可以极大地降低下作人员劳动强度。提高工作效率，提高电站供电的稳定性和可靠性。
可编程逻辑控制器(PLC)和触摸屏在恶劣的船舶电站环境中，其稳定性及抗干扰性相对于计算机控制系统有较为明显的优势_。触摸屏以其易于操作、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使其在工业控制领域得到了广泛应用，解决了很多计算机所无法解决的问题。
本文针对交流380 V 50 Hz船舶电站，设计基于施耐德XBTGT系列触摸屏和M340系列PLC的船舶电站监控系统和监控软件。
1、监控系统硬件设计
本系统主要包括计算机PC上位机、触摸屏、PLC、3台发电机并联保护单元PPU(Paralleling and Protection Unit)和3台柴油发电机组。其中1号和2号发电机组作为常规发电机使用，3号发电机组町以通过转换开关切换为应急发电机使用。PC上位机通过网络访问触摸屏监控软件，或直接操作触摸屏实现对PLC下位机的控制。监控界面通过实时动画、状态显示开关及数字和模拟表头显示，跟踪显示船舶电站的运行状态，利用其功能按键可以完成对电站设备的操作。系统结构框图如图l所示。
施耐德Modieon M340系列PLC具有结构紧凑、外形精巧、处理高效、存储容量大、维护便捷、性能稳定可靠的特点，并且其集成通用串行总线(USB)、以太网、CANopen及Modbus通信接口，非常适合船舶电站的控制管理。
PPU具有单机与其他发电机自动并网功能：同步、功率与频率控制等控制功能：逆功率保护、过流保护等保护功能：监测电网电压与电流和电池组电压与电流的监测功能：其接口非常适用于PLC控制系统：引。所以本系统采用PPU配合PLC控制电站功能。
图1 系统结构框图
2 系统软件设计
2．1软件功能设计
监控软件以控制和实时监测现场设备各参数为中心。具有功能完善、操作简便、可视性好的特点，下面介绍具体功能。
2．1．1 电站参数与运行状态的监测与显示
船舶电站监控系统可采集、显示电站的基本参数与运行状态，集中显示于监控界面，便于对参数和电站工作状态的查看。
2．1．2故障的监测、报警与处理
实时监测电站运行状态及参数，判断故障发生及故障类型，并产生声光报警。本系统设置的主要故障报警类型有发电机主开关阻塞故障报警、发电机主开关合闸失败故障报警、发电机启动失败故障报警、母线电压上下限报警、母线频率上下限报警、380 V和220 V母线绝缘等级低报警、重要设备交直流电源故障报警等。界面设置有消声、消闪按钮。
母线电压和频率波动应满足表1所规定的变化范围。超出范围则产生报警。
表1 母线电压、频率波动范围
2．1．3信息的显示、存储与打印
监控界面设置有故障信息显示页面，显示当前故障信息及历史故障信息，如故障类型、发生时间、持续时间等。该信息全部存储于触摸屏的紧凑式闪存CF(Compact Flash)卡内。
常规数据集中显示于数据界面，便于工作人员观察和处理，并对重要数据每隔1s采集1次，将数据存储于触摸屏CF卡内。便于分析电站工作状态。触摸屏通过USB端口外接打印设备，可以打印以上信息，便于系统分析使用。
2．1．4电站功能控制
电站的控制方式有手动、自动和遥控3种。手动方式即工作人员在控制屏和设备旁手丁操作设备。监控系统设计有自动和遥控2种T作方式。a．自动控制。在系统运行模式为自动模式下，由PLC对电站工作状态进行自动控制管理，针对不同运行状态和需求。自动控制管理电站设备。b．界面遥控。在系统运行模式为遥控模式下，操作人员可以根据界面显示的各种信息，通过监控界面上按钮开关等控制电站设备。
2．1．5安全功能
本系统提供多种操作模式以及远程监控功能，为了避免在此过程中带来的现场操作的任意性和无序性，防止因误操作干扰系统的正常运行或导致系统瘫痪，造成不必要的损失。必须设置系统的安全功能。乱用户权限设置。为了防止人为误操作的发生，软件对用户的级别和权限作了限制，严格规定各类操作权限，使不具备操作资格的人员无法进行操作。b．优先级设置。对于手动操作、遥控操作与自动运行3种操作模式按照上述顺序进行优先级设置，避免3种操作模式混合运行。
2．2软件程序设计
监控软件分为PLC控制软件和触摸屏人机界面软件2部分。PLC程序实现数据处理、逻辑判断与控制执行等功能：触摸屏程序通过网络直接访问和修改PLC变量，实现控制功能，数据、状态的输出。显示和存储等功能。软件结构框图如图2所示。
2．2．1 PLC控制程序设计
船舶电力系统容量小，但是对供电可靠性要求高。任何断电事故都将危及船舶航行的安全。无人值守的自动化电站，要求有完善的防范措施，当出现设备故障或导致全船断电的趋势时，采用备用机组替换故障机组，以保持供电的连续性。即使出现断电现象，也要保证断电时间最短，尽快恢复供电。电网失电故障处理流程如图3所示。
图2 软件结构框图
图3 电网失电故障处理流程
PLC控制程序在满足以上要求的前提下，能根据电站的各种运行状态，采取相应的应对措施，确保电站持续稳定供电。控制程序主线流程见图4。其中自动并网过程由PPU完成，PPU接到PLC并网指令后。自动比较电网与待并柴油发电机组的电压差、频率差和相位差，自动调节待并发电机组，使之符合并网条件，然后并入电网。PPU同时用作调频、调载和负载转移等功能的主要执行单元。
图4 控制程序主线流程
2．2．2触摸屏监控界面设计
触摸屏监控界面软件采用Vijeo—Designer设计。它是一款功能强大的触摸屏人机界面设计软件，可使用此软件为人机界面设备创建操作员面板并配置操作参数。它提供了设计人机界面项目(包括从数据采集到创建并湿示动i田，等各种任务)所需的所有工具。根据监控软件实现的具体功能，本软件设计了以下的监控界面。
a．主监控界面，在主监控界面右上角为时间显示区域，底部为页面切换按钮：主界面直观地显示了整个电站设备的工作状况及各段母线的带电情况，若查看更详细的数据，则点击相应的图标或者按键，进入详细数据界面。
b．柴油发电机组运行监控界面。监控界面将3台柴油发电机组的工作状态集中显示于发电机组监控界面，便于操作人员直接全面地掌握发电机组的工作情况。该界面能够控制3台柴油发电机组的启停、分合闸及主开关复位等操作。
c．并网监控界面。实时跟踪显示手动和自动并网过程，显示同步相关参数。由于并网过程同步条件要求较高，且通信存在延时，所以界面遥控并网是调用系统自动准同步并网程序。
d．报警界面。集中显示发电机、母线、电气开关及直流电源等相关故障信息。一旦系统发生故障，界面弹出报警对话框，显示故障类型：该界面由报警指示灯、复位按钮等组成。设置有停止警示音和停止报警灯闪烁按钮，可以在线查看和复位报警。e．故障记录界面。自动将系统历史故障信息归档存储，显示故障发生的日期、时间、故障类型、结束时间等，便于故障分析。
f．数据趋势图。定时记录(时间间隔可设)连续变化且较为缓慢的数据，形成趋势图。包括发电机电流(有效值)、电压(有效值)、功率、频率，母线电压、电流、功率等。
g．岸电管理界面。显示和管理岸电供电时系统的参数和相关操作。
h．系统设置界面。设置系统参数，如语言、时间、本地IP、显示屏对比度。
i．远程访问界面，触摸屏有远程访问功能，用户输入触摸屏IP，即可通过PC机的浏览器访问监控界面。
2．2．3 PC上位机界面
本系统采用以太网通信，通过触摸屏将监控界面发布至网络，PC上位机只需用常规浏览器即可访问监控界面，实现参数查看和功能操作。无需每台PC上位机安装监控界面程序，通用性强。
3 通信设计
3．1 PC上位机、触摸屏与PLC通信
PC上位机、触摸屏与PLC的通信方式采用工业以太网Modbus TCP／IP方式，其具有协议开放，与不同厂商设备兼容，能实现远程访问、远程诊断，网络速度快。实时性强。系统安全性高，成本低等特点。在Vijeo—Designer中添加驱动程序并进行配置，使通信设置与设备相匹配，并将用户应用程序下载到触摸屏，即可实现触摸屏与PLC和PC上位机间的以太网通信，无需编写复杂的通信程序，只需设置各设备的IP、子网掩码和网关。
3．2 PLC与PPU通信
PLC和PPU主要以硬件接线方式实现控制功能。部分电站参数由串口通信完成。通信接线见图5。
图5 PLC与PPU串口通信接线图
采用编程软件对PLC和PPU进行通信设置。设置为RS一485通信，传输速率为9600 bit／s，数据长度8bit，停止位1 bit。偶校验，1～3号发电机组所对应的PPU的地址分别设为l、2、3，PPU将常用数据存放在其内部指定寄存器中，建立通信后PLC执行READ VAR和WRITE VAR通信指令实现与PPU的数据交换。
4 结论
船舶电站监控系统实时采集、显示电站的运行参数，并根据参数状态对船舶电站进行综合控制管理，自动解列故障设备。人性化的人机交互界面，方便操作人员集中地观察和操控船舶电站的运行状态，根据报警信息快速地排除故障：历史记录有利于管理人员对重要数据进行分析、查询，为电站保护、系统分析及规划等提供重要的依据，大幅提高了自动化水平和船舶电站供电的可靠性：应用网络技术的数据传输，便于实现港航移动目标的远程监控。