1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 PLC 的船舶应急电站自动控制系统的设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 基于 PLC 的船舶应急电站自动控制系统的设计 摘要 船舶应急电站是船舶电力系统中的重要组成部分，其工作的可靠性和生命力是系统实现规定任务的有效的两个标志。随着现代科学技术的发展，船舶自动化技术得到了广泛的推广 ,它基本上实现了自动化控制。这是实现现代自动化控制机舱 ,进而实现无人值班机舱的 必要条件。船舶应急电站自动控制系统在主电源故障的情况下扮演了重要的角色，其性能的好坏关系到应急电源的正
2、确、快速启动和切换。从而保障人的生命和财产的安全。 为了实现主电网失电后快速准确启动应急电站时，采用三菱 FX2N 系列 PLC 来实现应急电站的自动控制。一旦主电网失电，等系统确认后它就会迅速启动并调整好频率向外供电。在原动机的启动过程中，它可以允许三次启动，若是启动失败便发出警报提示工作人员处理故障，并且在此过程中设计外围电路检测原动机的转速，温度的测量和显示电路，警报和显示电路。当主电网恢复供电时，应急电站自 动停止运行，中断供电。 关键词 ： 船舶应急电站；自动化；可编程控制器 毕业论文 - Abstract The Emergency power station is an impo
3、rtant part of the ship electric power system, whose working reliability and vitality are two marks of the system implementation mandates effectiveness. With the development of modern science and technology, the ship automation technology has been widely promoted and basically realizes the automatic
4、control. This is the implement condition of the realization of modern automation control cabin and unmanned engine room. Its automatic control system play an important role in main power failure situations, and its performance is directly related to emergency powers correctness, speedy starting and
5、switch, so that protect peoples lives and property safety. In order to quickly and accurately start emergency power station when the main power is off, it uses the Mitsubishi FX2N series PLC to realize automatic control. When the main power lost, after confirmation, it will start quickly and adjust
6、frequency to supply the outward. In the start-up process of the prime mover, it can be allowed to start three times. If it failed, it will alarm staff promptly while adjust the external circuit detect rotary speed of the prime mover, temperature measurement and display circuit, alarm and display cir
7、cuit. When the main resumption of power supply is recovery, emergency power station will automatically stop running and interrupt power supply. Key Words： ship emergency power plant; automation; programmable controller 毕业论文 - 目录 摘要 .I Abstract .II 第 1 章 绪论 .1 1.1 本课题研究目的及国内外研究状况 .1 1.2 可编程控制器技术发展及现状
8、 .2 1.3 设计的主要内容 .4 第 2 章 可编程逻辑控制器 三菱 FX2N 系列 .4 2.1 三菱 FX2N 系列简介 .5 2.2PLC 选型 .6 2.3 用 PLC 实现船舶电站自动化控制系统的优势 .7 第 3 章 船舶应急电站自动控制系统的外围检测电路设计 .8 3.1 系统概述 .8 3.2 柴油机转速检测电路 .10 3.2.1 测速原理 .10 3.2.2 软件测速的信号采集 .10 3.2.3 软件测速信号采集的实现 .10 3.3 模数 A/D、数模 D/A 转换电路 .12 3.4 温度检测进行举例设计 .13 3.5 显示与报警电路 .14 第 4 章 船舶应
9、急电站辅机起、停控制设计 .15 4.1 船舶应急电站的功能及其实现 .15 4.2 主电网失电时船舶应急电站辅 机起动设计 .16 4.3 当主电网恢复正常供电时船舶应急电站辅机停机设计 .19 4.4PLC 的 I/O 接口分配 .21 4.5 系统硬件电路设计 .23 4.6.1 自动启动梯形图 .24 4.6.2 自动停机梯形图 .25 4.7 相应指令表 .26 毕业论文 - 4.6.1 自动起动指令表 .26 4.7.2 自动停机指令表 .28 第 5 章 对本设计的总结和展望 .29 致谢 .30 参考文献 .31 毕业论文 - 第 1 章 绪论 1.1 本课题研究目的及国内外研
10、究状况 船舶在经济发展中还是在国防中占着重要的地位。在货运中不仅成本低，运输量大，而且运输距离远。在捕捞作业中，船舶是不可或缺的重要工具。在国防中是起着中流砥柱的作用，近几年钓鱼岛 和南海岛屿领土争纷不断激化，影响我们周边的安全，加快船舶发展对我国国防具有重要的意义。 船舶电站是电力系统中的心脏，其工作的可靠性和生命力是系统实现规定任务的有效的两个标志。由于它在特殊的环境工作，外部环境对其工作影响很大，容易引起故障。为保障认得生命和财产安全，中国船级社钢质海船入级规范规定，客船及 500 总吨以上的货船在一般隋况下均应设有应急电源。应急电源必须是独立于主电源，可以是有应急发电机或者是蓄电池组成
11、。 随着现代自动化技术的发展 ,船舶电站基本上实现了自动化控制。这是实现现代机舱自动化 ,进而实现无 人值班机舱的必要条件。 自动控制系统在主电源故障的情况下扮演了重要的角色，其性能的好坏关系到应急电源的正确、快速启动和切换 1。 作为船舶电气方向的学生，熟悉掌握船舶应急电站的系统设计具有非常重要的意义。对以后工作、研究起到很大的帮助。 船舶应急电站在主电网失电的情况下向船舶应急电网中的应急设备供电可靠性的保障在于船舶电站应急电站的控制系统的高可靠性，所以应急电站的运行可靠性是船舶主电站出现故障时候所有应急电气设备能够正常运行的前提。 船舶应急电站自动化控制系统的发展大体经历了 4 个阶段：由
12、继电器和接触器所构 成的有触点控制系统；由分立元件和集成元件所构成的无触点控制系统；大规模、结构化、模块化的集成电路控制系统；现在的微机控制系统。 这使控制系统中控制部分所占的体积、重量减少，整体工作可靠性大大提高。而控制方式也由以硬件控制为主变为以软件控制为主，这使功能的组合与扩展变得更加的简洁、方便。由大型机集中控制方式向多微机分散控制方式转变的计算机控制使控制系统的工作可靠性进一步的提高，继而出现由多级计算机共同构成的分布式控制系统 。目前己经形成了较为完整的船舶电站自动化的管理系统。 随着船舶的大规模化、自动化、自动控 制技术和电子信息技术的快速发展，船舶的自动化水平变得越来越高，应急
13、电站自动控制水平也得到了进一步的提高。船舶应急电站自动化技术的主要发展方向有以下四个： （ 1）对信号处理的加工开发，使得信号处理尽可能的使用数字量进行处理和通信。 （ 2）从大型机计算机集中控制，多机控制分散控制的发展，大大提高了工作的可靠性，那么光纤通信、网络技术的应用由多计算机构成了分布式控制系统。对逆功率，过流，欠压等参数，实现了监测控制、报警；频率、功率因数、电压、电流、功率等参数和并关状态也有软配电屏进行指示。在任何时间点或选定点，实 现所有的打印记录。它可以取代传统的通话记录。当参数的值超出检测范围，则有声音报警，并自动打印记录，上下设置了测量参数限制值，可以很容易地修改。 （
14、3）从传统的继电器分立元件的形式来控制到无触点控制的发展，大规模和模块化的集成电路结构。使用电脑，例如可编程控制器。使控制部分的体积、重量大大减小，减少了工作量、提高了可靠性。控制也是从硬件控制为主变为软件控制为主的，这样使功能的扩展与修改变得很方便，维修方便，模块具有很强的通用性。 毕业论文 - （ 4）船舶自动化领域正在增加嵌入式系统的使用。嵌入式监测系统在船舶电站中按结构可 以分为管理、控制、设备三层。其中对电站进行的集中控制、管理，由管理层完成；数据采集、控制发电机组则由嵌入式控制作为主机的控制层来完成；设备层控制器位于发电机旁边，方便控制发电机组的运行参数和发现问题时进行报警。用工业
15、以太网连接管理层和控制层；用 CAN 总线连接控制层与设备层，三层之间通过各种数据的交换和应对。最终得到高度自动化、智能化、网络化的改进型船舶应急电站自动控制系统。 嵌入式控制主机的控制层有数据采集和控制发电机组的功能，与设备层的控制主机可以通过 CAN 总线连接。采集电站运行参数，如发电机组的有功功率 、功率因数、三相电流，电网中各节点的电压、频率等。可以控制发电机组起动、停机、加速、减速、应急起动、应急停机；可以控制发电机主开关的分断与闭合；还可以对发电机故障进行报警，并且检查故障原因和进行故障处理。 管理层是自动控制系统的最上层，位于中央控制室的控制终端。可以通过电站运行信息，对船舶电站
16、的运行状态进行集中的控制管理；可以根据电站实际运行情况进行调频、调载；可以对发电机故障进行报警。 设备层控制器在发电机组旁边。以便就近对机组进行运行参数检测，如柴油机的冷却水温度、滑油压力、转速等。可以直接控制发电机组 起动、停机、加速、减速、应急起动、应急停机；还可以在运行参数超过设定的报警值时进行报警；当机组滑油压力过低、超速、冷却水温度过高时自动对机组进行应急停机。 船舶电站嵌入式监控系统中控制层、管理层和设备层需要相互协调工作，方能实现电站整体得自动或半自动运行。对发电机组与主配电板实施各种有效的保护措施，提高船舶电站运行的整体可靠性 2。 提高船舶应急电站自动化的水平有许多优点：一是
17、能够提高船舶应急电站供电的可靠性和连续性，提高电站供电的品质和电量，并增加船舶的生命力和保护人的财产和生命的安全；二是改善了船员工 作的条件，减轻了值班的强度；三是提高了船舶航运的经济指标。 目前，我国的船舶应急电站控制系统以集散型控制方式为主。而可编程控制器（ PLC）的优越性使得将 PLC 应用到船舶应急电站自动化控制系统中，可以提高船舶的网络化和智能化水平。 1.2 可编程控制器技术发展及现状 1968 年，根据美国通用汽车公司的要求，美国数字设备公司（ DEC 公司）第一个成功研制出了可编程控制器 PDD-14。并且在 GM 公司的汽车生产线上第一次应用成功。由于初期的可编程控制器只能
18、实现定时、计数、逻辑控制等简单功能，故称为可编程控制器（ Programmable Logic Controller），简称 PLC。在 70 年代后期，随着微电子技术、大规模集成电路、微型计算机的发展，许多厂家开始采用以微处理器作为中央处理单元的可编程控制器，使的它不仅仅具有逻辑控制功能。而且具有模拟量的控制功能和数据运算、处理、传送的功能。故 1980 年美国电气制造商协会（ NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ Programmable Logic Controller），简称 PC。此简称已经在工业界使用多年，但由于近年来个人计算机的简称也是 PC，故而人们仍习惯的将 PLC 作 为
19、可编程控制器的缩写。 还可以将可编程控制器（ PLC）的发展过程系统的划分为以下五大阶段 ： 第一阶段， PLC 最初阶段功能较为简单，仅逻辑运算、计数、定时等简单功能，硬件以分离元件为主，采用磁芯存储器，存储容量 1 2KB。一台 PLC 只能代替 200 300 个继电器毕业论文 - 的工作，在可靠性方面比继电接触器系统略高，还未形成成型的编程语。 第二阶段， PLC 技术因为集成电路技术的大步发展 和微处理器的发明得到了较大的发展。此阶段的 PLC 具有逻辑运算、计数、计时、数据处理、数值计算、模拟量控制、计算机接口等功能。在软件发明上，开发出了自诊断程序，可靠性得到进一步提高。并且系统
20、开始向系列化以及国际化发展。在结构上开始有了模块式和整体式的区分，整体机功能也开始从专用型向通用型进行过渡。 第三阶段，半导体存储器开始进入工业化生产、出现单片计算机和大规模集成电路的投入使用。推进了 PLC 的进一步发展，从而使 PLC 演变成专用的工业计算机。在这个阶段， PLC的体积和质量得到了进一步缩小、运行可靠性大幅度的提 高、成本也大幅度下降、功能上增加了通信功能、远程输入输出 (I/O)功能等。此时的 PLC 主要朝着两个方向发展：一是模块化、大型化、多功能化；二是整体结构的低成本小型化。在这一发展阶段， PLC 的软件编程出现了针对过程的梯形图、语句表。 第四阶段，门阵列电路、
21、超大规模集成电路的使用和计算机技术的飞速发展，使得 PLC完全计算机化。 PLC 开始全面的使用 8 位以及 16 位微处理器芯片，处理的速度最高能够达到1 微秒 /步。此时，在功能上 PLC 增加了中断、高速计数、 PID、 A/D 转换和 D/A 转换等。既能满足过程控制中的要求，又能 增强 PLC 的联网能力。在软件方面，又开发出了基于个人微机的各种不同类型的编程软件，并发明了顺序流程图 (SFC)语言， PLC 也开始向系列化、标准化的方向发展。在这一阶段，国际电工委员会 (IEC)也发表了 PLC 标准草案。 第五阶段，因为表面粘装技术的成熟，计算机行业大量使用精简指令集计算机 (R
22、ISC)芯片，这使 PLC 整体机的质量减轻、体积也大大缩小。 PLC 的微处理器芯片开始大量使用到了 16位和 32 位，有的 PLC 甚至开始使用 RISC 芯片， CPU 芯片也向专业化、专用化发展。系统已经能够用超大规模的门阵列电路来固化程 序中的逻辑运算、计数等标准的功能。 PLC 的 I/O 点最小只有 8 个，最大的则有 32K 个以上。所以 PLC 都能够做到与计算机联网通信，甚至最快的 PLC 仅需几十纳秒就可以处理一步程序。在软件上，使用容错技术；硬件上则使用多 CPU技术。出现三百步以上的高级指令，使的这个阶段的 PLC 具有强大的大批量数据处理、函数运算、数值运算的能力
23、，并开发出了各种智能化的模块。普遍应用以 LCD(液晶显示器 )作为显示设备的智能人机接口，高级 PLC 更发展到了使用触摸式屏幕。在 PLC 编程器中大量的使用个人电脑、手提式电脑，且编程软件的功能异常 强大 3。 目前，可编程控制器技术飞速的发展，在德国、美国、法国、日本等工业特别发达的国家已发展成为十分重要的产业。 PLC 产品已经成为工业领域中占主导地位的基础自动化设备，在国际市场上已经成为倍受欢迎的热销产品，使用 PLC 来设计自动化的控制系统也已经成为世界的一种潮流。 PLC 技术、 CAD/CAM、 ROBOT 技术成为了实现工业生产自动化的三大支柱，三者之中 PLC 作用居首位
24、。 PLC 技术已经代表着当前程序控制地世界先进水平， PLC 装置也已成为自动化系统的一种基本装置，是构成 FMSCIMCFA 的主要控制单元。 为了促进我国 PLC 技术的国际化、提高产品质量，我国机械电子工业部于 1988 年组织了包括 PLC 产品在内的工业控制计算机型优选工作。机电部下属的北京机械工业自动化研究所承担了 PLC 产品的优评测试工作。依据国际电工委员会（ IEC）的有关标准要求，经过严格测试试验，评选出 6 个产品荣获首届优选 PLC 机型的称号。它们是：天津中环自动化仪表公司生产的 DJK-S-84型 PLC、无锡市电器厂生产的 KCK-1 型 PLC、上海起重电器厂
25、生产的 CF-40MR 型 PLC、北京椿树电子仪表厂生产的 BCM-PLC 型 PLC、杭州机床电器厂生产 的 DKK02 型 PLC、上海自毕业论文 - 力电子设备厂生产的 KKI-IC 型 PLC。 到目前为止，世界上 PLC 的产品多达数百种，厂家遍布世界各地。但是总的来说，在小型 PLC 方面，日本的 PLC 产品具有自己特别的优势，而美国和欧洲各国则以开发大、中型 PLC为主。故在我国国内市场使用情况是在美国和欧洲进口大、中型 PLC，而 PLC 小型机则以日本产品为主，前者数量少，后者数量多。 下面来介绍 PLC 应用的五大领域： （ 1）通信联网。 PLC 的通信包括 PLC
26、与其他智能控制设备、多台 PLC 之间的通信、主机与远程 I/O 之间的通信之间的通信。 PLC 与其他的智能控制设备还可以组成“分散控制、集中管理”的分布式的控制系统。 （ 2）运动控制。对圆周运动或直线运动的速度、加速度和位置进行控制， PLC 可以使用专门的运动控制模块或专用的指令，使顺序控制与运动控制功能能够有机的结合在一起，甚至可以实现多位置控制。 PLC 的运动控制功能应用于各种电气机械，例如电梯、船舶电站等。 （ 3）数据处理。现代的 PLC 具有数据传送、数学运算（包括矩阵运算、四则运算、函数运算、求反、字逻辑运算、浮点数运算、移位和循环等）以及排序、转换、位操作和查表等功能。
27、可以完成数据采集、分析 和处理过程，这些数据还可以与已经储存在存储器中的设定值进行比较。可以使用通信功能将数据传送到其他的智能装置，或者直接将它们打印制表。 （ 4）闭环过程控制。闭环过程控制是指对压力、流量、温度等连续变化模拟量进行的闭环控制。 PLC 通过模拟量 I/O 模块，实现数字量（ Digital）和模拟量（ Analog）之间的 D/A 转换和 A/D 转换，并且对模拟量进行闭环（ PID）控制。现代使用的 PLC 一般都具有 PID 闭环控制功能，这一功能可以用专用的 PID 模块或 PID 子程序来实现。 （ 5）开关量逻辑控制。 PLC 用“非”、“或”、 “与”等逻辑指令
28、来实现得电和电路的串并联功能，替代继电器进行组合的定时控制、逻辑控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于自动生产线，也可以用于单台设备。其应用领域已经遍布各行各业，甚至应用到了家庭中 5。 1.3 设计的主要内容 本次设计以设计 PLC 控制船舶应急电站的自动起动、自动停机为主，辅以转速检测、温度测量与显示、显示与报警开关报警电路设计，主要进行了以下这些工作： （ 1）查找相关的资料，了解目前船舶应急电站自动控制系统的发展方向； （ 2）了解可编程逻辑控制器在船舶应急电站自动系统中应用的优势和三 菱 FX2N 系列PLC 的硬件组成； （ 3）设计柴油机的转速检测电路； （ 4）设计温度测量
29、与显示电路； （ 5）设计显示与报警电路； （ 6）重点对当船舶主电网失电和恢复正常时 PLC 控制的应急电站的自动起动和自动停机部分进行软硬件设计。 第 2 章 可编程逻辑控制器 三菱 FX2N 系列 可编程逻辑控制器 (Programmable Logical Controller，简称 PLC)，是在传统的顺序控制器基础上引入计算机技术、微电子技术、通信技术和自动控制技术形成的一种新型工业控制装毕业论文 - 置。它具有可以在元件内部储存指令的可 编程程序存贮器，用户可以通过自己编写的程序指令来设置控制功能，从而满足生产过程中不同的控制要求。 PLC 具有使用方便、通用性强、适应面广、抗干
30、扰能力强、编程简单及可靠性高等特点。在工业控制领域中， PLC 控制技术已经逐渐成为世界的潮流。 2.1 三菱 FX2N 系列简介 PLC 中 FX2N 系列硬件组成与其他系列类型的 PLC 基本相同，其主体都是由三部分组成，即存储系统、中央处理器 CPU 和输入、输出接口。系统电源有单独作为一个单元的，也有些是在 CPU 模块内，一般情况下编程器是被看作是 PLC 的外接设备。 PLC 内部采用总 线结构，进行指令和数据的传输。外部的各种传感器、检测信号、开关信号以及模拟信号都是作为 PLC 的输入变量，这些输入变量通过 PLC 的输入端进入 PLC 的输入存储器，收集、暂存被控对象当前运行
31、的数据量和状态信息。经 PLC 的内部运算处理后，按被控对象的实际动作要求来产生输出结果。输出结果将作为输出变量送到输出端，用来驱动执行机构。 PLC 通过各部分的互相协调运作来控制现场设备的正常运行 6。 （ 1）存储器模块 随机存取存储器（ RAM）用于存储 PLC 内部获得的输入和输出信息。并存储移位寄存器、内部继电器（软继电器）、累 加器、定时器计数器以及数据寄存器等的工作状态，以及存储用户正在调试或编辑的程序和各种暂存的中间变量、运行数据等。 只读存储器（ ROM）用于存储系统程序。只读存储器（ EPROM）可擦除可编程序，主要用于存放 PLC 的监控程序和操作系统。即使用户已完全调
32、试好的程序，也可将编辑的程序固化在 EPROM（可擦除可编程 ROM）中。 （ 2）中央处理器 CPU CPU 的主要功能是用于解释并执行用户以及系统程序。通过运行用户和当前的系统程序来完成所有通信、控制、处理以及所赋予的其它功能，以此控制整个系统协调工作运行。常用的 CPU 有通用双极型位片机、单片机和微处理器。 （ 3）输入、输出模块 PLC 是一种工业控制的计算机系统，它的主要控制对象是工业性的生产过程，与 DCS类似。它也是通过输入、输出的接口模块 (I/O)与工业生产过程联系的， I/O 模块可以看做是 PLC与生产过程互相联系的纽带。 PLC 连接的过程变量按照信号类型可分为脉冲量
33、、开关量（即数字量）等，相应的输入输出模块又可以分为脉冲量输入模块、模拟量输入输出模块和开关量输入输出模块等。 （ 4）编程器 编程器作为 PLC 必需的重要外部设备，将用户所希望达到的功能通过专用的编程语 言输送到 PLC 用户程序存储器之中。编程器不但可以对程序进行写入、读出和修改，还能对 PLC当前的工作状态进行实时监控，同时还是 PLC 与用户之间人机对话的界面。随着 PLC 编程语言的多样化，功能的不断增强，编程过程已经可以在个人计算机上完成了。图 2.1 为三菱 FX2N系列可编程逻辑控制器的硬件简化框图 7。 可编程逻辑控制器基本单元（ M） 按钮 接触器 限位开关 指示灯 KV 触电 电磁阀 COM 端 电源 电源 输出接口 输入接口 微处理器（ CPU） 运算器 控制器
