基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其特点是，包括：控制信号输入电路、PLC主控制器、PTI/PTO切换执行元件、以及一通讯电路；所述的控制信号输入电路的输出端与PLC主控制器的信号输入端电连接；所述PLC主控制器的输出端与PTI/PTO切换执行元件的输入端电连接；该PLC主控制器并与变频器双向电连接；所述PTI/PTO切换执行元件的输入端并与变频器的输出端电连接，该PTI/PTO切换执行元件的输出端分别与轴带电机和小起动电机电连接，控制所述轴带电机或小起动电机切换交替工作；所述的通讯电路的输入端与PLC主控制器的通讯端电连接，所述通讯电路的输出端与外部监控设备双向电连接。本发明还公开了一种PTI/PTO模式切换控制的方法。既保证了船舶动力系统的可靠性，又极大的提高了系统的经济性、可操作性、安全性等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置及其控制方法，属于船舶动力系统自动化控制技术应用领域。

背景技术

船舶发电是仅次于船舶推进的最大耗能系统，多年来的实践已经证明，在船上采用轴带电机是一种切实可行的发电方案，并且主柴油机大都在部分负荷下运行，而在低于75％～85％额定功率的低负荷下运行时，其经济性将下降，如果利用轴带电机，可以使主机长时间在较高负荷下运行，从而具有良好的经济性；目前船舶轴带电机在远洋运输船舶、工程船舶、渔船和内河船上都有较为广泛的应用；同时为了进一步提高船舶的操作性、推进功率、推进效率、推进冗余度（主机损坏下作为电动机单独推进Power Take Home），要求轴带电机能够在电动机和发电机之间任意切换。

发明内容

本发明是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供的一种基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置及其控制方法，该PTI/PTO模式切换控制装置及其控制方法应用在配备轴带电机的船只中，主机功率富裕时控制轴带电机运行在发电模式，提高了系统的经济性；主机损坏或推进功率不够时，控制轴带电机运行在电动模式，提高了系统的安全性、推进效率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其特点是，包括：控制信号输入电路、PLC主控制器、PTI/PTO切换执行元件、以及一通讯电路；

所述的控制信号输入电路的输出端与PLC主控制器的信号输入端电连接；

所述PLC主控制器的输出端与PTI/PTO切换执行元件的输入端电连接；该PLC主控制器并与变频器双向电连接；

所述PTI/PTO切换执行元件的输入端并与变频器的输出端电连接，该PTI/PTO切换执行元件的输出端分别与轴带电机和小起动电机电连接，控制所述轴带电机或小起动电机切换交替工作；

所述的通讯电路的输入端与PLC主控制器的通讯端电连接，所述通讯电路的输出端与外部监控设备双向电连接。

上述基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其中，所述的PLC主控制器包括顺序电连接的信号采集单元、信号识别单元、向变频器发出运行指令的指令单元、向外部监控设备发送切换载荷的请求和接收外部监控设备发回的反馈信息的请求发送和信息接收单元、载荷模式选定单元、载荷参数设定单元、载荷参数判断单元、切换控制信号输出单元；所述的信号采集单元、的输入端与控制信号输入电路的输出端电连接；所述的请求发送和信息接收单元与外部监控设备双向电连接。

上述基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其中，所述的PLC主控制器还包括信号延时单元和报警单元，

所述信号延时单元的输入端与所述的信号识别单元的输出端电连接，其输出端与所述向变频器发出运行指令的指令单元的输入端电连接；

所述的报警单元的输入端与所述信号延时单元的输出端电连接。

上述基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其中，所述的信号识别单元包括对供电开关是否合闸进行识别的第一识别支路、对切换执行元件是否合闸进行识别的第二识别支路、对变频器输出是否就绪进行识别的第三识别支路、以及对收到的从PMS反馈的对切换载荷的请求是否允许进行识别的第四识别支路；所述的第一识别支路、第二识别支路、第三识别支路、以及第四识别支路分别有一个“是”输出端和一个“否”输出端；

所述的延时电路包括第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路；所述的第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路也各包括一个“是”输出端和一个“否”输出端；

所述的报警单元包括第一报警支路、第二报警支路、第三报警支路、第四报警支路；

所述的第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路的输入端与所述的第一识别支路、第二识别支路、第三识别支路、第四识别支路的“否”输出端电连接；所述的第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路的“是”输出端分别与所述的第一识别支路、第二识别支路、第三识别支路、第四识别支路的“是”输出端电连接；所述第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路的“否”输出端分别与对应的第一报警支路、第二报警支路、第三报警支路、第四报警支路的输入端电连接

所述的第一报警支路、第二报警支路、第三报警支路、第四报警支路的输出端分别连接报警器。

上述基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其中，还包括一手动操作装置，包括手动操作按钮，与所述的PTI/PTO切换执行元件电连接。

上述基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，其中，所述的控制信号输入单元主要接收集中监控台发送的各种螺旋桨模式信号、PTI起动信号、PTI停止信号；轴带电机PTI、PTO、空档运行模式信号；齿轮箱内各种离合器、耦合器的状态反馈信号，电站的相关控制开关的状态反馈信号；外部监控设备的应答信号。

一种根据基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置进行PTI/PTO模式切换控制的方法，其特点是，包括以下步骤：

外部输入的控制信号传输到PLC主控制器的步骤；

PLC主控制器对外部输入的控制信号进行处理的步骤；

将处理后的信号分别控制变频器和切换执行元件的步骤；

控制所述轴带电机或小起动电机切换交替工作。

上述控制方法，其中，所述的PLC主控制器对外部输入的控制信号进行处理的步骤包括：

接收控制信号输入的步骤；

对接收的控制信号进行信号识别的步骤；

控制变频器运行而发送指令的步骤；

对所准备连接切换的载荷向外部监控设备发送请求和接收反馈信息的步骤；

选定准备切换连接的载荷模式的步骤；

对确定的载荷进行参数设定的步骤；

对确定的载荷参数进行判断的步骤；

将切换的控制信号输出到变频器和切换执行元件的步骤。

上述控制方法，其中，所述的PLC主控制器对外部输入的控制信号进行处理的步骤还包括：

如果识别后的被控制部件不能达到设定要求时，还包括延时、再次操作的步骤；

如果判断后的被控制部件不能达到设定要求时，也还包括延时、再操作的步骤；

如果再次操作仍然不能达到要求，则报警；

如果再次操作已达到要求，则进入后续控制的步骤。

上述控制方法，其中，所述的对所准备连接切换的载荷向外部监控设备发送请求和接收反馈信息的步骤，是通过RS485接口将主控制器与外部监控设备进行实时通讯，把运行信息、报警信息等传输到集中监控台集中显示、监控；并通过RS485接口将主控制器与外部监控设备系统进行对准备切换连接的载荷的请求和反馈信息的交互。

本发明由于采取了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的：

1、基于PLC编程的PTI/PTO模式切换控制装置，结合ABB公司的ACS550变频器，提高了本装置的自动化控制程度，同时灵活的软件编程设计和便捷的PLC板卡功能扩展，有利于后续装置的功能升级；

2、从整个系统的可靠性、安全性出发，本装置可对轴带电机进行逆功、过流、过载、过压等多种保护，变频器自身也集成了直流母排电压过高、三相电流电压不均衡等多种报警保护功能，使用更可靠；

3、本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置及其控制方法在国家实验室多功能动力系统演示验证试验平台上得到全方面的试验验证，满足了不同螺旋桨模式下单机+轴带电机、双机+轴带电机、轴带电机单独推进等多种工况时的试验要求，同时在新造粤海铁路轮渡的双机双桨动力系统中得到一定的应用。通过进一步的产品化设计、可靠性设计将广泛用于船舶领域，技术应用前景良好；

4、本PTI/PTO模式切换控制装置应用在多功能演示验证平台上，能够实现不同螺旋桨特性（定距桨、调距桨）下的PTI、PTO、空档（轴带电机不工作）模式之间的切换、控制。本专利通过基于PLC编程的控制软件实现自动切换、控制功能，通过变频器实现定距桨下的PTI联合推进控制，并通过硬件按钮、继电控制单元实现一整套手动操作功能，可满足整个多功能试验平台的高可靠性要求；

5、由于采用了PLC控制，能够根据外部工作模式的变化、控制信号的变化，自动实现轴带电机电动模式Power Take In（PTI）到发电模式Power Take Out（PTO）之间的相互切换控制。

附图说明

图1是本发明装置的电方框图。

图2是本发明装置的一种实施例的电原理图。

图3是本发明装置的主控制器的电方框图。

图4是本发明控制方法的流程示意图。

图5实现本发明控制方法的一种实施例(调距桨模式下PTI、PTO相互切换时)的流程图。

图6是实现本发明控制方法的一种实施例(定距桨模式下PTH控制)的流程图。

具体实施方式

本发明的具体特征性能由以下的实施例并结合附图进一步详细说明。

请参阅图1。本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，包括：包括：变频器1、控制信号输入电路2、PLC主控制器3、PTI/PTO切换执行元件4、以及一通讯电路5；所述的控制信号输入电路的输出端与PLC主控制器的信号输入端电连接；所述PLC主控制器的输出端与PTI/PTO切换执行元件的输入端电连接；该PLC主控制器并与变频器双向电连接，所述的变频器通过安装在轴带电机的光电编码器，实时采集轴带电机的转速，实现对轴带电机的转速闭环控制。所述PTI/PTO切换执行元件的输入端并与变频器的输出端电连接，该PTI/PTO切换执行元件的输出端分别与轴带电机和小起动电机电连接，控制所述轴带电机或小起动电机相互切换工作；所述的通讯电路的输入端与PLC主控制器的通讯端电连接，所述通讯电路的输出端与外部监控设备100双向电连接。本实施例中，还可以包括与PLC主控制器电连接的报警器6、显示模块7，以及还可以包括一手动装置8。

请参阅图2，图2是本发明装置的一种实施例的电原理图。本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，该装置主要包括变频器ACS550、PLC主控制器（可编程序控制器）、交流接触器(切换元件）KM1/KM2、显示仪表A、操作按钮SAI、转换开关Q1等电气设备。交流接触器(切换元件）KM1/KM2中，KM1连接轴带电机M1，KM2连接小起动电机M2，PLC主控制器接收外部输入的控制信号，经处理，控制变频器和交流接触器，切换轴带电机M1和小起动电机M2的工作状态。

请参阅图3，图3是本发明PLC主控制器的电方框图。本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置中，所述的PLC主控制器3包括顺序电连接的信号采集单元31、信号识别单元32、向变频器发出运行指令的指令单元33、向外部监控设备发送切换载荷的请求和接收外部监控设备发回的反馈信息的请求发送和信息接收单元34、载荷模式选定单元35、载荷参数设定单元36、载荷参数判断单元37、切换控制信号输出单元38；所述的请求发送和信息接收单元与外部监控设备100双向电连接。所述的信号采集单元主要接收集中监控台发送的各种螺旋桨模式信号、PTI起动信号、PTI停止信号；轴带电机PTI、PTO、空档运行模式信号；齿轮箱内各种离合器、耦合器的状态反馈信号，电站的相关控制开关的状态反馈信号；PMS（外部监控设备中的电能管理系统）的应答信号。

所述的外部监控设备包括集中监控台，通过RS485接口将主控制器与集中监控台进行实时通讯，把运行信息、报警信息等传输到集中监控台集中显示、监控；并通过RS485接口将主控制器与集中监控台进行对准备切换连接的载荷的请求和反馈信息的交互。

本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置中，所述的PLC主控制器3还包括信号延时单元39和报警单元30。信号延时单元39的输入端与所述的信号识别单元的输出端电连接，输出端分别与所述向变频器发出运行指令的指令单元和报警单元的输入端电连接。

在一个具体的实施例中，所述的信号识别单元32包括对供电开关是否合闸进行识别的第一识别支路321、对切换执行元件是否合闸进行识别的第二识别支路322、对变频器输出是否就绪进行识别的第三识别支路323、以及对收到的从PMS反馈的对切换载荷的请求是否允许进行识别的第四识别支路324；所述的第一识别支路、第二识别支路、第三识别支路、以及第四识别支路分别有一个“是”输出端和一个“否”输出端；

所述的延时电路包括第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路，也各包括一个“是”输出端和一个“否”输出端。

所述的第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路的输入端与所述的第一识别支路、第二识别支路、第三识别支路、第四识别支路的“否”输出端电连接；所述的第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路的“是”输出端与所述的第一识别支路、第二识别支路、第三识别支路、第四识别支路的“是”输出端电连接。所述第一延时支路、第二延时支路、第三延时支路、第四延时支路的“否”输出端分别与第一报警支路、第二报警支路、第三报警支路、第四报警支路的输入端电连接。所述第一报警支路、第二报警支路、第三报警支路、第四报警支路的输出端与报警元件电连接。

请参阅图4。本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置进行PTI/PTO模式切换控制的方法，包括以下步骤：

外部输入的控制信号传输到PLC主控制器的步骤S1；

PLC主控制器对外部输入的控制信号进行处理的步骤S2；

将处理后的信号分别控制变频器和切换执行元件的步骤S3；

控制所述轴带电机或小起动电机切换交替工作S4。

其中，所述的PLC主控制器对外部输入的控制信号进行处理的步骤包括：

接收控制信号输入的步骤S21；

对接收的控制信号进行信号识别的步骤S22；

控制变频器运行而发送指令的步骤S23；

对所准备连接切换的载荷向PMS发送请求和接收反馈信息的步骤S24；

选定准备切换连接的载荷模式的步骤S25；

对确定的载荷进行参数设定的步骤S26；

对确定的载荷参数进行判断的步骤S27；

将切换的控制信号输出到变频器和切换执行元件的步骤S28。以及，

还包括：

如果识别后的控制信号不能达到要求时，还包括延时、再次操作的步骤；

如果判断后的控制信号不能达到要求时，还包括延时、再操作的步骤；

如果再次操作仍然不能达到要求，则报警；

如果再次操作已达到要求，则进入下一控制的步骤。

请参阅图5，图5是实现本发明控制方法的一种实施例(调距桨模式下PTI、PTO相互切换时)的流程图。

PLC主控制器的信号输入单元主要接收集中监控台发送的各种螺旋桨模式信号、PTI起动信号、PTI停止信号，轴带电机PTI、PTO、空档运行模式信号，齿轮箱内各种离合器、耦合器的状态反馈信号，电站的相关控制开关的状态反馈信号，PMS的应答信号等；PLC根据接收的各种信号执行相应的操作（控制变频器、输出状态参数、控制齿轮箱内离合器等），同时还通过MOUDBUS RS485和集中监控台进行实时通讯，把运行信息、报警信息等传输给集中显示、监控单元。变频器主要在定距桨模式下轴带电机做PTI时使用，最简单的工况是两台主机都不工作，由轴带电机通过变频器驱动单独进行推进（PTH）其控制流程如图6所示。

另外，轴带电机的起动还可通过变频器驱动和轴带电机同轴的小起动电机实现；变频器自身的保护功能可对本装置出现的各种非正常现象进行安全保护、报警提示等；本装置还可包括一显示模块，主要显示本装置当前的运行状态参数，包括轴带电机转速、变频器输出电流、频率、设定转速、直流母排电压、输出功率以及各种报警信息等。本发明还能实现本地操作即手动模式，包括按钮、转换开关、继电控制回路等，通过本地操作也可以实现不同螺旋桨模式、不同工况下的PTI/PTO模式切换控制，相关设备的手动操作等。

本发明基于PLC控制的PTI/PTO模式切换控制装置，既能实现调距桨模式下的PTO、PTI、空档之间切换控制和PTI联合推进控制，又能通过变频器实现定距桨模式下的PTI联合推进控制，也能实现任意模式下主机停止运行时的PTH单独推进控制，另外还可对各种非正常现象进行报警保护，在自动失灵的情况下还可以通过手动操作实现上述的切换、控制功能，应用在船舶动力系统中既保证了动力系统的可靠性，又极大的提高了系统的经济性、可操作性、安全性等。具有结构简单、功能扩展方便、可靠性高、成本低的优点。