1、 本科 毕业设计 基于 PLC 的船舶主机遥控装置设计 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 主机遥控是现代船舶自动化的核心环节之一，是实现无人自动化机舱的必不可少的条件 ,所采用的控制手段也多种多样 ,本文采用可编程控制器 PLC(Programmable Logic Controller)来控制实现主机遥控系统的功能，该系统具有经济性，硬件电路结构简单，逻辑运算能力强，技术风险小，工作安全可靠等优点。 本文开头介绍了船舶主机遥控在国内外的发展历程，以及 可编程控制器的 PLC 的发展及其特点。然后给出了主机遥控的总体结构设计和设
2、计的功能要求。最后是设计部分包括主机遥控的硬件和软件设计，硬件部分有 系统 PLC 硬件地址的分配、外围模块的选型 ,软件设计有正车启动，主机转速的测量计算，换向控制和转速调节控制。 基于 PLC 的主机遥控系统具有 不错的发展前景与应用价值，本文对大部分主要功能进行了设计，但由于时间和篇幅的限制，部分主机遥控功能仅进行了程序框图的设计。 关键词 ： 船舶主机； PLC；主机 遥 控 II Abstract Automation Remote Control is the core part of modern ships is one of the unmanned engine room
3、of the essential conditions for automation, control methods used are also diverse, we use the programmable controller PLC (Programmable Logic Controller) to control the implementation remote control system functions, the system has economic, hardware circuit structure is simple, logical ability, tec
4、hnical risk, safety and reliable. Beginning of this article describes the remote control at home and abroad the ship development process, as well as the development of PLC programmable controller and its features. Then the remote control design and design the overall structure of the functional requ
5、irements. Finally, the design section includes the remote control hardware and software design, hardware and systematic distribution of PLC hardware address, the external module selection, the software design is the ship to start, the host computing speed of the measurement, the speed function remot
6、e control device design. PLC-based remote control system has good prospects for the development and application value, the paper most of the major functions of the design, but d ue to time and space limitations, not all hosts on the remote control function proposed program design is given. Keywords:
7、 Marine main engine, PLC, Remote host III 目录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 关于柴油船舶主机遥控系统的概述 . 1 1.2 船舶主机遥控国内外的发展现状 . 1 1.3 课题研究的意义所在及有关内容 . 2 第 2 章 可编程控制器的概述 . 3 2.1 可编程控制器的优点 . 3 2.2 可编程控制器（ PLC）的基本组成 . 3 2.3 可编程控制器（ PLC）在船舶自动化领域的运用前景 . 4 第 3 章主机系统总体结构和主要功能设计 . 5 3.1 主机遥控的系统结构 . 5 3.2 系统的主要功能设计 . 5 第 4 章 主机遥控系统
8、硬件设计 . 10 4.1 可编程控制器（ PLC）的选型 . 10 4.2 系统 PLC 硬件地址分配 . 11 4.3 外围模块选型设计 . 14 第 5 章 主机遥控系统软件设计 . 17 5.1 起动控制的程序设计 . 17 5.2 换向控制的程序设计 . 20 5.3 主机及尾轴转速的测量与计算 . 24 5.4 安全保护与故障报替及处理 . 24 5.5 转速控制程序 . 26 5.6 系统子程序 . 29 5.7 系统抗干扰设计 . 29 结 论 . 30 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 30 1 第 1 章 绪 论 自从 60 年代初船舶远程遥控技术开始得到采用
9、，目前几乎世界上造船技术领先的国家生产的船舶都配 备了船舶主机远程控制装置，使之成为今天的船舶自动化的核心部分。船舶主机遥控装置从最初的气动工作结构发展到了现在的以计算机为核心的控制系统大致经历了 4个阶段。可编程序控制器（ PLC），是近几年快速发展的新型控制设备，因为它具有的较强的逻辑运算能力，简单的硬件结构，方便安装维修，较强的抗干扰能力，能够方便的编程，使用可靠，目前已经广泛在各种工业制造领域得到应用。 PLC 技术对实现工业自动化生产起着极为重大的推动作用，在国外有着工业自动化的三大支柱之称。船舶电气的发展今后将会以PLC 为方向，现在已经有将 PLC 技术成 功应用在船舶电气控制上
10、的实例，比如期货机的变速控制装置、锅炉的时序控制装置等。在主机遥控系统中需要各种逻辑判断运算和控制，为 PLC的应用提供了条件。 1.1 关于柴油船舶主机遥控系统的概述 现在，大型船的动力推进系统大致分为两类，一类是柴油机作为动力，另一类是电力作为动力。在柴油机为动力的船舶中，连接螺旋桨直接作为推进动力的柴油机即为船舶主机。操纵主机的可以从三个地方进行操作，分别是机旁控制、集控室控制和驾驶台控制。除非是在机旁控制主机，在集控室或者是驾驶室控制主机，都为远程控制。想要达到对主机的远程控制就 必须在所操纵的地点到主机之间安装一系列的连动装置。这套远程控制装置就是船舶主机的遥控系统。主机遥控系统把控
11、制地点从机旁移动到了远离主机的地方，使轮机人员免受机旁噪音高温等恶劣环境的影响，改善了工作环境。同时也改善了船舶的操纵性能，给船舶的安全运行提供了保障。它让主机的工作更加的可靠更加经济，是轮机自动化不可或缺的一部分，是达成机舱无人化的至关重要的先进技术。 1.2 船舶主机遥控国内外的发展现状 在船舶的驾驶室或者集控室里用自动操纵装置来实现控制船舶主机的系统叫做船舶遥控系统，是实现无人船舱、轮机自动化的必 不可少的一部分。船舶主机遥控系统是随着机电控制技术的逐渐发展而形成和完善的，它们之间有着不可分割的密切关系。 主机遥控系统最初是由纯机械器件来的达到远距离控制，一直发现到了 60 年代初期，形
12、成了功能更加完善和集中的驾驶室控制和集控室控制。也大约是这个时期，人们也进一步的提高了船舱内各种设备的自动化性能。比如船舶辅机动力设备的自动化控制、船舶电站的自动化，故障自动报警装置等等。直至 60 年代中叶，机舱无人化概念纷纷从各个船舶领域的提出，很好的推动了机舱自动化技术的发展，使之不停的向前进步。到了 70 年代，微型计算机的出现，将它应用在船舶之中成为了各国先进集团致力研究的方向，到了 80 年代技术趋近完善。逐步发展的船舶主机遥控技术，更加贴近了机舱无人化的功能需求，达到了最好的运行要求，还使主机遥控系统的重要组件设计走向了标准化。到了 90 年代，应用在主机遥控上的控制系统已经转变
13、成网络分布结构的计算机控制系统 。 这就意味着，广泛应用的计算机控制技术已经让主机遥控更加安全可靠和完善。 随着船舶自动化水平的不断提高及发展，柴油主机遥控技术也得到很快的发展，到现在，大致经过了四代的发展过程。第一代的主机遥控装置是机械式的气动元件构成的 ，第二代的主机遥控系统则由分立的电子元件或者继电接触器和气动元件共同构成的，第三代的船舶主机遥控系统运用到了小型的集成电路块代替分立电子元件，到了第四代构成船舶主机遥控系统的主要就是微型计算机和气动元件了， PLC 即为微型计算机的其中一种。 2 目前新生产的船舶主机遥控系统采用的基本都是微型计算机控制技术，计算机能够从软件上通过编写改写程
14、序来实现逻辑判断和数字运算，这样就可以替代以往常规的分立电子元件构成的逻辑判断电路的功能。当前应用微机控制的主机遥控系统的设计方案大致分为两种，第一种是用专门为主机遥控研制的专用 控制微机，比如有挪康的 Autochief 系列微机主机遥控系统，还有西门子 DIFA 系列的主机遥控系统， CY8800 型微机主机遥控系统是国内的产品，它是由交通部上海船舶运输科学研究研制的。另外一种设计方案就是采用本文要着重阐述的可编程序控制器 PLC。目前在国内基于 PLC 的主要遥控系统的较为成熟的产品还尚未出现，也没有被推广。所以，由国家经济贸易委员会出资，已经把基于可编程序控制器的船舶主机遥控系统的开发
15、列入了国家重大引进技术改造实施项目。为的就是能尽快吸纳这部分技术，提高国内技术，推进为市场应用，为经济发展作贡 献。 PLC 的主机遥控系统的市场前景是非常宽广的。 1.3 课题研究的意义所在及有关内容 前文已经阐述了主机遥控在轮机自动化领域的重要性 ,PLC的出现和发展之迅速 ,已经在越来越多的领域得到应用和收益 ,PLC 具有体积小 ,集成度高等特点 .在计算机高度发达的今日 ,和以往纯机械外加继电器的运作方式之间起到承上启下的过渡作用 ,能够很好的将新老技术结合 .PLC 很好的将硬件软件结合。简单易懂的梯形图编程方式 ,让熟悉以往纯继电器工作的老一辈工作人员也能很快上手。 因此在船舶中
16、运用 PLC，技术方面风险较小，能短期内得到研发。具 有较高的可靠性，还有优良的抗干扰性能，方便维护。此外，易于编程，根据不同类型的船舶不同型号的船舶柴油发动机，只需对程序稍做修改就能使用了。它很好的取代了由继电器组成的气动主机遥控系统，也能用于江河近海采用的中速柴油机推进的船舶，还能改造老船舶使之更加自动化。PLC 的数据通讯功能与上级计算机构建信息交换系统，使船舶构成综合网络自动管理系统。基于 PLC 的主机遥控系统，价值可观，市场前景宽广，运用并充分发挥 PLC 的优良性能，应用于船舶自动化领域，意义重大。 本文开头概括的阐述了主机遥控的定义，分类，以及国 内外的发展情况。作为本课题的研
17、究对象，接下来将主要阐述主机遥控应具有实现的功能， PLC 的介绍。接下来对主机遥控装置的结构设计，在对硬件部分和软件部分分别进行设计并分析。 1、船舶主机遥控实现的功能设计 通过主机遥控系统应能对主机进行起动，停车，换向等逻辑控制和对主机的转速进行闭环控制。同时还应该对主机的转速和负荷进行必要的限制，并具有必要的安全保护功能。 2、硬件部分设计 硬件设计部分包括系统结构图， PLC 硬件地址于外围模块的分配情况，各种信号检测模块的设计。 3、软件部分设计 软件设计部分主要为正车的起动 ，包括检测是否成功启动，故障分析和安全保护。主机的转速测量，控制换向及控制转速。程序流程图设计和 PLC 梯
18、形图设计，及程序代码的编写。 3 第 2 章 可编程控制器的概述 可编程序控制器（ PLC）的出现是在上世纪 60 年代到 70 年代的过渡期，它是小型电子计算机，可以根据用户需要实现各种从简单到困难复杂的工业自动化控制。已经是现代工业自动化领域不可或缺的一部分，被称为工业机器人。到了上世纪 80 年代，可编程序控制器得到了大规模的应用，使用领域已经不仅仅在化工、冶金业、轻工业、纺织业、制药业、建筑等工业范畴，更向商业、医学 方面等领域进发。 90 年代开始，以工厂内测量和控制机器键的数字通讯为主的网络现场网络技术得到世界范围的普遍重视，工业自动化也面临着改革。这项技术可以通过 PLC 得到方
19、便有效的应用。PLC 的地位在工业控制设备基础领域进一步上升，使之成为实现现代先进的工业自动化控制的主要工具。此章就可编程序控制器 PLC 的优点，以及在船舶方面的运用前景做一下阐述。 2.1 可编程控制器的优点 1、灵活性 过去，每一台设备都需要设计人员来安排配备专门的控制装置。 PLC 出现之后，控制装置只需要一台 PLC 就可以了，所有的设备与 PLC 连 接由 PLC 内部判断逻辑之后，对设备实施控制。对于不 同的控制需求，只需要在软件方面进行修改，对程序进行编程就可以达到控制目的。这样一来，还可以应对生产控制频繁变化的需求。除此之外，只需要一台 PLC 就能控制几台不同操作方式的机械
20、设备。对于早期的控制电路， PLC 可以以方便有效的手段进行改进，以前重新改造线路要花大量的时间，现在有了 PLC，仅仅几分钟的时间，改进作业就完成了。 2、成本低又可靠 一台可编程序控制器用有大量的继电器，计时器，计数器，顺控器的触点。而本身体积小节约空间的同时，造价方面也要比同触点数量级的 继电器，计时器等价格低。此外构成 PLC的元件是集成电路， 体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高 。不仅具有光电隔离，自行滤波之类的技术，软件上海可以采取自我诊断的功能，可靠性要远远比机械和继电器高。 3、结构简单，操作容易 PLC 的结构是模块化的，使用时只需要根据信号的类型和点数多少，
21、选择对应的模块，控制系统便水到渠成。 4、方便维修 由于可编程序控制器的结构是模块化的，因此在故障发生的时候， PLC 的自我诊断功能便可找出故障模块，工作人员只需要更换模块就可以修复故障，操作方便并且节省时间。 5、模 拟运行 PLC 可以在软件编程时进行模拟运行，将所控制的功能在实际使用前试运行一遍，这样一来现场调试时就可以跟有针对性，操作方便节约时间。过去的电气线路是不能实现模拟运行的功能的，必须在实际接线后进行调试 6、通讯能力 眼下，全世界的生产厂商生产出来的 PLC，都能结合通讯处理模块或通讯处理卡，将信息与现场网络连接，形成规模庞大的网络体系。满足了工程上大规模生产，结构繁多，综
22、合功能等多元化的控制需 求。 2.2 可编程控制器（ PLC）的基本组成 4 可编程控制器结构原理如图 2.1： 通信接口 图 2.1 可编程控制器组成结构图 中央处理器 (CPU)：中央处理器就如同一般 PC 机的中央处理器一样，在可编程序控制器里也是数字运算的核心，控制着整个系统。 存储器：负责储存应用软件和系统程序指令； 输入输出 I/0 接口：输入输出模块作为 PLC 内部与外界进行信息交换的通道，将外部的信号传给内存和 CPU，内存和 CPU 的信号传给外部的同时，起着信号互译转变的作用，把信号转成彼此都能识别并接受。 电源：提供电力驱动 PLC 各个元件，为内部总线供电； 编程器：
23、用户可以通过编程器输入 输出程序指令，来修改调试系统功能，由编程软件、显示器、键盘、打印机和主机组成。 2.3 可编程控制器（ PLC）在船舶自动化领域的运用前景 PLC 的结构精简，容易操作，安装更是方便。还能抗干扰确保快捷迅速的进行逻辑运算处理。此外还能实现与外界的联网通讯，数字化运算。早在上世纪 80 年代初，英国著名的“伊丽莎白女王二世”游轮上就使用了基于 PLC 的锅炉控制系统，并且取得了巨大的成功。国际造船和海运相继开展了 PLC 在船舶轮机自动化上的应用研究。国内也有不少成功的实例，船舶三速交流机起货机控制系统的 PLC 改造，船舶机 舱 泵浦自动切换系统改造等。最近，新开发的船
24、舶上，已经将以可编程控制器为核心的控制系统普遍的应用于船舶各种设备的控制中，例如船舶锅炉系统，温度报警系统，船舶报警监视系统，船舶电站自动化管理系统，船舶主机遥控系统以及一些特种船舶的特殊设备的控制系统。利用 PLC 实现全船自动化系统，是今后船舶发展的大方向。 编程器 打印机 现场 现场 电 源 中 央 处理器 内存 输入暂存区 输 入 输出暂存区 输 出 5 第 3 章主机系统总体结构和主要功能设计 主机遥控系统的发展，大致经历了三个阶段，最早的时候完全是由继电器来控制。随着数字电路的发展，后来人们开始采用一些简单的逻辑判断电路和线性元件的电路来取代继电器，目前眼 下的产品，已经趋向去由计
25、算机来控制实现功能了。本文基于 PLC 来设计主机遥控系统，作为可编程控制器 PLC，它随着大规模集成电路技术和微机处理器的发展，也逐步完善并趋向成熟。此章将阐述， PLC 主机遥控的系统结构，及其实现功能。 3.1 主机遥控的系统结构 图 3.1 是用 PLC 为核心控制的主机遥控系统结构图 图 3.1 PLC 主机遥控结构图 PLC 为核心控制，开关量（主令信号）从驾驶台和集控室发出，传入 PLC。经过 PLC 的逻辑运算之后，将控制信号分为两路，分别对主机进行气动机构的控制和控制调速。工况检测以及速度 检测部分将主机的实际运行状态反馈给 PLC， PLC 得到反馈进一步对主机执行相应命令
26、。此外 PLC 将实时显示主机工作情况，显示故障情况，还具有报警，系统模拟，应急保护和等作用。工况检测部分会得到来自气动机构的状况和主机的状况，即各类传感器测得的参数，包括各控制阀的位置，凸轮轴的位置，气缸内的压力，水压等等。然后将这些模拟参数转换成数字信号传入 PLC。转速检测部分则针对主机转速的点火转速，换向转速，临界转速等相关参数转换成信号输入 PLC。功率放大电路构成调速单元，驱动伺服电机。主机的油门就由伺服电机来控制，稳定速度 ，固定速度。 3.2 系统的主要功能设计 无论是用何种方式操纵主机，首先不明确遥控系统需要执行的功能是不行的。图 3.2 是主机遥控系统总体结构图。 3.2.
27、1 操纵方式 系统的操作设置分为三种方式，驾驶室操纵，集控室操纵和机旁操纵。 (1)驾驶室控制：在驾驶室通过控制手柄直接操纵主机按给定的调速程序进行加速或减速，控制齿轮箱按给定的程序换向。 (2)集控室控制：在集控室依照车令操纵主机按给定的调速程序进行加速或减速，控制齿轮箱按给定的程序换向。 6 (3)机旁控制：工作人员依照应急车令直接在主机旁控制主机启动和停止 ，直接在机旁控制箱用开关来控制齿轮箱换向。 驾驶台 停止 向前 向后 集控室 停止 向前 向后 X1 X4 AC220V X2 DC24V X3 机舱 滑油失压 淡水高温 超速 图 3.2 主机遥控系统总体结构图 驾驶台遥控信号板 集控室遥控信号板 机旁 控制箱 柴油机 P L C 电源单 元 齿轮箱 调速器 E/P 紧急停车电磁阀 人机 界面
