电气工程及其自动化毕业设计：基于PLC的船舶机舱监控系统设计.doc

1、 本科 毕业设计 基于 PLC的船舶机舱监控系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 船舶正常航行过程中，船舶各种设备的工作状态和参数都在发生不断地变化，为了能实时的准确的得到设备的运行情况数据，使轮机值班员在集控室中 就能对各个设备的运行状况进行可靠的掌握，就需要有一套实时可靠的机舱监控报警系统。船舶机舱自动监控系统是机舱自动化的重要组成部分，其核心内容是对机舱设备运行状态参数和故障信息的采集和处理，当设备的运行参数超过系统预先设定的门限值时，系统发出声光报警提醒有关人员，从而保证了船舶的运行安全，提高了故障预防能力及缩短

2、排查消除故障的时间。该系统的可靠性能将直接影响到船舶航行的安全性能。 早期的机舱自动化监控报警系统主要是由继电器和半导体逻辑电路构成，己经不能适应现阶段机舱自动化的要求，也不能满足国际海事组织及各船级社 的规范要求。为了适应现代造船机舱自动化的要求，智能微处理器控制（如 PLC 控制）逐步取代了继电器控制而成为船舶机舱控制的重要内容，它使系统控制变得更加安全、迅速、可靠，另外，这种系统和船舶计算机系统结合产生了船舶综合监控系统，使船舶机舱自动化进一步得到提高。 本文 介绍了一种基于 可 控编程控制器 （ PLC） 的船舶机舱监控系统 , 采用三菱 FX2N-64MR作为主控制模块，运用 FXG

3、P/WIN-C 进行了 PLC 内部程序的开发， 用梯形图语言编写通讯、监控和报警程序，实现了实时数据的监控和处理，使机舱监测报警系统的各项功能能 够实现 。为实现船舶机舱的自动化、智能化管理提供了一种实用的解决方案。 关键词 : 可控编程控制器 （ PLC） ;机舱监控 ;报警 ;通讯 III Abstract In the ordinary voyage, the ship equipment working situations and parameters are always changeable in every time， in order to get more real-ti

4、me information and can control them in Engine Control Room, we need a real time and reliably monitoring and alarm system. The engine room auto-monitoring system is an important part of engine room, whose main function was the collection and management of the operating parameters, equipment state and

5、 malfunction information of engine rooms equipment, when the operating parameters of equipment exceeds a pre-set limit, the system can give out sound and light alarm to remind the duty engineer, so as to ensure the safe navigation of the ship， improve malfunction prevention ability and shorten the t

6、ime spent troubleshooting.The reliability of the system directly affects the safety of the ship sailing. The early engine room monitoring and alarming system is based on relay or semiconductor which is not fit with development of above system at the present stage and requirement of IMO and classific

7、ation society. In order to adapt to this new requirement， Intelligent microprocessor control（ such as PLC control） takes over the relay control and become the main tache of automation， it makes the control and monitoring system more safe, prompt and credibility， In addition， the system combing with

8、ship computer system produced shipping comprehensive monitoring system， which makes the automation of the ship engine room develop a lot. The paper introduces a Ship Engine room monitoring and controlling system which is based on programmable logic controller (PLC). FX2N-64MR is taken as the main co

9、ntrolling model and FXGP/WIN-C is used to develop the PLC process , it is introduced that the communicating， monitoring and alarming program based on the ladder diagram language， which is used to process the monitoring data in real-time to realize a series of function in the monitoring and alarming

10、system. The design put forward a practical solution to realizing automatic and intelligentized processing of ship building room. Keywords: Programmable Logic Controller（ PLC） ; Engine room monitoring；Alarm ;communication IV 目录 前 言 . 1 第 1 章 绪 论 . 2 1.1 船舶机舱监测报警系统的发展 . 2 1.1.1 发展历史 . 2 1.1.2 国内外产品 .

11、2 1.1.3 网络技术 . 2 1.2 本文主要工作 . 3 第 2 章 机舱监测报警系统总体结构设计 . 4 2.1 机舱监控系统简介 . 4 2.2 机舱监控系统原理 . 4 2.3 机舱监控系统的功能与要求 . 5 2.3.1 系统的基本功能 . 5 2.3.2 技术标准和规范相关要求 . 6 2.4 设计方案 . 6 2.4.1 系统技术规格 . 7 2.4.2 监测点明细表编制 . 8 2.4.3 主控模块选择 . 8 2.4.4 系统网络通信 . 8 2.5 供电设计 . 8 2.5.1 UPS 选型 . 9 2.5.2 电缆的选型 . 9 2.6 数据采集 . 9 2.7 灯板

12、的设计 . 10 2.7.1 运行指示灯板 . 10 2.7.2 延伸报警灯板 . 11 2.8 报警系统 . 11 第 3 章 机舱监控系统下位机 PLC 逻辑实现 . 12 3.1 三菱 FX2N 系列 PLC 及其扩展模块介绍 . 12 V 3.1.1 PLC 简介 . 12 3.1.2 PLC 的特点及发展趋势 . 12 3.1.3 PLC 的扫描工作过程 . 13 3.1.4 FX2N-64MR 型 PLC 介绍 . 14 3.1.5 PLC 接口的扩展 . 16 3.1.6 系统开关量和模拟量输入接口的扩展 . 17 3.1.7 硬件的实现 . 17 3.1.8 编程语言 . 18

13、 3.2 PLC 程序 . 19 3.2.1 控制结构 . 19 3.2.2 信号采集和控制程序 . 19 第 4 章 机舱监控系统人机界面的生成 . 22 4.1 W1NCC 介绍 . 22 4.1.1 组态软件简述 . 22 4.l.2 WinCC 概述 . 22 4.2 OPC 介绍 . 22 4.3 FX 系列与 WINCC 的通讯 . 22 小 结 . 23 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 24 1 前 言 船舶机 舱 监控系 统 作为 轮 机自 动 化的一 个 重要 内 容， 主要用于检测机舱内各种设备 的运行状态及其参数 ， 当被测点发生故障，被测参数超过限定范围

14、时， 系统发出声光报警信号，及时将报警信号发送至值班轮机员的生活场所与驾驶室以及自动显示并记录下报警时间和报警点，轮机人员也可选点显示监控。 这就让管理者准确及时地 做 出决策，从而增加了船舶设备和人员的安全系数， 值班 轮 机 员 要了解机 舱设备 的 运 行 状态 及 参数 ，只需在集控室中就能完成工作，而不需要到机 舱 中实地巡察，这使得 船舶轮机管理工作在减轻轮机员工作强度的同时达到了更及时更准确更可靠的效果。 低成本、高效益、无事故是机舱监控报警系统的目标，船舶系 统 自 动 化程度的不 断 提高导致的系统 结 构复 杂 化以及 船东 非常 关 注 减员 增效这些情况迫使船舶 设备

15、的自 动 化程度、 维修性和可靠性提出了更高的要求，准确及时的监控船舶设备工作状态的同时检查出潜在的故障威胁成为现代船舶监控系统研究的重要课题。 新世 纪 以 来 ，德 国 西 门子 、挪威康士伯、丹 麦约 克等 国际 著名船 电 产品制造商均对船舶机 舱监 控系 统 加 强 研究，现已有一些技 术 成果得到了 实际应 用。对比国外，国内造船工业经过改革开放以来的研究和探索，得到了显著发展。现在，我国己经步入了世界造船大国的行列。现代造船工程技术繁杂，其中拥有许多高尖技术，尽管我国造船工业发展迅速，但技术水平与国际先进水平仍差距很大，尤其是高端技术。国内船用设备国产率甚至不足一半，自动化设备主

16、要来源于进口。因此，研发出先进实用的船舶机 舱监 控系 统 ， 将大 幅度降低国内船舶制造和 运营 成本， 带来 巨大的 经济 和社 会 效益， 在 这方 面进一步深入的研究具有深远的意 义 。 本文的意义在于，通过对各类船舶机舱监测报警系统的学习和研究以及对其发展的方向的展望设计了一个功能完善、稳定性高、可靠性好，并能满足现阶段实船需求的系统，以便对将来从事类似的船舶机舱监测报警系统的开发与优化提供方案和借鉴。 2 第 1 章 绪 论 1.1 船舶机舱监测报警系统的发展 1.1.1 发展历史 船舶机舱监测报警技术是随着控制理论、计算机技术、通信技术等发展而发展的，其功能不断健全完善，可靠性也

17、在不断提高，发展方向和特点是趋于模块化、智能化、网络化、综合化。 在度 过了常规仪表监测阶段，以 电 、气 动 及中 小规 模集成 电 子模 块组 成的 逻辑监 控 阶 段，以微机 为基础 的集 散型监 控的三个主要阶段后，现阶段的主流是基于 现场总线 技 术 的机 舱监控系 统 同全船自 动 化系 统联 网 监 控的 阶 段。以 PLC 为代表的智能化模块在系统中的应用，使现场总线分布式系统 (FCS)和集散控制系统 (DCS)得到了有机结合，船舶监控系统通过软件来实现大量功能，采用总线技术实现通信，这样不仅节省了硬件需求，而且增加了可靠度，提高了系统的性价比。通过近些年的发展，系统正从初级

18、的状态监测功能向高级的综合性监测发展，有些还将故障诊断、智 能决策等人工智能融入到系统中，使监测报警系统技术有了新的发展和突破。 1.1.2 国内外产品 在国内，机舱监测报警系统主要由各企事业单位、研究所和高等院校这三类相关组织或机构独立或联合研究开发。例如中国科学院电子学研究所、天津大学与天津斯莱顿电子有限公司联合研制出的 SLT-06A 集中报警监测系统、华东船舶工业学院与比太系统工程有限公司合作开发的船舶自动化监控系统以及“比太船舶机舱自动化系统软件 V2.O”系统和上海三进科技发展有限公司推出的基于 CAN 总线的 CJBW3100 系列船舶监测报警系统等。 在国外，德国 西 门子 公

19、司研发了一种全开放模块化分布式网络型监视、控制和报警系统SIMOS IMAC55，挪威康士伯公司推出的基于 CAN 总线技术的 DATACHIEF C20(DCC20)综合监测报警和控制系统，挪威 ABB 公司的采用了三层网络结构的 Integrate Automation System，控制层和设备层采用 Advant OCS(Open Control System)，即开放式网络控制系统，系统信息层采用以太网。这些都是应用较广的机舱监控系统。 1.1.3 网络技术 随着微处理器和计算机功能的增强和价格的下降， 基于微处理器的智能设备得到了广泛的应用 ;计算机及其网络技术得到了蓬勃发展。人们

20、就需要一种能在工业现场复杂环境下可靠运行、造价低廉的通信系统，将各种基于微处理器的智能设备联系在一起，形成网络，实用设备之间的通信，从而实现现场设备之间以及现场与外界的信息交流，总线技术因此产生。 现阶段流行的机舱监控报警系统网络技术主要是现场总线技术。 CAN 总线技术和以太网技术的灵活运用，使机舱监控系统和船舶计算机系统得到结合产生了船舶综合监控系统。 CAN 是控制局域网络的简称，它被广泛应用于离散控制领域。同一般的通信总线相比， CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能和较强的抗干扰能力，这使得 CAN总线的数据通信具有突出的灵活性、实时性和可靠性等优点，很多船舶设备

21、都拥有 CAN 接口，3 CAN 总线技术是目前国际上广泛看好的机舱监控系统网络技术。另外随着以太网的数据传输能力和可靠性的增加，以太网成为机舱监控高层网络的首选，在拥有网络系统的综合监控系统中正得到广泛的应用， 另外，美国 BP 公司已将无线传感器技术 WSN(Wireless Sensor Networks) 应用到油轮的远程监控中。在船舶的特殊环境（如油污、振动 、潮湿、噪音）下，无线网络技术能更加灵活可靠的实现监控功能。随着无线技术的发展，基于无线网络技术的机舱监控报警系统势必成为船舶未来网络技术的发展方向。 1.2 本文主要工作 本文的目的在于设计一套实用可靠的船用机舱监控报警系统，

22、并对监控系统的设计进行介绍。本文工作内容有： 1.对课题的背景和意义，机舱监控系统的发展和网络技术进行了阐述。2.对机舱监控系统的总体结构设计。包括介绍了系统的基本功能和规范，以及系统供电设计、电缆的选型、灯板的设计和报警系统等。 3.利用 PLC 使机舱监控系统得到实现。主要有 PLC介绍、 PLC 模块扩展、 PLC 站点间数据转换和一些相应的 PLC 程序。 4.机舱监控系统软件的设计并简单的介绍了 WINCC 组态软件。 5.最后对课题研究的工作做简要总结。 4 第 2 章 机舱监测报警系统总体结构设计 2.1 机舱监控系统简介 机舱监控报警系统对全船重要电气设备的运行状态参数和安全信

23、息进行监测，给船舶设备和人员提供安全保障，从而实现船舶的安全稳定运行，随着船舶自动化程度的不断提高，对于船员的船舶知识水平也有了更高的要求。为达到这些实际要求，船舶机舱监控系统正向着可靠稳定、操作简便、信息开放、通信便捷、集散结合 的方向发展。本文正是从这些角度着手而开发的基于三菱 FX2N系列 PLC的机舱监控报警系统。 本系统设计总思路如图 2.1所示： 420m A 420mA 420mA 图 2.1 系统构思框图 据图显示，系统先由安装在船舶设备现场的传感器监测得到机舱中各测点的信息数据，再由分布式 I/O 负责采集并传输经过初步处理 (如 A/D 转换、放大、调制、解调和隔离等 )后

24、送至 PLC 进行数据分析处理，将情况传送至上位计算机进行图形状态显示。 PLC 等部件的初始化和程序由上位计算机完成。 本系统集采集信号、控制系统、通信网络于一体，可靠性能好、自动化程度高的船舶监控报警系统。系统可监测主机、辅机及其它动力设备等系统的运行参数，包括测量液位和温度、压力、转速、流量等参数，继而实现实时监测、报警等功能。系统按模块化、标准化设计，把整个机舱监控报警系统分为数据采集模块、控制模块、显示模块。通过通信模块与上位机通信， PLC 一般放置在集控室，将显示终端放置在需要的地方（如集控室等），以显示测量参数，将报警信号终端进行延伸至驾驶室、轮机长及有关人员住处和一些公共场所

25、等，以便能 有效的报警。 2.2 机舱监控系统原理 在有了系统构思后，就很容易的能得到系统的原理图（如图 2.2），它就是对传感器的分布式 I/O、信号传输方式、 PLC、报警信号等内容进一步具体化。 系统将使用 FX2N系列的 PLC将采集到的信号 , 经过内部逻辑处理后 , 用输出触点去控制指示灯、蜂鸣器或控制电磁阀 , 做出相应报警。利用 485 标准的通信口将报警延伸至集控室、驾驶室、轮机长或相关人员住处和一些公共场所的多个终端 , 使报警信号等得以延伸。 系统中，各路传感器信号主要包含主机和辅机的滑油温度、压力，冷却水的温度和压 力，传感器 传感器 传感器 分布式 I/O 分布式 I

26、/O 分布式 I/O PLC PLC PLC 上 位 计 算 机 声 光报 警 图 形报 警 记 录打 印 5 排气的温度及平均量 , 滑油进口温度和压力，滑油压力过滤器的压力差 ,燃油出口温度和压力 , 舵机失灵 ,柴油机遥控失灵 ,锅炉供水不足和火警等信号。所有这些信号将同现场设定的门限值对比参照后再将得出的高 /低电平信号送到 PLC。 图 2.2 机舱监控系统原理图 当各输入信号均为高电平状态时表示各设备运行正常，此时监测系统显示一切正常。当某个监控点发生故障时，该信号点输入出现下降沿，系统发出对应的报警，打印机打印出报警的具体时间和故障的地点。当系统任一 监测点发出报警，报警指示灯发

27、出相应信号的报警，蜂鸣器发出蜂鸣报警。另外系统应具有消声和自检等操作和控制功能。 2.3 机舱监控系统的功能与要求 对于该系统的具体设计，首先要了解系统的基本功能、相关规范和技术要求，然后才能根据要求选用合适的功能模块，围绕功能模块进行结构设计。 2.3.1 系统的基本功能 本系统的基本功能如下： （ 1）报警显示 报警显示主要是指列表报警显示，显示内容有设备实时运行状态数据和报警时报警点相关信息。列表显示根据功能不同又可分为设备实时的状态显示、设备分组状态显示以及历史记录显示。其 显示的内容主要包括测点名称和对应编号、实时状态数据、功能简码、相关报警信息、模拟量的限值等信息，并且通过文字通知，颜色改变，灯光的闪烁来作为既定的运行和报警状态。 （ 2）数据监测 监控系统要对机舱中重要电气设备的状态参数和系统的实时数据，以数字文字、针表仪器、曲线图或柱状图等清晰直观的形式显示，轮机监测人员可简单便捷的与设定限值进行比较，同时发生报警时，系统能及时的给相关人员进行报警信息反馈。为了更直观方便的监测数据，FX2N 输 入 口 输 出 口 指示灯 蜂鸣器 电磁阀 打印机 温 度 传 感 压 力 传 感 控 制 开 关