1、 本科 毕业设计 基于 PLC 的船舶电站监测系统的设计 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 船用设备中随着船舶自动化程度的不断提高，需要用电 来控制和驱动的地方也越来越多，自动化程度也随着船舶电力系统的日益复杂、庞大，变得越来越重要，现在的主要方向发展有：数字化、集成化、网络化、标准化以及智能化。并且自动化程度在船舶电站供电可靠性和连续性质量指标中是一个十分重要的环节，对其进行设计研究具有很重要的现实意义和经济价值。 船舶电站自动化监测系统主要目的是在提高运行经济性的基础上保证供电过程的安全、可靠，并尽可能的改善船舶上恶劣的工作
2、环境。因此要求能够实现以下功能：柴油机组自动起动、停机控制；重要负荷分级自动起动；发电机组状态控制；自动分级卸载；自动并 车；自动调频调载；励磁调整及无功功率自动分配；电力系统及发电机组的自动巡回检测；重载询问；电力系统保护；电网；总体控制等。本文以船舶电站监测为研究对象，采用三菱 PLC控制器中的 FX2N 系列与船舶电站相结合来实现自动化，重点设计了柴油机自动起动和停机部分，完成了对船舶电站监测装置中主要功能实现的软、硬件设计。 关键词 ： 船舶电站；自动化；可编程控制器 II Abstract Marine equipment in the ship with the increasin
3、g degree of automation needed to control the power and drive more and more local level of automation along with the ship power systems become more complex, large， becoming more and more important， The main direction of development: digital、 integration、 networking、 standardization and intelligent no
4、w. And automation degree in electrical shipping power supply reliability and continuity quality index, is a very important link, carries on the design research has very important practical significance and economic value. Electrical shipping automatic monitoring system mainly aims at improving opera
5、tional efficiency of the supply process based on guarantee safe, reliable, and as far as possible to improve ships poor working conditions. Therefore be able to achieve the following functions: diesel generator automatic starting, stopping control; Important load grading automatic starting; Generato
6、r state control; Automatic classification uninstall; Automatic and car; Automatic FM adjustable load; Excitation adjustment and reactive power automatic distribution; Power system and power generating sets automatic circuit testing; Overloading the inquiry; Power system protection; Power grid; Overa
7、ll control, etc. Based on electrical shipping monitoring for research object, adopt mitsubishi PLC controller FX2N series of combining with electrical shipping to realize automation of diesel engine, the key design automatic starting and stopping part, finished on the ships main power station monito
8、ring device of function realization o f software and hardware design. Key Words： Ship Power； Automation； Programmable Controller III 目录 摘 要 .I Abstract .II 第 1 章 绪论 .1 1.1 船舶电站发展及现状 .1 1.2 可编程控制器技术发展及现状 .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 .5 2.1 三菱 FX2N 系列简介 .6 2.2PLC 选型 .7 2.3 用 PLC 实现船舶电站
9、自动化监测系统的优势 .8 第 3 章 船舶电站自动化监测系统的外围电路设计 .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 .11 3.2.3 软件测速信号采集的实现 .11 3.3 模数 A/D、数模 D/A 转换电路 .12 3.4 数据通信电路 .13 3.5 显示与报警电路 .14 第 4 章 船舶电站辅机起、停控制设计 .15 4.1 船舶辅机起动设计 .15 4.2 船舶辅机停机设计 .17 4.3PLC 的 I/O 接口分配 .19 4.4 系统硬件电路设计 .20 4.5PLC 梯形图设计 .21
10、 4.5.1 自动起动梯形图 .21 4.5.2 自动停机梯形图 .21 4.6 相应指令表 .22 第 5 章 对本设计的总结和展望 .24 IV 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .25 1 第 1 章 绪论 1.1 船舶电站发展及现状 在经济体全球化的发展过程中，船舶作为一种重要的交通工具承担着超过 90%的国际贸易货运量，扮演着无可替代的角色。适应新出现的船舶运输要求，电站作为船舶上一个重要的辅助动力装置，给船舶辅助机械和生活用电提供电力。船 舶动力系统是船舶的重要组成部分，是产生连续的供应电力的发电设备，原动机、发电机、附属设备以及配电板共同组成了船舶电站。船舶通过电气机械及
11、设备的数量来选择发电机的容量，一般采用频率为 50 赫兹和 60赫兹的 400 伏三相交流电。与陆地上电站相比，船舶电站有电站容量小；船舶电气设备工作环境比陆地恶劣，影响设备工作的可靠性、正确性和使用寿命；船舶电站发电设备和用电设备之间的直线距离很短，故而在计算电网压降时可以忽略电缆电抗的特点 1。 船舶电站可靠供电的保障在于船舶电站机组、电站的控制系统的高可靠性，所以电站的运行可 靠性是船舶上所有电气设备能够正常运行的前提。 船舶电站自动化控制系统的发展大体经历了 4 个阶段：由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
12、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，自动监测水平也得到了进一步的提高。船舶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
13、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。 （ 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
14、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。 （ 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，方便检测发电机组的运行参数和发现问题时进行报警。用工业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
15、舶电站监测系统。 2 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。 管理层是监控系统的最上层，位于中央控制室的监视终端。可以通过电站运行信息，对船舶电站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；还可以对 在网运行的故障发电机组进行自动换机。 设备
16、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。 提高船舶电站自动 化的水平有许多优点：一是能够提高船舶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；二是改善了船员工作的条
17、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 应用到船舶电站自动化监测系统中，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实现定时、计数、逻辑控制等简单功能，故称为可编程控制器（ Programmmable Logic Controller），简称 PLC。在 70
18、 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（ Programmmable 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
19、、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。 3 第三阶段，半导体存储器开始进入工业化生产、出现单
20、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、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
21、 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 (RISC)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 RI
22、SC 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，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
23、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。 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 P
24、LC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、上海自力电子设备厂生产的 KKI-
25、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： 4 （ 1）通信联网。 PLC 的通信包括 PLC 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
26、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。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
27、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，甚至到了家庭中 4
28、。 PLC 技术的五大发展动向： （ 1）管理和控制功能一体化。例如美国 A-B 公司的产品 PYRAMID INTEGRATOR 将信息处理器、机器视觉和 PLC 完美的结合在一起。 （ 2）编程语言逐渐的标准化。例如 IEC（国际电工委员会）于 1994 年 5 月公布了可编程控制器标准（ IEC1131),其中的第三部分是可编程控制器的编程语言标准。 （ 3）输入输出模块智能化和专用化。例如语音处理模块、智能位置控制模块、专用数控模块、智能通信模块等。 （ 4）规模向大小两个方向发展。大型机方面，出现了多达 14336 点 I/O 点的超大型 PLC，小型机方面，则出现了被称为“手掌上的
29、可编程控制器”，如三菱公司 FX 系列可编程控制器与以前 的 F1 系列相比，体积只有 F1 系列的 1/3 左右。 （ 5）网络通信功能标准化。由于 PLC 可以用来构成网络，所以各种图形工作站、个人计算机等都可以作为 PLC 的工作站和监控主机，只要能够提供数据采集、屏幕显示、记录保持以及打印信息等功能就可以 5。 1.3 设计的主要内容 本次设计以设计 PLC 控制船舶电站的自动起动、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，了解目前船舶电站监测系统的发展方向。 （ 2）了解可编程逻辑 控制器在船舶电站监
30、测系统中应用的优势和三菱 FX2N 系列 PLC 的硬件组成。 （ 3）重点对 PLC 控制的船舶电站的自动起动和自动停机部分进行软硬件设计。 （ 4）设计柴油机的转速检测电路 （ 5） 设计温度测量与显示电路 （ 6）设计 显示与报警电路 5 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。
