基于Profinet的船舶电力管理系统的设计与实现

摘要

现代船舶的发展趋向于大型化、集成化和先进化。船舶用电负荷的数量及类型都在不断增加，船舶电站电能的生产、分配及用电负荷的管理变得异常复杂，因此必须对船舶电站的发电、配电及用电负荷进行有效的管理，不仅要保证船舶电站有足够的可用功率，预防船舶电力系统断电，而且还要对系统进行电力优化，使得燃料消耗和机组损耗降到最低。另外，为保证船舶电站的安全可靠运行，系统的保护与报警也成为不可或缺的组成部分，这样既可以保证设备正常运行，又可以减少设备的维护成本，提高设备的利用率。因此，船舶电力管理系统(PMS)也就成为一个必然的选择。
　　本文以s7-1200型PLC为核心控制器，通过搭建基于Profinet的工业以太网将PLC、触摸屏及远端计算机组态到一个网络内。同时，具体设计开发并实现了船舶电站PMS的系统I/O环节、负载管理环节、配电管理环节、电力优化环节以及系统监控环节，首先在硬件上将PC、HMI、核心控制器、执行单元接入分层结构的工业控制以太网，然后对于系统各环节中的具体功能进行设计，包括PLC控制线路的设计、程序的编写以及HMI配合系统具体执行过程的组态。
　　在设计中，采用模块化设计思想，将系统分成6大模块及若干子模块，并详细阐述部分模块的设计原理及实现过程。核心控制器采集船舶电力系统的电压、电流、功率及某些开关的状态，通过所设计的程序算法及上位机触摸屏的协作，完成整个船舶电站电力管理系统的各项功能。
　　最后，在完成硬件连接及软件的编写与写入后，对系统进行了实验室船舶电站平台条件下的安装、接线及调试，实验结果验证了本文中基于Profinet的船舶电站PMS的各项功能的设计思想是合理的、可行的，同时，也验证了在实验室条件下，本文实现了上述PMS的各项主要功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 PMS研究综述及其发展趋势

1．2．1 PMS研究综述

1．2．2 PMS国内外发展现状

1．2．3 PMS的发展趋势

1．3 课题的主要内容

第2章 PMS的整体设计方案

2．1 PMS的系统构成

2．1．1 PMS的模型构成

2．1．2 本设计的物理平台组成

2．1．3 本设计系统的硬件组成

2．2 PMS各模块的功能设计

2．2．1 系统I／O模块的功能设计

2．2．2 负载管理模块的功能设计

2．2．3 配电管理模块的功能设计

2．2．4 电力优化模块的功能设计

2．2．5 保护与报警模块的功能设计

2．3 搭建Profinet的网络模型

2．3．1 Profinet的原理

2．3．2 PMS系统的网络化设计

第3章 PMS主要环节的设计及实现

3．1 PMS主要环节的设计内容

3．1．1 设计功能概述

3．1．2 系统硬件构成单元

3．1．3 系统软件构成

3．2 系统I／O模块的设计

3．2．1 系统模拟量采集原理

3．2．2 系统模拟量采集设计

3．2．3 系统数字量采集的原理与设计

3．2．4 系统数字量输出的原理与设计

3．2．5 系统I／O模块的软件设计

3．2．6 系统I／O模块的实现

3．3 负载管理模块的设计

3．3．1 系统负载率获取的设计

3．3．2 重载询问

3．3．3 次要负荷自动分级卸载

3．3．4 重要负荷分级自动启动功能

3．3．5 负载管理模块部分程序

3．3．6 负载管理模块的实现

3．4 配电管理模块的设计

3．4．1 电网失电监测与电力恢复功能的条件与流程

3．4．2 配电开关的控制设计

3．4．3 配电开关的监控

3．5 电力优化管理模块的设计

3．5．1 电力优化的主要策略

3．5．2 PMS电力优化管理策略的选择

3．5．3 最少在网机组功能程序设计

3．5．4 电力优化管理程序设计

3．6 PMS核心控制器PLC资源的使用

第4章 PMS网络与监控的设计

4．1 PMS核心控制器通信的硬件设计

4．1．1 PLC间的开放式通信连接

4．1．2 硬件参数配置

4．2 PMS核心控制器通信的软件设计

4．2．1 通信指令的调用

4．2．2 通信指令的TSEND_C的参数配置

4．2．3 通信指令的TRCV_C的参数配置

4．2．4 配对PLC的通信参数配置

4．3 通信数据地址及含义

4．3．1 Station PLC与MOTION PLC间的通信数据地址与含义

4．3．2 Station PLC与Generation PLC间的通信数据地址与含义

4．4 PMS监控系统的设计

4．4．1 监控系统的主要功能

4．4．2 监控系统通信原理及参数获取与指令发出

4．4．3 监控界面的设计

第5章 PMS的调试与验证

5．1 系统的硬件调试

5．1．1 核心控制器输入输出的调试

5．1．2 供电回路抗干扰的设计

5．2 系统的综合调试实验结果

5．2．1 保护与报警功能的综合调试

5．2．2 保护与报警的实现

5．2．3 PMS的综合调试

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介