1、 本科 毕业设计 船舶柴油机冷却水温控系统的设计 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 I 摘要 船舶柴油机冷却水的温度是影响柴油机性能的重要参数，过高或过低都对柴油机的正常工作有不利影响。研究柴油机冷却水的温控系统有利于精确控制柴油机 冷却水的温度，有利于柴油机的正常工作。 本设计共分为六大章节。绪论部分主要介绍本课题的背景和意义，以及国内外研究现状；第二章节是船舶柴油机冷却水系统的概述，包括其分类、组成以及工作原理；第三章节是船舶柴油机冷却水温控系统的总体设计；第四章节是对系统的核心控制器 PLC 的简介与选型；第五章节是本设计的重点部分
2、，整个系统的硬件设计。本设计对硬件部分进行了详细设计。整个硬件设计采用模块化，按不同的功能分为不同的模块。第六章节是系统的软件设计部分。 本设计成功实现了对船舶柴油机冷却水温度的控制，具有良好的控制效果。 但由于个人能力与实验条件有限，也存在不完善的地方，有待改进。 关键词 ： 船舶柴油机；冷却水；温度控制； PLC II Abstract Marine diesel engine cooling water temperature is the important parameters affect the engine performance is too high or too low,
3、 the normal work of diesel engine has adverse impact. Study the cooling water temperature control system for diesel engine cooling water temperature precise control for diesel engine, the normal work. This design is divided into six chapters. The introduction of the main introduces the background an
4、d meaning of this topic, and domestic and foreign research situation; The second section is an overview of diesel engine cooling water system, including its classification, composition and working principle; The third section is Marine diesel engine cooling water temperature control design of the wh
5、ole system; The fourth chapter is to the core of the system controller - PLC profile and selection; The fifth chapter is the key part, the design of the whole system hardware design. This design of hardware part carried on the detailed design. The hardware design USES modular, according to different
6、 function is divided into different modules. The sixth chapter is part of software system design. The design for the successful implementation of diesel engine cooling water temperature control, has excellent control effect. But thanks to personal ability and the experimental conditions are limited,
7、 there are also drawbacks, needs to be improved. Keywords: Marine Diesel Engine; Cooling Water; Temperature Control; PLC III 目录 摘要 . I Abstract . II 前言 . 1 第 1 章 绪 论 . 2 1.1 研究本课题的背景和意义 . 2 1.2 国内外船舶柴油机冷却水温控系统的研究现状 . 2 第 2 章 船舶柴油机冷却水系统概述 . 4 2.1 船舶柴油机冷却水系统的分类 . 4 2.2 船舶柴油机冷却水系统的组成 . 4 2.3 船舶柴油机中央冷却水
8、系统工作原理 . 6 第 3 章 船舶柴油机冷却水温控系统的总体框架 . 8 第 4 章 PLC 的简介与选型 . 10 4.1 PLC 简介 . 10 4.1.1 PLC 的特点 . 10 4.1.2 PLC 的应用领域 . 10 4.1.3 PLC 的分类 . 10 4.1.4 PLC 的硬件组成 .11 4.2 PLC 的选型 . 12 第 5 章 船舶柴油机冷却水温控系统硬件设计 . 13 5.1 系 统电路原理图 . 13 5.2 温度测量电路 . 13 5.2.1 温度传感器的选择 . 13 5.2.2 测温电路 . 14 5.3 A/D 转换及 D/A 转换模块 . 14 5.4
9、 通信电路 . 15 5.5 报警电路 . 16 5.6 执行电路 . 16 5.7 PLC 的外围接线图 . 17 IV 第 6 章 船舶柴油机冷却水温控系统的软件设计 . 19 结论 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 附录 . 26 1 前言 船舶柴油 机冷却水的温度是影响船舶柴油机正常工作的重要参数。冷却水温度过高或过低对其正常工作都有不利影响。 柴油机冷却水温度过高会加速零件磨损，使得零件配合间隙被破坏，强度下降，还会使得气缸内充气量减小，功率降低。柴油机冷却水温度过低也会加速零件磨损，导致输出功率减少；使得热损失增加，导致燃料消耗量增大；还会使得汽缸温度过
10、低，使得汽缸壁受到腐蚀；同时会导致燃烧恶化，致使柴油机整机性能变坏。综上可知，保证柴油机冷却水的温度在最佳工作范围有利于提高柴油机的动力、减少废气产生、减少燃料消耗。因此，精确控制冷却水的温度具有重要 意义。 船舶柴油机冷却水温控系统在 20 世纪取得了飞速发展，经历了直接作用式、气动式、电动式和电子式的发展历程。直接作用式方式是利用温压元件，将温度信号转换成压力信号，用压力信号来控制冷却水的温度。该方式对温压元件的密封性要求很高。气动式方式是利用感温元件和温度变送器将温度信号转转为气压信号，然后用气压信号去控制冷却水温度。这种方式 对运送和储存气体的管道的密闭性也有很高要求。电动式方式是利用
11、感温元件作为分压器分压，将温度信号转换为电压信号，经整定得出偏差信号，再经过比例微分，输出控制信号，进而控制冷却水的温度 。这种方式采用的控制规律较为简单。如使用 PI 控制，由于控制对象的惯性大，会出现较大超调量，存在滞后，而采用 PD 控制，会出现较大静态误差。使系统长期偏离最佳工作点工作。同时，一旦系统的测控部分的电子元器件出现故障，系统的控制效果就会大打折扣。电子式方式是使用模拟仪表，经过逻辑运算输出控制信号，驱动继电器，控制电动机转向，从而控制 冷却水温度。该方式采用的电子器件落后，电路复杂，性能不好。综上可知，这些控制方式都已经不能满足日益提高的控制要求，必须采用新的控制方式。 由
12、于基于 PLC 的控制系统具有 实时性 、高可靠性、 系统配置简单灵活、控制系统采用模块化结构、 质优价廉 、 性价比高 、 安装简单 、 维修方便 、 可以在各种环境下直接运行 等优点，所以决定设计基于 PLC 的船舶柴油机冷却水温控系统。 2 第 1 章 绪 论 1.1 研究本课题的背景和意义 21 世纪是海洋的世纪，舟山是我国唯一的群岛型地级市，区域条件优越，海洋资源丰富。并且，“十二五”提出重点推进浙江舟山群岛新区等区域发展。舟山的发展机遇已经来临。舟山，必将发挥港口和海洋资源优势，建设以临港工业、港口物流、海洋渔业等为重点的海洋产业发展基地。舟山海洋经济必将 飞速发展。 而这一切都将
13、依赖于不可或缺的交通工具 船舶。 而柴油机作为船舶的的动力系统的主要构成部件，其性能就是重中之重。 船舶柴油机冷却水的温度是影响船舶柴油机正常工作的重要参数。冷却水温度过高或过低对其正常工作都有不利影响。所以控制冷却水的温度就显得尤为重要。 随着时代的变迁，技术的发展，人们对船舶的要求越来越高，随之而来的，人们对柴油机的性能要求也越来越高。传统的柴油机冷却水温控技术已经越来越无法满足要求。研究出更高效的温控技术已经迫在眉睫。 随着电子技术的不断发展，自动控制技术开始出现并迅速发展，日新 月异，而且很快的被广泛应用于人们生活的方方面面。这为船舶柴油机冷却水温控系统的自动化和智能化提供了技术前提。
14、 本课题以中央冷却水系统为模型，主要研究基于 PLC 的船舶柴油机冷却水温控系统。该温控系统主要包括智能控制。智能控制使得系统工作更为快速、高效。冷却水温控系统的智能控制是船舶智能控制的重要组成部分。研究冷却水温控系统的智能控制对于实现更安全高效的船舶智能控制有着重要意义。有利于船舶的安全、稳定运行。 1.2 国内外船舶柴油机冷却水温控系统的研究现状 船舶柴油机冷却水 的 温控技术在 20 世纪 时 得到了飞速 的 发展， 其发展历程如下： 1 直接作用式控制方式 20 世纪 50 年代末 ，船舶柴油机冷却水的温控系统 采用直接作用式 控制方式。它 是一种早期的反馈式控制方式。直接作用式控制方
15、式 是将测控元件安装在冷却水管路中，在测控元件内部充注工作介质，该介质随温度的变化成比例的产生压力，再由这个 力来驱动三通调节阀，改变 淡水流量 ，实现温度调节 ，所以直接作用方式不需要外加能源 。 但是这种方式存在很大缺陷， 由于 整个控制系统的最重要环节就是介质产生压力，所以对 测 控 元件 的 密封性要求很高， 一旦 测 控 元件内充注的工作介质 发生 泄漏，那么 工作介质 的压力就 不 能正常的随温度的变化而变化 ， 无法正常控制冷却水温度。而且该控制方式的 控制精度 低 ， 不能对冷却水温度进行精确的控制和调节 ，会对柴油机的正常运行产生不利的影响。 3 2 气动式控制方式 20 世
16、纪 70 年代末，船舶柴油机冷却水 温控系统 采用气动式 控制 方式。这种控制方式利用感温元件 采集 冷却水 的温度信号，再通过温度变送器将温度信号的 变化成比例地 转换成 气压信号的变化送至调节器，与 整 定 的 信号 进行对比 ， 得出偏差信号， 经 过 调节作用规律运算，成为调节器输出的控制气压信号去调节 冷却水的 温度。 这种控制方式仍然存在缺陷 ，系统对气体的 压力和密 封性有很高要求 ， 一旦 控制气压信号 出现 损失，控制精度 就会 降低，效果变差。因此，这种控制方式现在也很少采用了。 3 电动式控制方式 20 世纪 80 年代中期，船舶柴油机冷却水 温控系统 采用电动式作用方式
17、。 这 也是 现今 远洋船舶上主要采用的温控方式。它的作用方法是，利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进 、出口的感温元件 通常 采用 电阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻 作为测温元件 ，经分压器分压把冷却水温度成比例地转换为电压信号，这个 电压 信号与给定 的 电压信号相比较得到偏差信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号，并 将此控制信号送至脉冲宽度调制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度。 采用电动式控制方式 的冷却水温控 系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足 现今远洋 船舶的 要 求，但是 它仍然存在缺陷 。首先， 这类冷却水温 控系统的调节器采用 的
18、是 较为简单的比例微分（ PD）控制规律或者比例积分（ PI） 控制规律 。 若采用 PI 控制， 由于 冷却水温度具有较大惯性，会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量，使得系统 的 动态特性较差 。 而且 在改变三通 阀 门 的开度以后， 冷却水的流量随之改变，温度也随之改变，但 温度传感器不能 迅速做出 反映， 不 能及时反映出调节的结果， 存在滞后 性 ， 很难 得到满意的控制效果；若采用 PD 控制 则 会出现静态误差，使 得 系统长时间偏离最佳工作点。其次，这种控制系统的测控部分， 大多是采用 一些电子 元 器件进行逻辑运算 和 输出，一旦逻辑输出部分的 机械部件出现故障， 如电
19、路板损坏，甚至是一个电阻或电容等小的元件出现故障， 则整个系统就会出现故障 ，导致船舶柴油机冷却的效果变差 。 无法达到理想的控制效果。 4 第 2 章 船舶柴油机冷却水系统概述 船舶冷却系统的作用就是利用海水或者淡水冷却船舶主机、副机系统做功后产生过多热量，防止设备因为温度过高导致不能工作或者损坏的一个 管系 。 2.1 船舶柴油机冷却水系统的分类 船舶冷却系统作为船舶重要的动力系统之一，随着材料、工艺以及控制技术的进步，发展过程大体上经过以下三个阶段： 1.开式海水冷却系统 开式海水冷却系统是利用海水来冷却需要冷却的设备的系统。因为海水的腐蚀性很大，如果直接进入设备会减少设备的使用寿命，所
20、以一般的船舶都是采用热交换的方式，即先用海水冷却淡水，再用淡水冷却需要冷却的设备，通过这种方法达到冷却需要冷却的设备的目的。 2.闭式淡水冷却系 统 闭式淡水冷却系统是利用船舶 淡水舱或设备自备的淡水来冷却需要冷却的设备的管系。它的优点是腐蚀性小，管路清洁；缺点是远洋船舶的淡水储备有时候不够用，所以有时候要和海水冷却系统结合交替工作。 3.中央冷却水系统 中央冷却系统 的 海水 管路和 淡水管路 是 分开 的。 淡水管路 的 腐蚀性小 ，而 且 管路清洁，管理成本低，系统 的 工作可靠性强；高、低温淡水 回路被 分别 用于 冷却不同 的船舶设备， 增强了系统的适应性， 提高 了 设备 的 工作
21、性能。 由于 以上 的 突出优点， 当前 新造 的 船舶 大 多采用 中央 冷却 水 系统 。 船舶冷却水 温控 系统 的 主要任务是 保证冷却水的温度稳定。由于热负荷在不断变化，因 此要求控制系统能 自动控制执行机构 的运转，以保证冷却水温度的稳定。 目前 ，船舶冷却水 温控 系统普遍 存在两个问题： 1） 能耗大 ； 2）由于执行机构的频繁动作，导致磨损大，而且 温度不稳定 。控制系统首先检测海水、淡水的温度变化，然后通过比例积分来控制调节阀的动作，从而改变流经中央冷却器的旁通量，进而实现对低温淡水冷却水的温度控制。系统设置了四种海水流量，而实际的海水流量由控制系统在这四种之间选择。其目的
22、是控制进入系统的海水水量，使其不至于过剩，从而保证中央冷却器的热交换效率，最大程度的节约能源，并且实现海水流量的优化控制。 2.2 船舶柴油机冷却水系统的组成 根据冷却水是淡水还是海水，冷却系统分为 3 种，其分类和系统组成如下： 5 1.海水冷却系统 ： 海水冷却系统由海底 阀 门、海水总管、海水泵、海水输送管、控制阀门、机带海水泵、排舷外管组成。 2.淡水冷却系 统： 淡水冷却系统由淡水舱、淡水泵 、 淡水输送管、控制阀门、机带淡水泵、排舷外管组成。 3.中央冷却系统 ：中央冷却系统由 海水管路、淡水管路、调节阀、中央冷却器组成。 由于本设计主要研究基于中央冷却系统的冷却水温控系统，下面将对中央冷却系统进行详细介绍。 目前，船舶中央冷却系统有两种基 本方式被广泛应用，它们分别是：混流式中央冷却系统 (如图 2.1)和独立式中央冷却系统 (如图 2. 2)。 图 2. 1 混流式中央冷却水系统 中央冷却器 柴油机 1 柴油机 2 空冷器 1 空冷器 2 冷却器 1 （低温） 滑油 冷却器 冷却器 2 （低温） 滑油 冷却器 T1 T1 T2 32 38 TMax=60
