电气工程与自动化毕业论文：基于PLC控制的船舶锅炉监控系统设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计基于 PLC 控制的船舶锅炉监控系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要在远洋船队中，无论是蒸汽动力船舶上的主锅炉还是柴油机动力船舶上的辅助锅炉，其工作过程均已全部或部分地实现了自动控制。尤其是柴油机动力装置船舶上的辅助锅炉，其自动化技术的发展更为迅速，经过不断地变革和更新，日趋先进和完善，装置系统大多定型化。船用锅炉的自动控制是实现无人机舱控制的重要组成部分。利用 PLC 控制系统来代替原本一直以来的接触器控制系统，已经是成为目前的船舶锅炉自动化的发展方向。PLC 的自动化，解决了以前接触器控制系统的一些产生的

2、毛病，如原本接线复杂，抗干扰能力差，容易造成误动作的等缺点。船舶锅炉的任务是供应负荷设备所需要的一定参数的蒸汽，如主机暖缸、加热燃油、加热滑油、驱动其他辅助机械以及生活杂用等。同时保证本事运行的安全性和经济性。可编程序控制器 PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯。本文利用 PLC 的控制技术对船舶锅炉的蒸汽压力系统、锅炉保护系统、水位系统、点火时序系统、进行全方位的自动控制。关键字：船舶锅炉；自动控制；可编程序控制器 P

3、LCIIAbstractIn distant-water fleet. Both the main boiler of steam-powered ships are diesel powered ship auxiliary boiler, its work has been to achieve automatic control in whole or in part. Especially diesel power plant on the ships auxiliary boiler, automation technologies develop faster, after con

4、stantly changes and updates that the increasingly advanced and complete, appliance system most stereotyped.Marine boiler control is an important part to achieve unmanned engine room control. PLC control systems in place has been the contactor control system, has become the current marine boiler auto

5、matic direction of development. PLC automation solved previously wrong with contactor control system, such as original wiring complexity, poor anti-jamming ability, can easily cause misoperation of such shortcomings. Ships mission is to supply the boiler steam load certain parameters of the equipmen

6、t needed, such as host warming tank, heating oil, heating oil, drive other auxiliary machines, such as zayong. At the same time guarantee the ability to run security and EconomicsAs the PLC control technology continues to mature, its functionality constantly perfecting and improving on the ship have

7、 an increasingly higher level of application. PLC programmable logic controller is a computer technology combined with traditional relay contact control technology product of it overcame mechanical contact of relay contact control system wiring complexity, low power consumption and high reliability,

8、 versatility and flexibility, disadvantage of the poor, full use of the advantages of microprocessors, and take care to electrical skills and habits of the operation and maintenance personnel, in particular, PLC programming, you do not need special knowledge of computer programming languages, instea

9、d of using a set of simple instructions to relay ladder diagram based form so that the user program, intuitive, convenient and easy to learn, debugging and error checking is very easyThis use of PLC control technology on ship protection system of boiler steam pressure systems, boiler, water level, f

10、or all aspects of automatic control systems, ignition timing system.Keywords: Marine boiler auxiliary boiler; control; the programmable controller PLCIII目 录前言 .1第 1 章 船舶锅炉 .21.1 概要 .21.2 船舶锅炉自动控制国内外现状 .21.3 本课题研究内容 .3第 2 章 可编程控制器介绍及型号选择 .421 可编程控制器介绍 .42.1.1 可编程控制器（PLC）的定义.42.1.2 可编程控制器（PLC）的特点.42.1

11、.3 可编程控制器（PLC）的 应用领域.42.1.4 可编程控制器（PLC）的发展现状.522 可编程控制器的组成结构 .52.2.1 可编程控制器硬件组成.52.2.2 可编程控制器软件组成.72.3 三菱 FX2N 系列可编程控制器 .82.3.1 FX2N 系列可编程控制器的结构组成.82.3.2 FX2N 型 PLC 的主要种类及型号.92.3.3 FX2N 型 PLC 的软元件.10第 3 章 船舶锅炉控制 .123.1 船舶锅炉给水过程自动控制 .123.2 船舶锅炉燃烧过程自动控制 .123.3 船舶锅炉蒸汽压力自动控制 .123.4 船舶锅炉的自动安全保护和报警 .12第 4

12、 章 PLC 自动控制的船舶锅炉硬件设计.144.1 FX2N-48MR 型 PLC 硬件 .144.1.1 I/O 接口模块.144.1.2 CPU 模块.144.2 各子系统的控制设计 .164.2.1 给水自动调节系统硬件设计.16IV4.2.2 点火控制系统硬件设计.174.2.3 蒸汽压力控制硬件设计.184.2.4 安全保护系统硬件设计 .19第 5 章 PLC 自动控制的船舶锅炉软件设计.205.1 系统流程图 .205.2 水位控制软件设计 .215.3 点火过程的软件设计 .215.4 燃烧过程中蒸汽压力控制软件设计 .225.5 整体梯形图 .23结论 .26致谢 .27参

13、考文献 .281前言随着工业自动化产业的高速发展，作为电气自动化控制领域的重要组成部分的 PLC 问世以来，引起了国内外电气行业的普遍关注，现己成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。现代 PLC 控制技术因其可靠性高、运用灵活，广泛地应用在自动化控制系统领域。但是日前我国的船舶锅炉控制系统上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器继电器系统，系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改善船舶工艺、提高生产效率，采用 PLC 控制技术来实现锅炉的自动控制，具有广泛的市场前景。目前我国船舶(特别在远洋渔船)上，无论是蒸汽动力船舶上的主锅炉还是柴油机动力船舶上的辅助锅炉，其工作过

14、程均已全部或部分地实现了 PLC 自动控制，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器继电器系统, 系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改造船舶设备，改善船员劳动强度，提高生产效率, 采用可编程序控制器来实现锅炉的自动控制, 可以使线路简单、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。可编程序控制器控制系统的经济性能比高于接触器继电器控制系统。2第 1 章 船舶锅炉水蒸气是船舶动力装置中的重要能源之一。它的作用是：推动主、辅汽轮机运转；加热燃油、润滑油和工作水，使之达到要求的温度；作为船员生活用的热源等等。锅炉装置的功能是将燃料的化学能转化为热能，并且把水加热成预定参数的水蒸气。

15、因此，船舶锅炉是船舶动力装置中的重要组成部分。1.1 概要实现船舶锅炉自动化之后，有以下几点收益（1）能使锅炉在任何负荷下汽压和汽温的变化不超过规定值，提供较高质量的蒸汽，并保持燃烧的经济性，提高了整个动力装置的效率。（2）能及时发觉和消除不正常工况，使锅炉工作安全可靠，减少发生事故的可能性。（3）可减轻值班人员的劳动强度和紧缩人员编制，给操作和管理带来方便。当然，实现自动控制后也不是一劳永逸的，而要付出一定的维护工作量，对自动系统的所有设施必须经常细心检查，使之处于良好的性能状态，才能得到预期的效果。此外，对挂历人员的技术要求也比较高。 所谓船舶锅炉自动控制，包括一下内容。（1）自动调节。锅

16、炉中工作过程的自动调节，是使有关的被调参数如蒸汽压力和温度以及水位等在任何工况下均能自动维持所要求的规定值，或使它们按一定的规律变化。（2）程序控制。在操作指令作用下，按照规定的操作程序自动完成某一操作过程，如锅炉的启动过程其操作步骤就是经常在程序控制下进行的（3）安全保护和自动连锁。安全保护设施主要在锅炉的某个工作过程处于极度异常状态并影响安全运行时，进行必要的操作措施，起到解危作用，一般总是停止燃烧是整个锅炉停止运转，通常还同时发出相应的声光报警。自动连锁装置是用来当设备发生误操作或故障时，自动阻止有关操作的进行或继续进行，避免导致事故的发生。如锅炉鼓风机停止工作时，燃烧器喷油唨就会自动立

17、即停止喷油。可见保护和连锁装置是全自动控制的锅炉中必不可少的一个重要环节（4）热工检测。为了随时掌握锅炉运行工况并鉴别其是否良好，必须不断地监视和测量有关工作参数如蒸汽压力、温度、流量和水位以至水和蒸汽的含盐量等，以了解热力过程的动态，由此还可分析自动调节系统的效果。（5）遥控。遥控就是借助于液压、压缩空气、电力或机械传动的配合，用手动控制位于远处的阀门或其它执行机构。（6）技术信号。技术信号在自动控制工作过程中起着使环节间取得联系、反映系统工况和设备工作状态等作用，另外在调节系统中，则有冲量信号、指挥信号、执行信号和反馈信号等，不过它们在工作范畴上不同于技术信号。当然，并不是每一台具有自动控

18、制设施的船舶锅炉都包括以上全部内容，而是因锅炉的蒸发量大小，参数高低、用途不同以及整个机舱自动化程度的高低而有所取舍，其中最主要的是锅炉工作过程的自动调节。1.2 船舶锅炉自动控制国内外现状我国从 60 年代开始从事锅炉自动控制系统的研究工作，到 70 年代初研制成强制循环辅3助锅炉的全自动控制系统，直到 90 年代开始研制以编程控制器为核心的辅助锅炉燃烧控制装置。但是国内仍有许多船舶使用传统的锅炉控制系统，其控制系统本身的局限性与缺点，不仅实现不了锅炉控制的效率性和节能性，更会对船舶锅炉的工作安全造成影响，容易造成事故。目前，国内外关于船舶锅炉控制系统的研究也主要集中在可编程控制器上面。20

19、02 年，文献大型船用锅炉的 PLC 控制中采用了 PLC 来实现船舶锅炉的控制，文中体现了 PLC 在实现船舶锅炉控制过程中的精确及优越性。2005 年，文献组态控制软件在船舶锅炉的应用中提出了以组态软件来实现对船舶锅炉的控制，文中介绍了组态软件的优点，能够提供基于Windows 浏览器风格的数据库浏览窗口，可以直观地查询并在线修改数据库中的数据内容，能显示实时动态画面、变量变化趋势、报表、批次控制、MES 等。2008 年，文献基于 PLC与组态软件的船舶锅炉控制系统中，结合 PLC 与组态软件进行对船舶锅炉的实时控制，具有很了扩展性,可以把其他的机舱设备融入此控制系统,为实现无人机舱提供

20、较有价值的理论依据。总之，PLC 应用于船舶锅炉的控制系统中，能够更为精确地实现对锅炉主要参数的控制、报警及调试，使锅炉系统的运行效率效能。1.3 本课题研究内容随着工业自动化产业的高速发展，作为电气自动化控制领域的重要组成部分的 PLC 问世以来，引起了国内外电气行业的普遍关注，现己成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。现代 PLC 控制技术因其可靠性高、运用灵活，广泛地应用在自动化控制系统领域。但是日前我国的船舶锅炉控制系统上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器-继电器系统，系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改善船舶工艺、提高生产效率，采用 PLC 控制技术

21、来实现锅炉的自动控制，具有广泛的市场前景。本课题将对船舶锅炉使用的特殊性及其结构特点进行研究，对可编程控制器（PLC）进行了解学习，拟定船舶锅炉控制系统结构的组成和控制方案，以船舶锅炉蒸汽压力自动控制，燃烧程序的自动控制，锅炉水位自动控制，保护与报警等环节为主，结合可编程控制器（PLC）来实现船舶锅炉的自动控制及其控制系统。4第 2 章 可编程控制器介绍及型号选择21 可编程控制器介绍2.1.1 可编程控制器（PLC）的定义可编程控制器技术发展很快，给他下一个确切的定义和困难，因此，到目前为止，还未能对其下一个最后的定义。可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的

22、。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式、莫伊式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充功能的原则设计。 定义强调了可编程控制器直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力广泛的适应能力和应用范围。2.1.2 可编程控制器（PLC）的特点可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速。在工业自动控制系统中占有极其重要的地位，它有以下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强 可编程控制起的平均无故障时间

23、长达 3 万 h。工业生产一般是在恶劣环境中进行的高强度作业，这就要求其设备具有较高的可靠性和抗干扰能力。为了能够具有这样的可靠性，开发 PLC 时，在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护隔离及模块结构等措施来增加PLC 的可靠性，在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟 WDT、信息保护和恢复等措施。此外，PLC 采用周期扫描、集中采样。集中输出的工作方式也极有的提高了自身的抗干扰能力。 （2）控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制功能时,PLC 往往不必改变硬件设备，只需要改变一下应用程序就可以达到目的。（3）编程方便简单易学大多数的 PLC 编程采用的都是与

24、继电控制电路相似的梯形图。形象直观，易学易懂，受到了普遍欢迎。（4）功能强，性能价格比高不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出处理功能、通信联网功能等。（5）体积小，重量轻，能耗低由于半导体集成电路的应用，PLC 的体积相对小，一台收音机大小的 PLC 具有相当于 3个 1.8 米高的继电器柜的功能，节电能达 50%以上。2.1.3 可编程控制器（PLC）的 应用领域 PLC 的应用领域非常广泛，在钢铁、石油、化工、电力等各个行业都可以看到 PLC 的应用，PLC 即可以进行开关量的逻辑控制又可以进行模拟量的控制，只需要配备相应的 IO 模块和配套装

25、置即可。PLC 主要的应用领域大致有如下几类。（1）运动控制由于模拟量输入输出功能的实现，也由于 PLC 对数据处理功能的提高，PLC 可以用于圆5周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。 （2）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。通过 PLC 模拟量输入、输出模块，实现模拟量和数值练之间的转换。并利用 PID 子程序或专用的智能 PID 模块对模拟量进行闭环控制。PLC 的模拟量 PID 控制已经广泛用于冶金、 化工、热处理、锅炉控制等场合。（3）数据处理 现代的 PLC 不

26、仅能进行数学运算、数据传送，而且能进行数据比较、数据转换和数据通信等。一般说来，数据处理常用于较复杂的大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统等。（4）通信及联网 PLC 的通信包括基本单元与远程 I/O 之间的通信、PLC 之间的通信、PLC 和智能设备之间的通信。2.1.4 可编程控制器（PLC）的发展现状自从美国 DEC 公司 1968 年研制成世界上第一台可编程控制器到现在，PLC 技术得到了飞速的发展。在美国、日本、德国、法国等工业发达国家已发展成为重要的行业，PLC 产品已成为工业领域中占主导地位的基础自动化设备，在国际市场上成为倍受欢迎的畅销产品，用PLC 设计自动控制系统已成为一种世界潮流。目前，PLC 的产品多达数百种，厂家遍布世界各地，不同地域，不同厂家的产品在使用上相差甚远，甚至同一厂家不同系列的产品在编程语言和编程方法上也有较大差异。PLC 技术发展动向（1）规模上大小两头发展（2）编程语言向标准化靠拢（3）输入输出模块智能化和专用化（4）网络通信功能标准化（5）控制与管理功能一体化22 可编程控制器的组成结构2.2.1 可编程控制器硬件组成可编程控制器硬件的主要由微处理器。存储器、I/O 接口电路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。见图 2.1 所示