基于PLC的船舶辅机泵组的自动切换控制

摘 要：船舶上为主机服务的滑油泵，冷却水泵，燃油泵等主要辅助电动机，为了工作安全可靠和控制简洁方便均设置了备用机组。文章采用可编程控制器系统对泵组在主机组故障时备用机组的自动切换进行控制，采用梯形图编程语言进行编程，实现泵组的多地点控制，并且使其抗干扰性及可靠性提高，弥补原有继电器-接触器控制系统的不足。

关键词：泵组的自动切换；继电器-接触器；PLC

引言

目前船舶上使用的自动切换控制系统，多数都是继电器-接触器控制系统，其工作稳定性低，可靠性差，线路复杂，体积大，功耗高，不方便操作且维修困难。本课题开发采用可编程控制器自动控制系统，用软件编程代替传统的继电器-接触器控制系统。其依靠软件编程实现自动控制，节省了大量控制线路，致使安装和维修工作效率得到很大提高，同时也提高了系统的稳定性和抗干扰性，并且降低了系统能耗。

1 基于PLC的船用辅机泵组的自动切换控制

1.1 功能表图（或流程图）

按下启动按钮，一号泵组进行启动，如果启动正常，一号泵组则进入正常工作状态。如果一号泵组未能启动，或在正常工作状态中发生故障，导致一号泵组不能工作，则报警系统发出声光报警，同时二号泵组进行启动，如果二号泵组启动正常，则也进入正常工作状态。

1.2 船舶辅机泵组自动切换控制总图

根据系统控制要求及其所确定的逻辑条件，PLC1系统应具有以下开关信息：（1）系统起动信号（起动按钮）I0.1。（2）中间继电器开关。（3）系统停止信号（停止按钮）I0.2。（4）泵出口压力信号，故障信号I0.3。（5）消铃按钮I0.4。（6）试灯，试铃按钮I0.5。

系统输出开关信息有：（1）泵组总开关KM1，Q0.1。（2）定子绕组Δ形连接开关，Q0.2。（3）定子绕组Y形连接开关，Q0.3。（4）中间继电器Q0.4。（5）起动控制单元运行指示灯RUN1，Q0.5。（6）组合控制屏上的运行指示灯GL1，Q0.6。（7）报警灯BJ1，Q0.7。（8）报警电铃BJ2，Q0.8

PLC2系统应输入以下开关信息：（1）系统起动信号（起动按钮）I0.6。（2）中间继电器开关。（3）系统停止信号（停止按钮）I0.7。（4）泵出口压力信号，故障信号I0.8。（5）消铃按钮I0.9。（6）试灯，试铃按钮I1.0。

系统输出开关信息有：（1）泵组总开关KM4，Q0.9。（2）定子绕组Δ形连接开关，Q1.0。（3）定子绕组Y形连接开关，Q1.1。（4）中间继电器Q1.2。（5）起动控制单元运行指示灯RUN2，Q1.3。（6）组合控制屏上的运行指示灯GL2，Q1.4。（7）报警灯BJ3，Q1.5。（8）报警电铃BJ4，Q1.6。

输出端继电器KM1旁的KM4常闭触头起互锁作用，保证两台电动机不能同时运行，从而保证泵组的安全运行。

根据上述对系统输出开关信息的分析，若采用西门子S7-200系列PLC，则系统的输入输出配置如图2所示。

2 组合起动屏

PLC控制单元采用冗余结构，配置两套可编程控制器PLC1，PLC2，I/O电路，PLC自动切换电路和自诊断电路，PLC1和PLC2互为备用，一旦运行的一套PLC出现故障，PLC自动切换电路立即使备用的一套PLC获电，并投入使用。

3 泵的主电路原理

泵的主电路为降压起动，采用Y-Δ形联接，按下启动按钮后KM1和KM3同时接通时，定子绕组进行Y形联接，进行降压起动。降压起动完毕后，KM1和KM2同时接通，此时定子绕组进行Δ形联接，电动机进入正常工作状态。

3.1 泵的手动起动和停止控制

Y-Δ减压启动中，当电动机绕组接成三角形时，每相绕组所承受的电压时电源的线电压（380V），而接成星形时，每相绕组所承受的电压时电源的相电压（220V）。因此，对于正常运行时的定子绕组接成三角形的笼形异步电动机，控制线路也是按时间原则实现控制的。启动时将电动机定子绕组连接成星形，加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的1/√3，从而减小了启动电流。待启动后按预先整定的时间把电动机换成三角形连接，使电动机在额定电压下运行。

3.2 泵的自动切换和顺序起动控制

（1）当运行泵电动机过载时，运行泵的起动控制单元PLC接收到电动机的过载信号，PLC内部进行动作，输出继电器KM1断开，运行泵停止，报警系统发出声光报警，同时输出继电器KA1通电，常开触头KA1闭合，备用泵自动启动。待故障排除后，原来的运行泵成为备用泵。

（2）当运行泵出口压力下降至某一值时，PLC输入端压力继电器开关LP1闭合，将压力信号送至PLC控制器，PLC内部进行计时，如果由于某种原因泵的出口压力下降至动作值，并持续3S以上时，运行泵立即停止，报警系统发出声光报警，同时输出继电器KA1通电，备用泵的KA1常开触头闭合，备用泵自动启动。待故障排除后，原来的运行泵成为备用泵。

4 自动切换控制

对于一号电动机：合上刀开关QK1，按下启动按钮SB1，或按下组合起动屏上的起动按钮，起动信号送至起动控制单元PLC1，PLC1内部进行Y-Δ降压起动操作，当Y-Δ降压起动完成后，产生一个运行信号Q0.2，即Q0.2接通，内部辅助继电器M0.1线圈通电，与此同时Q0.2接通后，内部辅助继电器M0.6线圈通电，同时内部辅助继电器M0.6动合触点闭合进行自锁，保持辅助继电器M0.6线圈常通。此时一号电动机进入正常运行状态。

若一号机出现故障，或一号机出口压力出现波动，导致一号电动机停止工作，此时PLC1的输出继电器Q0.2失电，导致内部辅助继电器M0.1线圈断电，辅助继电器M0.1常闭开关恢复闭合，计时器T39进行计时。如果三秒后一号电动机还没有修复，或压力信号持续低压没有恢复，则T39计时器接通，产生一个故障信号I0.3。I0.3触发报警系统发出声光报警，同时T39通电后，T39常开开关闭合，PLC1的输出继电器Q0.4线圈通电，相当于按下二号电动机的起动按钮SB5。二号电动机开始进行Y-Δ降压起动操作，随即进入正常工运行状态，待一号电动机修复后，成为备用机。

对于二号电动机：合上刀开关QK2，按下启动按钮SB5，或按下组合起动屏上的起动按钮，起动信号送至起动控制单元PLC2，PLC2内部进行Y-Δ降压起动操作，当Y-Δ降压起动完成后，产生一个运行信号Q1.0，即Q1.0接通，辅助继电器M0.2线圈通电，与此同时Q0.2接通后，辅助继电器M0.7线圈通电，同时辅助继电器M0.7动合触点闭合进行自锁，保持辅助继电器M0.6线圈常通。此时二号电动机进入正常运行状态。

若二号机出现故障，或二号机出口压力出现波动，导致二号电动机停止工作，此时PLC2的输出继电器Q1.0失电，导致辅助继电器M0.2线圈断电，辅助继电器M0.2常闭开关恢复闭合，计时器T31进行计时。如果三秒后二号电动机还没有修复，或压力信号持续低压没有恢复，则T31计时器接通，产生一个故障信号I0.8。故障信号I0.8触发报警系统发出声光报警，同时T31通电后，T31常开开关闭合，PLC2的输出继电器Q1.2线圈通电，相当于按下一号电动机的起动按钮SB1。一号电动机开始进行Y-Δ降压起动操作，随即进入正常工运行状态，待二号电动机修复后，成为备用机。

5 报警电路

若一号电机出现故障，或一号机出口压力出现波动，导致一号电动机停止工作，此时M0.1线圈断电，M0.1常闭开关恢复闭合，计时器T37进行计时。如果三秒后一号电动机还没有修复，或压力信号没有恢复，T39计时器接通，产生一个故障信号I0.0。同时T39常开开关闭合，计时器T37开始工作，1秒后T37接通，计时器T38开始工作，2秒后T38常闭开关断开，计时器T37断开，如此往复，这两个计时器构成报警电路中的闪烁电路，与下边的故障指示灯一起构成报警系统中的闪烁灯。

同时，触发I0.3故障信号后，I0.3常开开关闭合，Q0.8线圈接通，构成报警电路中的电铃电路。若想消除报警铃声，只需按下消铃按钮I0.4，此时I0.4常开开关闭合，致使M0.0线圈通电，同时M0.0常开开关闭合，进行自锁，M0.0常闭开关断开，Q0.8线圈失电，报警铃声消除。

除此之外，在故障未发生时，为了测试报警系统是否能正常工作，此报警电路还设计了试灯，试铃按钮I0.5。按下试灯，试铃按钮I0.5，线圈I0.5通电，I0.5常开开关闭合，若报警系统工作正常，则报警灯和报警电铃开始工作，松开按钮，I0.5线圈失电，I0.5常开开关恢复断开，报警灯和报警电铃停止工作。

若二号电机出现故障，或二号机出口压力出现波动，导致二号电动机停止工作，此时M0.2线圈断电，M0.2常闭开关恢复闭合，计时器T31进行计时。如果三秒后二号电动机还没有修复，或压力信号没有恢复，T31计时器接通，产生一个故障信号I0.8。同时T31常开开关闭合，计时器T35开始工作，1秒后T35接通，计时器T32开始工作，2秒后T32常闭开关断开，计时器T35断开，如此往复，这两个计时器构成报警电路中的闪烁电路，与下边的故障指示灯一起构成报警系统中的闪烁灯。

同时，触发I0.，8故障信号后，I0.8常开开关闭合，Q1.6线圈接通，构成报警电路中的电铃电路。若想消除报警铃声，只需按下消铃按钮I0.9，此时I0.9常开开关闭合，致使M1.0线圈通电，同时M1.0常开开关闭合，进行自锁，M1.0常闭开关断开，Q1.6线圈失电，报警铃声消除。

除此之外，在故障未发生时，为了测试报警系统是否能正常工作，此报警电路还设计了试灯，试铃按钮I1.0。按下试灯，试铃按钮I1.0，线圈I1.0通电，I1.0常开开关闭合，若报警系统工作正常，则报警灯和报警电铃开始工作，松开按钮，I1.0线圈失电，I1.0常开开关恢复断开，报警灯和报警电铃停止工作。

6 结束语

本课题主要研究了利用西门子S7-200系列可编程控制器，采用软件编程的方式实现了为船舶主机服务的各类辅机泵组的自动切换控制，代替了原有了继电器-接触器控制系统。文中对硬件方面的总电路的设计，控制电路的设计和泵的电路设计以及软件方面的如何用软件编程来实现系统的自动切换控制均进行了详细的阐述。

参考文献

[1]石昌新，杨秀华，周正和[J].科技信息，2012.

[2]陈再发[J].天津航海，2010.

[3]刘明伟. 船舶电力拖动[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4]姚成，黄国方，周邵亮，等[J].电力系统自动化，2010.

[5]蒋晓峰，施伟峰，等[J].电力自动化设备，2011.

[6]Susumu Kara .IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007.

[7]Coppola G Liu K .Jour of Sound and Vibration，2010.

作者简介：于淼（1990，09-），河北人，河北省边防总队海警支队，助理工程师。

王巧梭（1965，05-），河北人，河北建材职业技术学院，副教授。