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摘要：随着船舶制造业的不断发展，船舶电站的自动化程度不断提高。电站控制系统也由局部、就地的控制向综合、集散的方向发展，尤其伴随着计算机、通信、网络技术在船舶上的广泛应用，自动控制系统开始进入一个崭新的发展阶段。
关键词：船舶电站;自动控制;系统;海上风机安装船
船舶犹如一个可移动的海上城市，它的许多设备都需要使用电能，因此在船上都配备有独立的电站。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越來越多的船用设备需要电能来驱动和控制，使船舶电站日趋复杂庞大。在海上风机安装船N792上面就有：配电系统，照明系统，主机推进系统，定位系统，通信导航系统，中控系统，监控系统，网络系统，火警系统，照明系统，救生筏救生艇系统等等，对船舶电站提出的要求很高，其发展的突出标志是高容量和高自动化。
1 船舶电站控制系统发展阶段
（1）集中控制阶段。此时的自动控制系统已经开始运用计算机作为控制核心，硬件设备也因此得到了极大的简化，功能更加完善，监测和管理也更加方便。尽管集中型控制系统具有一定的先进性，但由于系统开销较大，加之如果计算机出现故障，整个系统就有可能全面崩溃，因此逐渐被其他控制系统所取代。
（2）分散控制阶段。自上世纪70年代以来，微机及单片机技术得到普及推广，船舶电站控制系统也因此发生改变，不再是使用单一的计算机进行集中控制而是使用几台或更多的计算机分别对船舶的各个系统进行自动管理。分散型系统的特点就是灵活使用计算机技术，且系统造价低，操作简单，具有良好的可靠性。因此在很长一段时间内都主导着自动控制系统的市场。
（3）网络控制阶段。虽然分散型控制系统在集中型控制系统的基础上进行了许多改进，但系统各部分之间还是分散独立的，信息无法进行互相传输。并且分散控制系统中的计算机仅仅作为接收各部分传送信息的通信单元，缺乏统筹管理的功能。因此，自上世纪90年代以来，随着通信网络技术的快速发展，出现了以综合运用计算机和通信技术的网络型系统，短时间内就受到极大的关注，也得到了迅速的推广。网络型控制系统在采用分布式控制的基础之上，又进一步加强了各控制单元之间联系，使其可以通过网络进行数据连接。
2船舶电站自动化控制系统的作用
船舶电站自动控制系统的主要任务是保证供电的安全可靠和改善劳动条件，同时也提高运行的经济性。PLC控制的船舶自动电站基本功能有：
（1）对有关的电气参数和动作信号自动监测、报警、记录、显示，并有逻辑判断功能去控制发动机组;（2）发动机组自动启动;（3）在汇流排不带电的状态下，使发动机组自动接入电网，要限制在该状态下有两台机组或更多的机组同时接入及短路后多次接入的尝试;（4）发电机组自动准同步并车;（5）自动恒压及无功功率自动分配;（6）自动横频及有功功率自动分配;（7）自动分级卸载;（8）负载自动分级启动。
3 船舶电站自动控制系统的构成
船舶电站自动控制系统一般是由上位机、现场控制设备及通信网络所构成的两级控制系统。
（1）上位机。上位机主要负责实时监测电站各设备的运行参数和运行状态，并在当系统设备发生故障时，报警通知相关人员。上位机还需要根据船舶实际运行状况，对电力负载进行管理，例如重载询问、增减负载等。
（2）现场控制设备。现场控制设备不仅需要实时监测电网和发电机组的电压、电流、频率值，还需要控制实现发电机组自动起动、自动并车、负载自动转移、故障机组自动解列、自动停机等功能。现场控制设备还可以方便的与上位机进行组网通信，共享数据。
（3）通信网络。通信网络可以实现主站和各从站间的通信连接，完成信息、控制命令的传输与发送。通信网络一般采用双重冗余设计，这样就使得信息传输更加高速可靠
4自动控制系统的硬件设计分析
PPU装置采用一体化设计，其面板为带按钮的液晶显示器，PPU可以与控制器通信实现数据交换。PPU外围有开关量输入、输出接口，可配置的开关量输入/输出接口，模拟量输入、输出接口和可配置的模拟量输入/输出接口，还可以选配RS485、CAN、Profi Bus-DP等通信接口，并自带可编程的RS232接口。PPU是一个紧凑的微处理器控制单元，广泛的应用于陆地或船舶，其主要功能包括：
（1）数据采集和处理功能：检测发电机和电网的电压、电流、频率和功率值，实现频率比较、电压检测、主开关延时时间补偿、相序检测、计量等;
（2）自动并车功能：在收到上位机发出的并联运行指令后，自动实现并车操作;
（3）发电机负载自动分配和频率的自动控制;
（4）并车运行发电机电压和无功功率的自动平衡控制;
（5）并车运行时，各发电机负载的自动检测，以及根据选择信号控制解列和自动停车;
（6）根据选择信号和电网负荷自动控制各发电机的自动起动;
（7）网络通信：与上位机进行数据通信，并通过显示单元或PC进行参数的修改，PPU之间与上位PLC之间的通信方式有MODBUS RTU（RS485）、CANBUS、Profi Bus-DP三种供选择。
5 船舶应急电力系统概述
5.1 基本组成
通常，船舶电站发电机组的组成主要包括电源、电力负载、配电装置与电力网。（1）电源。所谓电源是能够有效转换机械能与化学能并成为电能的主要装置。在船舶中，最常见的电源装置是柴油发电机组，而蓄电池则可以被当做小的应急电源。（2）配电装置。配电装置最主要的功能是保护、测量并监控船舶电源、电力负载与电力网的基本装置，其中涵盖了测量仪表、继电保护、互感器、辅助设备、连接母线与自动装置等。需结合供电范围与对象差异，将配电装置细化成岸电箱、主配电板、分配垫板、应急配电板和蓄电池充放电板等。（3）船舶电力网，即全船电缆电线总称，能够有效管理整个船舶的用电需求。其中，船舶电网主要是供电网与配电网2个部分。而供电网则是发电机，主配电板通过配合才能满足船舶各种电力设备的要求，若是配电网络中存在大容量设备与重要设备，均需由主配电板敷设单独馈电线，以实现供电的目标。船舶电力网能够结合联接负载性质，细化成弱电电网、应急电网、主电网与小应急电网。（4）船舶内部用电设备能够将电能有效地转变成其他形式能量。众所周知，船舶电力负载的类别主要包括以下几个方面：船舶不同的电力拖动设备、电气照明、通信设备、电航设备、生活区用电设备等。 5.2基本特点
（1）电站容量小。在远洋船舶中，主电站的发电机组主要有2～4台，且大部分发电机组的单机容量在500kW范围内。通常，原动机以柴油机为主，其启动速度较快，机动性特征明显，通过轴带发电机即可实现节能需求，所以实际应用较为普遍。
（2）由于在海洋环境中，用电设备常常工作在潮湿的环境中，这就会造成电气设备发生更多的故障，从而影响到航线的安全。在海上航行的过程中，周边环境要更加湿热，为霉菌生长提供了极大便利。为此，应严格要求电气设备，以免空气湿热而引起绝缘老化的情况。
（3）负载特点。因船舶电气设备和陆地存在明显差异，主要涵盖了船用辅机运转电动机与船舶照明设备。选择大负载消耗功率的设备，在实际运行期间，会严重干扰到其他用电设备的安全，导致这些设备突然无法工作，从而导致更多的连锁故障。
（4）配电装置相对简单。一般来讲，船舶电力系统的容量不大，且电压等级不多，所以电压一般不会超过690V，且变电设备、开关电气、继电保护、配电设备等均比陆地简单。
6 船舶电站发电机组的自动切换电气控制故障排除系统的设计研究
6.1常见故障
在船舶电站发电机组实际运行状态下，很容易引发严重的故障。而發电机组故障是系统构造异常，最终导致功能失调，在设备行为超过允许范围的情况下，即可被称作故障状态。引发系统故障的原因包括内因与外因两部分。其中，内因是系统自身因素，即结构、设计与测试方法的不足，或者是选择元器件不合理等，而外因则是运行环境对于系统性能的影响。
6.2 船舶发电机电路故障诊断原理
船舶发电机电路故障分类和诊断是一个分类问题。首先通过传感器采集船舶发电机工作状态信号，从状态信号提取船舶发电机电路故障特征，并进行归一化，作为输入向量，然后通过模式识别技术建立船舶发电机电路故障的分类器。
6.3船舶电力系统应急发电机组仿真
（1）仿真系统。船舶电力系统应急发电机组仿真软件能够在PC机中独立运行，确保船舶电站设备均在计算机中实现虚拟。在实际训练的过程中，操作人员需利用鼠标或者是键盘对内存所涵盖的船舶电站设备图形进行调用，通过控制屏实现操作。这一船舶电站仿真软件能够在光盘中存储，携带十分方便，也可以在Windows操作系统中运行，对于硬件以及使用环境的要求并不高，且升级也相对便利，维护周期较长。
（2）柴油机调速系统模型。在船舶实际运行的过程中，电力负荷会伴随工况变化而改变，且系统当中的柴油发电机组分配有功功率同样有所改变，导致转速出现波动，电网频率改变明显。所以，对于调速系统建模十分关键。柴油机的转速会受到多种因素的影响，通过对转速进行监控、反馈和调节，可以有效提高应急发电机组的能源转换效率。且实际输出的转速会利用积分单元实现输出转矩的转换，在延时单元的作用下，可以和转速信号相乘，进而确定机械功率。
（3）发电机励磁系统模型。一般情况下，船舶电力系统属于有限源电力系统，且负载容量比发电机容量更大，实际变化相对频繁，致使柴油发电机分配无功功率随之改变。一旦系统运行状态下，电压有所波动，很容易导致发电机解列，严重的还会导致系统崩溃。所以，同步发电机应设置自励恒压自动装置，进而对励磁电压加以调节，确保发电机端的电压更稳定。由此可见，研究励磁系统并建模也十分关键，能够促进船舶电力系统电压的稳定性。
（4）同步发电机模型。当同步发电机处于运行状态下，电子与转子电流、各个电磁专柜都会产生互相影响，且内部涵盖了动态性与非线性电磁过渡过程。为了能够更好地进行仿真并分析结果，将标准值引入同步发电机仿真模型当中。
6.4系统设计
（1）数据库。因数据库系统可靠性、持久性与共享性特征明显，所以在存储、处理、传送和管理数据方面得到了广泛应用。数据库能够实现不同用户的共享，确保数据存储的性能达到最佳，操作十分方便，数据的恢复能力较强。
（2）具体过程。船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统的设计要选择数据管理器程序窗口添加，才能够创建相关文件，并实现下一操作。应在文件中找到新建命令并单击，对MicrosoftAccess命令确认，随后确认Version7.0MDB命令。在双重命令之下，即可弹出系统设计对话框，将船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统输入到文件名当中，单击保存后，即可创建系统。再将船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统输入到表名的文本框当中，进而创建具体的数据表结构。字段的添加方式是要单击AddField按钮，并弹出相应的对话框。在完成指定字段后，即可单击OK按钮。在设置用户界面的时候，要对系统便捷使用加以考虑，并且将船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统界面合理地设置为Windows资源管理器形式。
7 结语
船舶电站作为船舶电力系统的核心，对保证船舶正常航行有着决定性意义。近些年来，随着船舶大型化、自动化的发展，系统网络结构愈加复杂，对自动控制的要求也愈加严格。因此对船舶电站自动控制系统的分析具有重要的意义。
参考文献：
[1]吴家鸣.我国造船业的变迁与现状[J].广东造船，2012，31（1）：37-41.
[2]陈猷亮.浅谈船舶电气自动化发展趋势[J].科技风，2012（2）：40-40.
关键词：船舶电站;自动控制;系统;海上风机安装船
船舶犹如一个可移动的海上城市，它的许多设备都需要使用电能，因此在船上都配备有独立的电站。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越來越多的船用设备需要电能来驱动和控制，使船舶电站日趋复杂庞大。在海上风机安装船N792上面就有：配电系统，照明系统，主机推进系统，定位系统，通信导航系统，中控系统，监控系统，网络系统，火警系统，照明系统，救生筏救生艇系统等等，对船舶电站提出的要求很高，其发展的突出标志是高容量和高自动化。
1 船舶电站控制系统发展阶段
（1）集中控制阶段。此时的自动控制系统已经开始运用计算机作为控制核心，硬件设备也因此得到了极大的简化，功能更加完善，监测和管理也更加方便。尽管集中型控制系统具有一定的先进性，但由于系统开销较大，加之如果计算机出现故障，整个系统就有可能全面崩溃，因此逐渐被其他控制系统所取代。
（2）分散控制阶段。自上世纪70年代以来，微机及单片机技术得到普及推广，船舶电站控制系统也因此发生改变，不再是使用单一的计算机进行集中控制而是使用几台或更多的计算机分别对船舶的各个系统进行自动管理。分散型系统的特点就是灵活使用计算机技术，且系统造价低，操作简单，具有良好的可靠性。因此在很长一段时间内都主导着自动控制系统的市场。
（3）网络控制阶段。虽然分散型控制系统在集中型控制系统的基础上进行了许多改进，但系统各部分之间还是分散独立的，信息无法进行互相传输。并且分散控制系统中的计算机仅仅作为接收各部分传送信息的通信单元，缺乏统筹管理的功能。因此，自上世纪90年代以来，随着通信网络技术的快速发展，出现了以综合运用计算机和通信技术的网络型系统，短时间内就受到极大的关注，也得到了迅速的推广。网络型控制系统在采用分布式控制的基础之上，又进一步加强了各控制单元之间联系，使其可以通过网络进行数据连接。
2船舶电站自动化控制系统的作用
船舶电站自动控制系统的主要任务是保证供电的安全可靠和改善劳动条件，同时也提高运行的经济性。PLC控制的船舶自动电站基本功能有：
（1）对有关的电气参数和动作信号自动监测、报警、记录、显示，并有逻辑判断功能去控制发动机组;（2）发动机组自动启动;（3）在汇流排不带电的状态下，使发动机组自动接入电网，要限制在该状态下有两台机组或更多的机组同时接入及短路后多次接入的尝试;（4）发电机组自动准同步并车;（5）自动恒压及无功功率自动分配;（6）自动横频及有功功率自动分配;（7）自动分级卸载;（8）负载自动分级启动。
3 船舶电站自动控制系统的构成
船舶电站自动控制系统一般是由上位机、现场控制设备及通信网络所构成的两级控制系统。
（1）上位机。上位机主要负责实时监测电站各设备的运行参数和运行状态，并在当系统设备发生故障时，报警通知相关人员。上位机还需要根据船舶实际运行状况，对电力负载进行管理，例如重载询问、增减负载等。
（2）现场控制设备。现场控制设备不仅需要实时监测电网和发电机组的电压、电流、频率值，还需要控制实现发电机组自动起动、自动并车、负载自动转移、故障机组自动解列、自动停机等功能。现场控制设备还可以方便的与上位机进行组网通信，共享数据。
（3）通信网络。通信网络可以实现主站和各从站间的通信连接，完成信息、控制命令的传输与发送。通信网络一般采用双重冗余设计，这样就使得信息传输更加高速可靠
4自动控制系统的硬件设计分析
PPU装置采用一体化设计，其面板为带按钮的液晶显示器，PPU可以与控制器通信实现数据交换。PPU外围有开关量输入、输出接口，可配置的开关量输入/输出接口，模拟量输入、输出接口和可配置的模拟量输入/输出接口，还可以选配RS485、CAN、Profi Bus-DP等通信接口，并自带可编程的RS232接口。PPU是一个紧凑的微处理器控制单元，广泛的应用于陆地或船舶，其主要功能包括：
（1）数据采集和处理功能：检测发电机和电网的电压、电流、频率和功率值，实现频率比较、电压检测、主开关延时时间补偿、相序检测、计量等;
（2）自动并车功能：在收到上位机发出的并联运行指令后，自动实现并车操作;
（3）发电机负载自动分配和频率的自动控制;
（4）并车运行发电机电压和无功功率的自动平衡控制;
（5）并车运行时，各发电机负载的自动检测，以及根据选择信号控制解列和自动停车;
（6）根据选择信号和电网负荷自动控制各发电机的自动起动;
（7）网络通信：与上位机进行数据通信，并通过显示单元或PC进行参数的修改，PPU之间与上位PLC之间的通信方式有MODBUS RTU（RS485）、CANBUS、Profi Bus-DP三种供选择。
5 船舶应急电力系统概述
5.1 基本组成
通常，船舶电站发电机组的组成主要包括电源、电力负载、配电装置与电力网。（1）电源。所谓电源是能够有效转换机械能与化学能并成为电能的主要装置。在船舶中，最常见的电源装置是柴油发电机组，而蓄电池则可以被当做小的应急电源。（2）配电装置。配电装置最主要的功能是保护、测量并监控船舶电源、电力负载与电力网的基本装置，其中涵盖了测量仪表、继电保护、互感器、辅助设备、连接母线与自动装置等。需结合供电范围与对象差异，将配电装置细化成岸电箱、主配电板、分配垫板、应急配电板和蓄电池充放电板等。（3）船舶电力网，即全船电缆电线总称，能够有效管理整个船舶的用电需求。其中，船舶电网主要是供电网与配电网2个部分。而供电网则是发电机，主配电板通过配合才能满足船舶各种电力设备的要求，若是配电网络中存在大容量设备与重要设备，均需由主配电板敷设单独馈电线，以实现供电的目标。船舶电力网能够结合联接负载性质，细化成弱电电网、应急电网、主电网与小应急电网。（4）船舶内部用电设备能够将电能有效地转变成其他形式能量。众所周知，船舶电力负载的类别主要包括以下几个方面：船舶不同的电力拖动设备、电气照明、通信设备、电航设备、生活区用电设备等。 5.2基本特点
（1）电站容量小。在远洋船舶中，主电站的发电机组主要有2～4台，且大部分发电机组的单机容量在500kW范围内。通常，原动机以柴油机为主，其启动速度较快，机动性特征明显，通过轴带发电机即可实现节能需求，所以实际应用较为普遍。
（2）由于在海洋环境中，用电设备常常工作在潮湿的环境中，这就会造成电气设备发生更多的故障，从而影响到航线的安全。在海上航行的过程中，周边环境要更加湿热，为霉菌生长提供了极大便利。为此，应严格要求电气设备，以免空气湿热而引起绝缘老化的情况。
（3）负载特点。因船舶电气设备和陆地存在明显差异，主要涵盖了船用辅机运转电动机与船舶照明设备。选择大负载消耗功率的设备，在实际运行期间，会严重干扰到其他用电设备的安全，导致这些设备突然无法工作，从而导致更多的连锁故障。
（4）配电装置相对简单。一般来讲，船舶电力系统的容量不大，且电压等级不多，所以电压一般不会超过690V，且变电设备、开关电气、继电保护、配电设备等均比陆地简单。
6 船舶电站发电机组的自动切换电气控制故障排除系统的设计研究
6.1常见故障
在船舶电站发电机组实际运行状态下，很容易引发严重的故障。而發电机组故障是系统构造异常，最终导致功能失调，在设备行为超过允许范围的情况下，即可被称作故障状态。引发系统故障的原因包括内因与外因两部分。其中，内因是系统自身因素，即结构、设计与测试方法的不足，或者是选择元器件不合理等，而外因则是运行环境对于系统性能的影响。
6.2 船舶发电机电路故障诊断原理
船舶发电机电路故障分类和诊断是一个分类问题。首先通过传感器采集船舶发电机工作状态信号，从状态信号提取船舶发电机电路故障特征，并进行归一化，作为输入向量，然后通过模式识别技术建立船舶发电机电路故障的分类器。
6.3船舶电力系统应急发电机组仿真
（1）仿真系统。船舶电力系统应急发电机组仿真软件能够在PC机中独立运行，确保船舶电站设备均在计算机中实现虚拟。在实际训练的过程中，操作人员需利用鼠标或者是键盘对内存所涵盖的船舶电站设备图形进行调用，通过控制屏实现操作。这一船舶电站仿真软件能够在光盘中存储，携带十分方便，也可以在Windows操作系统中运行，对于硬件以及使用环境的要求并不高，且升级也相对便利，维护周期较长。
（2）柴油机调速系统模型。在船舶实际运行的过程中，电力负荷会伴随工况变化而改变，且系统当中的柴油发电机组分配有功功率同样有所改变，导致转速出现波动，电网频率改变明显。所以，对于调速系统建模十分关键。柴油机的转速会受到多种因素的影响，通过对转速进行监控、反馈和调节，可以有效提高应急发电机组的能源转换效率。且实际输出的转速会利用积分单元实现输出转矩的转换，在延时单元的作用下，可以和转速信号相乘，进而确定机械功率。
（3）发电机励磁系统模型。一般情况下，船舶电力系统属于有限源电力系统，且负载容量比发电机容量更大，实际变化相对频繁，致使柴油发电机分配无功功率随之改变。一旦系统运行状态下，电压有所波动，很容易导致发电机解列，严重的还会导致系统崩溃。所以，同步发电机应设置自励恒压自动装置，进而对励磁电压加以调节，确保发电机端的电压更稳定。由此可见，研究励磁系统并建模也十分关键，能够促进船舶电力系统电压的稳定性。
（4）同步发电机模型。当同步发电机处于运行状态下，电子与转子电流、各个电磁专柜都会产生互相影响，且内部涵盖了动态性与非线性电磁过渡过程。为了能够更好地进行仿真并分析结果，将标准值引入同步发电机仿真模型当中。
6.4系统设计
（1）数据库。因数据库系统可靠性、持久性与共享性特征明显，所以在存储、处理、传送和管理数据方面得到了广泛应用。数据库能够实现不同用户的共享，确保数据存储的性能达到最佳，操作十分方便，数据的恢复能力较强。
（2）具体过程。船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统的设计要选择数据管理器程序窗口添加，才能够创建相关文件，并实现下一操作。应在文件中找到新建命令并单击，对MicrosoftAccess命令确认，随后确认Version7.0MDB命令。在双重命令之下，即可弹出系统设计对话框，将船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统输入到文件名当中，单击保存后，即可创建系统。再将船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统输入到表名的文本框当中，进而创建具体的数据表结构。字段的添加方式是要单击AddField按钮，并弹出相应的对话框。在完成指定字段后，即可单击OK按钮。在设置用户界面的时候，要对系统便捷使用加以考虑，并且将船舶电站电气机组自动切换电气控制故障排除系统界面合理地设置为Windows资源管理器形式。
7 结语
船舶电站作为船舶电力系统的核心，对保证船舶正常航行有着决定性意义。近些年来，随着船舶大型化、自动化的发展，系统网络结构愈加复杂，对自动控制的要求也愈加严格。因此对船舶电站自动控制系统的分析具有重要的意义。
参考文献：
[1]吴家鸣.我国造船业的变迁与现状[J].广东造船，2012，31（1）：37-41.
[2]陈猷亮.浅谈船舶电气自动化发展趋势[J].科技风，2012（2）：40-40.