摘要：为达到经济性目的，在现行四机组船舶电站控制技术上提出一种新型控制网络解决方案。该控制网络由一主站S7-200 PLC、一从站S7-200 PLC及四从站PPU（发电机同步保护装置）组成，PLC和PPU分别主要控制电站逻辑实现和发电机运行。主站PLC与从站PLC、PPU间的通信分别通过PPI和MODBUS实现。网络通信和控制逻辑均在STEP 7-Micro/WIN中编程实现。应用实践证明其经济性提高的同时性能依然卓越。
　　关键词：船舶电站 控制网络 发电机同步保护装置 可编程序控制器
　　0 引言
　　随着嵌入式计算机和通信技术的成熟及其在船舶上的广泛应用，近几年所造大型船舶的电站系统在控制技术上又有了新的进展，可以称之为新型自动化船舶电站。这类新型电站的控制核心一般都是由一台PLC中型机与若干台发电机控制设备通过组网通信形成的一个控制网络。众多的实船应用已经证明了其控制方式灵活、可移植性强、稳定可靠的优越性。但是在此基础上如何降低成本，提高经济性又成了需要研究的课题。
　　1 基本物理模型
　　船舶电站的控制是建立在其物理模型之上的，基本物理模型如图1所示，它的电源由三台柴油发电机和一台轴带发电机组成。船舶正常航行工况下，通常是由轴带发电机供电全船（三台柴油发电机备用），若轴带发电机因故障或其他原因未能运行则由两台（或一台）柴油发电机供电全船（剩下的机组备机）。机动工况下，三台柴油发电机供电全船，或是两台柴油发电机与轴带发电机分区供电，或是一台柴油发电机与轴带发电机分区供电。
　　在自动模式下，发电机根据负荷、工况的变化自动启动、投入和解列;可对故障进行预测、报警和自动处理;并可实现运行状态的显示及相关参数的监测与修改。这些功能主要由控制网络实现。
　　图1 四机组船舶电站基本物理模型
　　2 现行控制网络解决方案
　　三机组及其以上的船舶电站控制一般都以其控制网络为核心。通常情况下，四机组船舶电站的控制网络是由一台PLC中型机和分别控制各发电机的四台发电机同步保护装置PPU通过串行通信组成的主从网络，其中主站PLC负责与从站PPU通信而管理整个控制网络并实现电站自动运行的控制逻辑，从站PPU控制各自发电机电压矢量同步、主开关合/分闸、频载调节（包括负载转移），并监测电压、电流等相关参数。图2所示的PROFIBUS-DP控制网络为典型的四机组船舶电站控制网络解决方案。SIEMENS S7-300 PLC （CPU315-2DP）作为主站，分别控制四发电机的同步保护装置PPU为从站;地址为2、3、4、5的从站PPU分别控制DG1、DG2、DG3和SG的同步运行。 S7-300编程软件Step7 V5.4拥有强大的网络组态功能，组网通信简洁、方便。电站控制逻辑亦通过在Step7 V5.4编程、调试实现[1]。
　　图2 PROFIBUS-DP 控制网络
　　一般四机组电站控制逻辑所需的PLC数字I/O点数在250点左右，而一台PLC中型机的可扩展I/O数为1 000点左
　　右[1]。实际使用的点数只占额定点数的1/4，其CPU资源浪费比较严重。虽其性能卓越而其经济性着实一般。因此，有必要探索一种既保持其卓越的性能而又能提高经济性的控制网络解决方案。
　　3 经济型控制网络解决方案
　　3.1硬件选型
　　目前，国内自行研发的四机组船舶电站控制网络中的PLC设备选用中型机较多。例如若PLC的CPU模块选用SIEMENS S7-300系列的CPU315-2DP，其数字I/O点数可扩展至1024点而实际使用的点数不到其额定值的1/4。而CPU315-2DP的市场价格一般在10000圆人民币左右。可否选用小型PLC代替中型PLC而降低成本呢？答案是肯定的。但是一般小型PLC的最大可扩展I/O点数不超过250点，例如SIEMENS S7-200系列性能最优的CPU模块CPU226的I/O点数最大仅可扩展至248点，这必然导致其数字I/O点数不够用或I/O点数饱和而影响性能[2]。但若采用2个CPU226模块代替一个CPU315-2DP模块，数字I/O点数饱和问题即可解决。2个CPU模块的数字I/O点数可扩至近500点，实际使用的点数约占其额定值的1/2;相对CPU315-2DP的1/4，其CPU资源利用率得到了很大的提高，且这近1/2的裕量使得性能依然可观。SIEMENS S7-200 系列的CPU226模块是该系列中功能最为强大CUP模块，数字I/O最大可扩展至248、模拟
　　I/O最大可扩展至35，用户程序存储区和数据存储区分别高达16、10KB，并且还具备强大的通信功能;甚至一些中型控制系统也可采用CPU226来实现。在现代化船舶电站PLC控制中，一般利用其强大的串行通信功能替代了模拟量I/O的处理，减轻CPU负荷，CPU模块中的电站程序与数据仅需实现逻辑控制和通信联系，而这些都是PLC本身的强项所在，且所有程序和数据存储量不到4KB，CPU226胜任这一切游刃有余。更值得关注的是2台CUP226的总价格远低于1台CPU315-2DP的一半。
　　至于控制网络中的发电机控制设备，其国外厂商、种类较多，技术均较为成熟。目前国内自行研发的电站中，发电机控制采用丹麦DEIF公司的MULTI-LINE2系列产品较多。MULTI-LINE2包括PPU、GPU和GPC等系列产品[3]。它们都是插槽模块式发电机控制设备，功能可选。MULTI-LINE2不同于PLC，其不属于用户可编程序器件。为了使控制功能灵活且便于升级，则发电机控制设备只需选用其监测、显示三相电参数和标准控制功能即可;同步保护装置PPU较为合适。
　　3.2控制网络解决方案
　　控制网络中的硬件设备由两台小型SIEMENS S7-200 PLC（CPU226）和分别控制四台发电机的四台同步保护装置PPU构成。PLC管理整个网络并实现电站自动运行的逻辑控制，PPU监测发电机及汇流排的三相电参数并控制各自发电机的运行过程。控制网络中的数据交换则需通过串行通信方式实现，而通信协议的选择则一定意义上决定于硬件。
　　怎么采用两小型SIEMENS S7-200 PLC（CPU226）替代一中型SIMENS S7-300 PLC（CPU315-2DP）？较为简便的方法如图3所示，在两台PLC中选一台作为主站，另一台PLC与发电机同步保护装置PPU均作为从站，地址为2、3、4、5的从站PPU分别控制DG1、DG2、DG3和SG的同步运行。主站PLC的CPU226模块与从站PPU共同支持的通信协议仅有MODBUS，主站PLC与从站PPU之间的数据共享应通过MODBUS协议实现。S7-200 PLC的编程软件STEP 7-Micro/WIN虽然没有S7-300的编程软件STEP7 那样强大的网络组态功能，但是STEP 7-Micro/WIN内置了MODBUS RTU主站指令库。MODBUS RTU主站指令库的功能是通过在用户程序中调用系统程序块来实现的。MODBUS主站指令的变量需要284B的V存储器空间[4]。该空间的起始地址由用户在STEP 7-Micro/WIN的菜单命令“文件”->“库存储区”指定，保留给MODBUS变量使用。一般在进行MODBUS通信编程之前，应添加MODBUS RTU 主站库文件，添加该库文件后，“instruction＼libraries”文件夹中将出现MBUS_CTRL和MBUS_MSG。调用这两条指令便可实现MUDBUS通信。通信指令的调用格式及具体通信程序请参见文献[1]。
　　CPU226有两个通信口，主站PLC的另一通信口在程序下载完成后可与从站PLC相连。主站PLC与PPU通信时作为MODBUS RUT主站，而与从站PLC通信时则作为PPI主站。为了进一步简化程序设计，从站PLC仅作数字I/O信号的通道之用;每个扫描周期的开始主站PLC除了通过MODBUS协议向从站PPU读写数据外，还应通过PPI通信协议向从站PLC读写数据。PPI属于主从协议，可用于两S7-200 PLC间的通信。在运行模式下，主站PLC可通过网络读（NETR）、网络写（NETW）指令实现主从站的数据共享[2] [4]。
　　图3 经济型控制网络
　　3.3控制网络的功能
　　3.3.1从站PPU的功能
　　在控制网络中PPU的主要功能包括检测和控制[3]。所谓检测功能是接收汇流排电压、频率及所控发电机的电压、电流和频率等信号，并进行运算和相应的处理而达到检测电网与所控发电机运行状态的目的。所谓控制功能是控制发电机的运行，包括发电机建压后电压矢量的同步、主开关的合/分闸、频载调节（包括负载转移）及相关的保护。PPU为用户不可编程器件，其功能的实现通过MULTI-LINE2专用软件DEIF UNILITY SOFTWARE -- ML2 USW进行参数设置即可。
　　3.3.2从站PLC的功能
　　从站PLC的作用是替主站PLC分担数字I/O负荷。主站PLC数字I/O点数不能满足四机组电站的控制要求，因此可把电站逻辑控制约一半的I/O点接在从站PLC上。在主站的每个扫描周期中，从站PLC的数字量输入状态通过PPI协议被读到主站的内存中，主站又把需要通过从站输出的数字输出量通过PPI协议写到从站PLC中，最终由从站PLC数字输出量实现船舶电站的部分逻辑控制。从站PLC相当于主站PLC的一个特殊的扩展模块，因此从站PLC中无需任何用户程序。
　　3.3.3主站PLC的功能
　　在控制网络中主站PLC的主要功能是管理整个控制网络并实现电站的逻辑控制（有部分控制逻辑需借助从站PLC实现）。PLC的工作流程如图4所示，包括向从站PPU和从站PLC读写数据的控制网络管理阶段和数据共享后的控制逻辑执行阶段。
　　所谓管理控制网络是指主站PLC负责整个网络的通信使主从站间实现数据共享。在每一个扫描周期中，主站PLC通过MODBUS协议依次对地址为2、3、4、5的从站PPU进行数据读、写 [4];通过PPI协议对地址为6的从站PLC进行数据读写。在读写从站PPU数据的过程中，主站PLC为MODBUS RTU主站，在读写从站PLC的过程中主站PLC为PPI主站。

　　所谓船舶电站的逻辑控制是指主站PLC根据发电机、电网的运行状态及其他数字输入信号而发出数字信号实现发电机的自动启动、投入、解列、停油控制，实现机组过载、过流保护及自动分级卸载控制，实现电压/频率异常及二类故障的报警与自动处理，实现重载询问自动控制等。网络硬件组态完成后，主从站的通信及控制逻辑的实现取决于PLC程序，PLC程序在STEP 7-Micro/WIN中编写、调试完成后下载至主站PLC的CPU226模块中。四机组电站的PLC控制程序较为复杂，需先研究四机组船舶电站的控制逻辑。而这两项任务的工作量都相对较大，在此不展开论述，详情请看文献[1]。
　　4 结 论
　　上述两种控制网络所实现的功能相同，所不同的是其结构形式;后者用两PLC小型机替换了前者的一PLC中型机。硬件的改变导致了通信协议的改变，前者根据自身软件组态的优势选用PROFIBUS-DP通信，而后者则根据PLC自身程序指令经济地采用MODBUS和PPI协议。就控制网络成本而言，后者相对前者节省了一半。陆上机舱中的电站控制实践证明，该经济型控制方案毫不逊色。
　　图4 主站PLC工作流程