1、 本 科 毕 业 设 计 船舶机舱集中控制台的监控系统设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 近年来，随着计算机技术、自动控制技术和信息技术的快速发展，现代化船舶的自动化程度也在变的越来越高。由于船舶机舱监控系统是船 舶自动化的主要组成部分，它能使轮机员操纵人员可以及时的掌握了解机舱中的主、辅机等各系统和各种设备的运行状况，并且对各个系统的运行参数进行实时控制。对于船舶的航运安全起着至关重要的作用。鉴于目前我国建造的大部分船舶中的自动监控系统采用国外产品的情况，因此，开展先进的网络型机舱监控系统的研究具有非常重要的意义。 船舶 机舱 集
2、中监控系统是 船舶中 最重要的系统之一。随着计算机技术 与 现场总线技术的快速 发展，船舶 机舱 集中监控系统大 部分是 采用分布式结构。目前 来看， 船舶自动化 技术正在 面临 着 一场技术革命。大型船舶设备智能化 、 信息 化程度 的 不断提高， 在 船舶 中， 局域网的 应用范围 也在 逐步扩大， 而 以现场总线为基础的集中监控系统将 会 逐步取代 原来的 信息传输 方式（ 集散式控制、网络形式 、 分 散 控制的船舶自动化监控系统 ） ， 因而从根本上 实现 了在船舶航行 过程中的 的可靠性 、 安全性和经济性。 关键词 ： 船舶 ； 机舱 ； 集中监控 ； 现场总线 ； 网络 第 I
3、I 页 共 39 页 II Abstract In recent years, along with the computer technology, automatic control technology and the development of information technology, modern increasingly high degree of automation ship. And cabin monitoring system is the main component of ship automation, it can make engineer manoe
4、uvres in the master understand cabin in main, auxiliary engine, etc. Various kinds of equipment and the operation status of each system, and the real-time control system operating parameters. For the safety of the ship shipping play an important role. Given the most of the ship in building automatic
5、 monitoring and controlling system USES the overseas of products, therefore, developing advanced network cabin monitoring system of research has the extremely vital significance. Centralized monitoring system on board ship is one of the most important system. Along with the computer network technolo
6、gy and the development of fieldbus technology, currently shipping centralized monitoring system is used mostly distributed structure. Shipping automation is facing a technological revolution. Large ships equipment informationization, intelligentize degree unceasing enhancement, shipping LAN applicat
7、ion range is gradually enlarged, information transmission and distribution generally adopted network forms of control, distributed control automatic monitoring system will ship with gradually been based on fieldbus is replaced by the centralized monitoring system, thus the maximum degree realizes th
8、e navigation safety, reliability and economical efficiency. Key words: Ships； cabin； centralized monitoring； fieldbus； network 第 III 页 共 39 页 III 目录 第 1 章 概述 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 船舶机舱自动监测报警系统的发展 . 1 第 2 章 现场总线技术及在船舶中的应用 . 3 2.1 现场总线技术介绍 . 3 2.2 现场总线网络式控制系统 . 4 2.3 现场总线系统的特点 . 6 2.3.1 现场总线系统的结构特点 6 2.3
9、.2 现场总线系统的技术特点 7 2.3.3 现场总线的优点 7 2.3.4 几种典型的现场总线 8 2.4 船用现场总线控制系统 .11 第 3 章 机舱监控系统总体结构设计 . 13 3.1 机舱监控系统的功能与要求 . 13 3.2 结构流程图设计 . 14 3.3 主控模块选择 . 15 3.4 系统组网 . 16 第 4 章机舱监控系统的设计 . 18 4.1 PLC 介绍 . 18 4.2 UPS 选型 . 19 4.3 电缆的选型 . 20 4.4.供电结构 . 20 4.5 变压器选型 . 21 4.6 采集站的设计 . 22 4.7 运行指示灯板 . 22 4.8 延伸报警灯
10、板的设计 . 23 4.9 报警灯板的设计 . 24 第 IV 页 共 39 页 IV 4.10 PLC 模块接线设计 . 25 4.10.1 数字量输入模块 26 4.10.2 数字量输出模块 27 第 5 章 船舶机舱监控软件的设计 . 28 5.1 MCGS 组态软件的功能和特点 . 28 5.2 MCGS 组态软件的系统构成 . 30 5.3 MCGS 监控系统在船舶中的应用 . 32 小 结 . 33 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 34 第 1 页 共 39 页 1 第 1 章 概述 1.1 引言 随着世界经济的一体化和世界贸易的快速发展，船舶在经济贸易中的作用也变的
11、越来越重要了。近年来，现在船用品市场相当的火爆，船舶功能也渐臻完善，自动化的程度也在不断提高，各个不同系统之间的联系也日益紧密，因此对系统的安全性和可靠性的要求也越来越高了。因此，要求船舶需要配备性能齐全、功能强大、技术先进的自动监控装置，以确保船舶各个系统可以协调配合、安全可 靠的运行。 船舶的动力设备主要的集中在船舶机舱，而船舶机舱自动化控制系统是船舶自动化系统中极其重要的组成部分，船舶机舱自动化监控系统主要包括：主机遥控系统、电站自动化系统、机舱自动监测报警系统、安全保护系统等。其中船舶机舱自动监测报警系统是最为重要的设备，是实现“无人机舱”的关键设备。 1.2 船舶机舱自动监测报警系统
12、的发展 二十世纪 50 年代，一些航运发达国家为了降低运输的成本，提出了“船舶自动化”概念，为了实现某些单个系统的自动化，如自动锅炉、自动舵、温度和液位的自动调节、柴油机装置的压力等。因为这个时期尚 未构成一个完整的集中控制系统，所以称为单元装置自动化阶段。 60 年代初，随着电子科技技术的发展，丹麦和日本等国家首先研制开发出船舶机舱集中自动化监控系统，对船舶机舱中的设备实施集中监视、集中控制和遥控，在夜间船舶机舱无人值班。由于那个时代的船舶机舱监控系统主要是采取模拟电子信号的自动化仪表和测量装置，所以这个监控系统称为模拟式监控系统。 而到了 70 年代，随着船舶辅机和主机以及各种自动化设备安
13、全性、可靠性的进一步提高，特别是计算机网络技术的快速发展，因而形成了所谓的“超自动化船”。而这些“超自动化船”则是把计 算机引入了船舶监控系统中，是为了充分发挥计算机控制能力和强大的运算，对船舶机舱设备进行巡回检测和调节控制，形成了所谓的计算机集中监控系统。但是这种结构不够完美，当监控系统出现了计算机故障将会导致整个系统瘫痪，从而导致监控系统无法使用，所以风险也会相对集中。 而 80 年代，随着计算机及其计算机网络通信技术的快速发展，特别是一些微处理器的广泛应用，因而微机在船舶自动化领域的应用也越来越广泛，所以出现了一些集散型微机监控系统，称为分布式多级微机控制系统。它是由可编程控制器 (PL
14、C)、数字调节器以及多个计算机递阶构成 的集中、分散相结合的控制系统。该系统的主要的特点是把以前由一台小型的计算机独自承担的监控任务合理的分成多个小型任务，并由多台微机或控制器分别实现并由各个子系统对各个任务进行的监测和控制。同时，为了便于集中控制管理，还可以通过高第 2 页 共 39 页 2 速微机局域网将各个子系统的主控单元与监控主机互连在一起，实现控制信息的共享。 进入九十年代后，随着科技的发展，现场总线技术也不断完善，现场总线控制系统的应用也越来越成熟，将此项技术应用在船舶机舱监控系统已成为一种必然的发展趋势。由此出现了全分布式系统，此系统主要应用现场总线作为各个子系 统的内部控制网络
15、，并将监控系统大的功能进一步下放，利用智能变送器、智能 I/O 模块、执行器和数字传感器在现场一级实现了控制监控系统的组态，因此大大的提高了现场信息的可信度和可利用度，增强了系统的安全性和可靠性。应用现场总线通信协议，既可以实现船舶监控设备的互操作和互换，又可以使得电站自动化系统、船舶监控报警系统、主机遥控系统等系统之间形成互连，为船舶综合监控系统的实现打下了基础 2。 第 3 页 共 39 页 3 第 2 章 现场总线技术及在船舶中的应用 2.1 现场总线技术介绍 现场 总线是 20 世纪 80 年代末 在 国际上发展形成的， 主要是 用于制造自动化、过程自动化、 楼宇自动化 等领域。它 是
16、一个 工厂通信网络的基础，控制设备 和 沟通了生产过程现场之间的联系。这项以控制、传感、计算机通讯等为主的综合技术，已经成为 现在 自动化 领域 发展的热点。 在全球 许多有影响 而且 实力 雄厚 的公司都在不同程度上 对 现场总线技术 进行了研制和 开发。 但是现在， 现场总线 的 设备 还 处于设备底层，作为工厂基础网 络，要求具有安全性 能 好、协议 容易 、容错 的 能力 较 强、 投资 低的特点 ，要求 具有较高的实时性要求 和 一定的时间确定性 ,还 要具备 负载网络 的 稳定， 现在大 多数 是 信息交换频繁 、 短帧传送等特点。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交
17、换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、工厂、车间、企业乃至世界各地。随着科学技术和信息技术的不断发展，引起了自动化控制系统的变革，逐渐形成了以网络自动化为基础的信息系统。现场总线就是在这一形势中发展出来的新技术 10。 现场总线的应用 现场总 线是一般都是应用在生产现场控制设备之间实现数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个
18、测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 简 而言之，它把单个分散控制的设备变成一个一个网络节点，用现场总线作为纽带，把它们连接成控制系统和网络系统，可以互相沟通数据信息、共同完成各自任务 16。 它给自动化控制领域带来了新的变化，把一些各自分散的计算机网络相互连接在一起，这样使得计算机的作用、功能发生了很大的变化。而现场总线就有这样的功能，它让自动化设备和自动化控制系统具备了相互通信能力，使它们相互连接成网络，从而加入到网络系统中。所有，现场总线
19、技术出现，标志着一个控制技术新时代的开始。 如图 2.1 第 4 页 共 39 页 4 图 2.1 现场总线的应用 由于现场 总线在工业控制系统方面向智能化、分散化、网络化的方向发展，所以它一经过产生实践便成为了全球工业自动化控制技术的热点，备受全世界关注。 现场总线的出现，导致目前生产的集散控制系统 (DCS)、自动化仪表、可编程控制器(PLC)等产品，在功能体系、结构方面面临着变革，自动化控制设备的制造厂家和研发公司也面临产品更新的挑战 13。 2.2 现场总线网络式控制系统 现场总线的出现导致原来自动化控制系统的变革，就形成了网络式控制系统 现场总线网络式控制系统。这是继集中式数字控制系
20、统、基地式气动仪表控制系统、集散 控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统后的一种新型控制系统。 在 20 世纪 50 年代，当时的生产力和生产规模还比较小，检测控制仪器、仪表还处在发展的初级阶段，当时所采用的生产设备一般都安装在生产现场，生产功能简单，只具备简单测控功能，而且所测的信号只能在本仪器的内起作用，不能传输给别的仪器，所有没办法法和外界进行信息沟通，测控人员一般只能通过对生产现场的巡视，从而了解生产过程的一些情况。 随着科学技术的发展和生产力和生产规模的不断扩大，检测人员需要掌握多种运行信第 5 页 共 39 页 5 息和参数，还需要同时对多种信息的实际情 况操作控制，于是就出现了
21、电动、气动系列的仪表组合，出现了监控集中控制室。 生产现场中的各种参数通过统一的模拟数字信号，送往监控集中控制室。测控人员就可以坐在监控集中控制室检测生产流程中各处的实际状况，还可以把各个仪器中的信号组合所需要的控制系统 14。 由于模拟信号的信息传递是需要一一对应的物理连接，信号传递的抗干扰能力也较差，信号变化比较缓慢，计算的精度和速度的难度、开销都很大，所以人们就开始寻求一种用数字信号取代模拟信号，因而就出现了直接数字控制。 新型的现场总线控制系统突破了集散控制系统中 通信是由专用局域网来实现所造成的缺陷，把一些专业的，封闭的解决方案改变成了标准化、公开化的解决方案，就是把来自不同生产厂商的自动化产品设备通过遵守同一协议规范，用现场总线控制系统连成网络，实现各种自动化的功能的综合应用；同时把集散控制集中与分散相结合系统结构，变成了新型分布式结构，把控制的功能彻底下，仅依靠现场智能设备就可以实现基本控制功能 12。 随着控制系统和测控仪器的更新，这些系统的功能、性能也在不断发展。图 2.2 为各阶段测控仪表能力指数示意图。 测控能力指数 现场总线 开发标准 数字 DCS 电动单元 数字 /模拟混合 气动，模拟 模拟 按回路运行 按过程运行 过程优化 管理一体 图 2.2 各阶 段测控仪表能力指数示意图
