1、本科毕业论文（20 届）“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统的分析所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期摘要阀门遥控及液位遥测系统主要用于监控阀门状态和实现遥控操作，同时监控船舶压载水系统、舱底水系统以及船舶吃水及纵横倾状态，测量水舱、油舱液位及温度等。目前，使用 PLC 作为核心控制器，进行阀门控制及数据采集与反馈的阀门遥控及液位遥测系统正得到大力研究和推广。经过对“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统的学习和分析，本论文主要是为了介绍阀门遥控系统的原理、组成及功能；了解阀门遥控系统的分类。另外通过“育鲲”轮辅机舱右后污水井阀 BMV38、机舱低位海水箱通海阀 CMV19 及由阀门遥控引起
2、的 220V 绝缘低等故障，介绍阀门遥控及液位遥测系统中电液驱动头和对 LPUM-S 液压系统进行 MATLAB 仿真分析，并提出单片机为核心的控制器的设计思路。最后对 PLC 控制进行部分程序设计，介绍 PLC 控制系统监控软件 WinCC。关键词：阀门遥控 LPU 故障诊断 MATLAB 仿真 PLCAbstractValve Remote control and level gauging system is used to monitor the valve status and achieve remote operation.In the meantime,monitor the
3、ships ballast water system,bilge water system and the ships draft,vertical and horizontal tilting state, measure tank level,temperature and so on.At present, the use of PLC as the core controller in valve remote control and level gauging system,which is valve control,data collecting and feedback,is
4、being vigorously research and extension.Through the learning and analysis of Yu Kun steamships valve remote control and level gauging system,This thesis is mainly introduce the principle, composition and function of the valve remote control systems,to understand the classification of valve remote co
5、ntrol system.In addition,through the sewage wells valve BMV38 failure in auxiliary engine room,the cabin low level sea water valve CMV19 failure and 220V insulation low which is caused by the valve remote control system,to introduce electro-hydraulic drive head, analyze the LPUM-S hydraulic system b
6、y the MATLAB simulation tools,and promote the design ideas the micro-controller as the core controller,which is used in valve remote control system.Finally,designing of some parts of the PLC program and introduction of PLC control system monitoring software, the WinCC.Keywords: valve remote control
7、LPU fault diagnose MATLAB Simulation PLC 第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 课题的相关技术及发展状况 .11.3 论文的主要内容 .2第 2 章 阀门遥控及液位遥测系统概述 .22.1 阀门遥控及液位遥测系统介绍 .22.1.1 阀门遥控及液位遥测系统的功能 .22.1.2 阀门遥控系统的分类及选择 .22.2 “育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统组成和原理 .42.2.1 阀门遥控及液位遥测系统组成 .42.2.2 阀门遥控子系统及电液驱动头介绍 .42.2.3 液位遥测子系统及传感器简介 .112.2.4 阀门遥控及液位遥测
8、系统的中间控制模块 PLC 及其工作原理 .11第 3 章 基于 PLC 的阀门遥控及液位遥测系统故障分析与诊断 .123.1 阀门遥控系统中阀门电液驱动头的电气及液压分析 .123.1.1 阀门控制的电气分析 .123.1.2 LPUM-S 系统液压原理分析 .173.2 带阀位指示器的开度阀单片机控制器设计 .203.3 阀门遥控故障诊断 .213.3.1 辅机舱右后污水井阀 BMV38 显示“故障”状态的原因分析 .213.3.2 机舱低位海水箱通海阀 CWV19 故障分析 .223.4 由阀门遥控系统引起的 220V 绝缘低报警原因分析 .23第 4 章 系统 PLC 程序设计和通信及
9、软件组态的分析 .264.1 系统 PLC 程序设计 .264.1.1 程序说明 .264.2 系统 PLC 的通信及 WinCC 人机界面技术 .304.2.1 阀门遥控及液位遥测系统 PLC 间的通信 .304.2.2 阀门遥控及液位遥测系统 WinCC 人机界面设计 .31结论 .32致谢 .32附录.液压执行机构 .331“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统的分析第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着航运业的发展以及船舶自动化程度的提高，阀门遥控及液位遥测系统开始得到广泛应用，不仅能减轻船员的工作负担，而且能提高船舶的运营效率和安全。阀门遥控及液位遥测系统主要用于监控阀门状态和实
10、现遥控操作，同时监控船舶压载水系统、舱底水系统以及船舶吃水及纵横倾状态，测量水舱、油舱液位及温度等。目前，使用 PLC 作为核心控制器，进行阀门控制及数据采集与反馈的阀门遥控及液位遥测系统正得到大力研究和推广。“育鲲”轮是大连海事大学投资建造的我国首艘自行开发设计、引进关键设备的专用航海教学实习船，该船采用了目前国际上先进的阀门遥控及液位遥测系统。它使用来自丹麦的 DAMCOS 公司开发阀门驱动和舱柜测量装置，并且基于先进可靠的西门子 S7-200 系列可编程逻辑控制器（PLC）控制技术，属于阀门电液分散控制系统。适用于海上严酷的环境，节省人力、操作可靠，体现了船舶自动化技术的先进性、安全性、
11、可靠性和可扩充性。所以对“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统的研究分析是我们船电专业海上实习的重点，对于今后提高船舶自动化水平、提高船舶营运安全和经济性都有着其重要的意义。1.2 课题的相关技术及发展状况阀门遥控及液位遥测系统中的技术主要包括：电液分散式阀门遥控系统方案设计和开发；阀位指示及液舱参数测量的研究；信号采集与处理技术；电液驱动头的设计制造；模拟器的设计及阀门液压系统的仿真等。阀门遥控及液位遥测系统的核心是电液驱动头与舱柜参数传感器。现在中国市场上有很多阀门驱动器的产品，比如 Greenway 公司的 QT 系列阀门驱动器，它用一个带有可调末端点的光学绝对值编码器替代了传统的机械式末端开
12、关。阀门遥控系统按驱动方式分有液压、电动、气动驱动三种。气动系统管路结构简单，不会对环境造成污染，但气动驱动头较大，不利安装，开关阀速度受气源压力波动影响大等，所以气动式已很少使用。电动式阀门机械效率低，成本高且不能用于浸液的环境，大部分油船、化学品船基本不能选用，所以船舶阀门遥控系统主要是液压方式。目前，液位遥测系统也得到了快速发展。它根据现场传感器采集的电信号，来实现液舱参数的测量。现在船舶不仅要知道液舱的液位，还要随时监测舱内的温度、气体压力、液货密度、重量等参数，和船的压载、吃水、稳性、强度等各种状态以确保船舶装卸与航行的安全和液货质量，对测量精度、系统功能、可靠性都有大的要求。测量液
13、位的方法有多种，主要有压力传感器式、雷达式、浮子式、吹气式以及超声波2式等。目前用于液位测量的方法主要是压力传感器式和雷达式。1.3 论文的主要内容经过对“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统的学习和分析，本论文主要是为了介绍阀门遥控系统的原理、组成及功能，了解阀门遥控系统的分类。详细介绍“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统中的电液驱动头，对液位遥测子系统只进行简单介绍。另外通过“育鲲”轮阀门遥控及液位遥测系统实例，对 PLC 控制进行原理分析。之后对辅机舱右后污水井阀BMV38、机舱低位海水箱通海阀 CMV19 及由阀门遥控系统引起的 220V 绝缘低等故障进行分析诊断，对 LPUM-S 液压系统进行
14、 MATLAB 仿真分析。最后对整个系统进行程序设计和软件组态分析，并提出改进意见,包括阀的单片机控制器的设计，在程序设计中加入阀的安全保护，PLC 间的通信，WinCC 软件的介绍等。第 2 章 阀门遥控及液位遥测系统概述2.1 阀门遥控及液位遥测系统介绍2.1.1 阀门遥控及液位遥测系统的功能阀门遥控及液位遥测系统一般具有以下几个功能：（1）阀门遥控：根据操作人员的要求，实现船舶阀门、泵等设备的遥控操作，并能实现阀门状态监测，实时显示遥控阀门的开关状态，对有开度控制要求的阀门除开度指示器外，还要实现阀门开度在计算机等终端上的显示。（2）液舱遥测：随时监测各个液体舱室的液位、温度、气体压力、
15、油舱油液密度等变化情况；自动测量船舶吃水、吃水差、横倾等数据。实现报警和参数的监测如液位、压力、温度、装卸率以及比重。实时计算船舶当前装载条件下船舶吃水、船体重心、船体稳心、排水量等各种稳性数据。并能模拟计算船舶各种装载状态下的稳性数据，实现抗横倾，压载水平衡等功能。（3）故障检测：显示系统的各种数据信息和报警信息，检测硬件设备和各输入输出设备，当发生故障时，该系统能指示有关信息，供维修人员参考，也可以模拟故障树，在人机交互界面上就能进行故障的定位。2.1.2 阀门遥控系统的分类及选择阀门遥控系统按驱动方式可分为液压、电动、气动驱动三种，气动系统管路结构简单，不会对环境造成污染，但气动驱动头较
16、大，不利安装，开关阀速度受气源压力波动影响大等，所以气动式已很少使用。电动式阀门机械效率低，成本高且不能用于浸液的环境，大部分油船、化学品船基本不能选用，所以船舶阀门遥控系统主要是液压方式。根据液压系统的不同构成主要分为阀门液压集中控制系统和阀门电液分散控制系统。（1）阀门液压集中控制系统阀门液压集中控制系统一般由控制台、液压泵站、电磁阀组、液压执行机构等部分组成如图 2-1-1 所示。该控制系统中所有阀门的开闭采用集中控制，均由液压泵站提供的液3压油实现，控制管路长而且复杂，容易漏泄，造成污染。另外无论操作哪个阀，都需要启动液压泵，造成能量损失，如果泵站出现故障，整个系统都将无法工作。控制台
17、电磁阀箱液压驱动头船舶各个阀门液压泵站电缆电缆液压管液压管图 2-1 阀门液压集中控制系统组成图（2）阀门液压分散控制系统系统一般由监控计算机、PLC、MIMIC 控制面板、电液驱动头、阀门等组成。由计算机、MIMIC 面板等控制设备发出控制指令，控制电液驱动头中的电机或者电磁阀，进而改变液压油流向，通过执行机构达到阀门开闭的目的。同时，阀位由微动限位开关将阀门的实际状态反馈至上层控制设备，通过指示灯、计算机等显示阀位状态。 监控计算机通讯网络P L C 控制柜M I M I C 面板继电器模块 MMA B电液驱动头阀位及故障反馈图 2-2 阀门电液分散控制系统组成图42.2 “育鲲”轮阀门遥
18、控及液位遥测系统组成和原理2.2.1 阀门遥控及液位遥测系统组成“育鲲”轮的阀门遥控及液位遥测系统能实现阀门遥控、液位遥测、油舱温度、压载水测量等多种功能，应用在船舶压载水系统、舱底水系统以及各个燃油舱上。主要由就地艏测量控制柜、艉测量控制柜、液位遥测及阀门遥控控制台、计算机工作站和驾控台遥控板等组成。由系统结构图 2-3 可以看出是三级结构：阀门电液驱动头及传感器单元、中间控制模块 PLC、计算机工作站及 MIMIC 面板。2-3 阀门遥控及液位遥测系统结构示意图2.2.2 阀门遥控子系统及电液驱动头介绍阀门遥控是由计算机、MIMIC 面板等控制设备发出控制指令，输出开或关的“1”信号；控制
19、电液驱动头中的电机和电磁阀，电机驱动液压泵产生一定压力的油压；一种是经过换向电磁阀进而改变液压油流向，另一种是正反转工作的电机改变油流向；通过执行机构，一种是普通的液压缸，产生往复运动，用于直接开关截止阀，一种是齿轮和齿条的液压缸，可以产生旋转运动，用于开关蝶阀，达到阀门开或闭的目的。电液驱动头上有阀位指示器，而且阀位信号送 PLC，除控制计算机显示和 MIMIC 面板指示灯，还控制 PLC 的输出驱动电磁阀控制电机和电磁阀等。电液驱动头是将电机、液压泵、阀门位置指示等集成在一起，组成小型的独立电液驱动头，装在每个遥控阀门上，由电信号直接控制电机正反转或者电磁阀通位来控制阀门的开关。液压系统可
20、以采用集成油路，可以省去管路的连接和接头，降低系统的复杂性，增5加现场添加和更改回路的柔性，具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、震动小、利于实现典型液压系统的集成化和标准化等优点。“育鲲”轮所采用的是 DAMCOS 公司生产的阀门电液驱动头，其动力模块主要有以下两种形式：（1）LPU（2）LPUM。 （1）LPU LPU 是电液集成系统，用于阀门以及执行机构的遥控，直接安装在阀门执行机构上，在船舶领域得到广泛应用。LPU 由变量液压泵、驱动液压泵的电容分相的单相异步电机以及一些阀门功能模块组成，可以通过降低可变容积式泵的流量来改变阀门执行机构的运转速度，同时电机消耗的功率也会降低。LPU 主要
21、分两种型号：LPU-S 和 LPU-D。它有三种电气控制方式，包括电力控制、PLC 控制、P-NET 总线控制。下面是蝶阀（BRC型执行机构）全开和全关的运动过程。图2-4 蝶阀（ BRC型执行机构）全关至全开的运动过程6图2-5 蝶阀（ BRC型执行机构）全开至全关的运动过程LPU 系统运行持续时间可以由执行机构的排油量计算得到，LPU-S 和 LPU-D 可以手动实现液压油流量的调节，前者调节范围是 180750ml/min，后者调节范围是2401000ml/min。不同型号执行机构对应的最小运转持续时间可以通过公式：运转持续时间 满行程排油量/液压油流量60 sec.计算出。（A）LPU
22、-S LPU-S 用于控制单作用弹簧关闭式执行机构。通过建立的油压克服弹簧弹力，实现阀门的开控制，而通过弹簧复位实现阀门的关闭，图 2-6 是 LPU-S 系统的液压原理图。图 2-6 LPU-S 系统液压原理图7当要打开阀门的时候，电机（10）起动，液压油经过泵（14） 、止回阀（17） ，直接到达液压执行机构的 B 口。为了防止液压油流回油箱，电磁阀（16）通电。当阀门达到全开位置，压力升高至 150bar，使泵的安全阀（7）开启，液压油流回油箱。控制电机断电，液压执行机构通过电磁阀锁在当前位置。 为了防止因温度较大的升高引起的压力升高，设有安全阀（8） ，当压力达到 225bar 时，安
23、全阀开启。通过切断电机电源，阀门可以停在任何中间位置。当阀门在全开状态下，压力开关将会检测到因为泄漏或者温度波动而引起液压油压力降低，此时电机通电几秒，以保持油压，防止阀门偏移全开的位置。整个过程是自动运行的。 关闭阀门时，电磁阀断电，通过弹簧弹力作用在液压执行机构上，液压油经过液压执行机构的 B 口、节流阀（13） 、电磁阀（16）流回油箱。在应急情况下，可以通过快速接头，外接手动泵，实现阀门的开关操作。（B）LPU-D LPU-D 用于控制双作用式液压执行机构。需要通过液压实现阀门的开启及关闭，图 2-7是 LPU-D 系统的液压原理图。 MA B旁 通 阀 81 0 手 动 泵 快 速
24、接 口执 行 机 构 安 全 阀 6手 动 泵 快 速 接 口 7液 控 单 向 阀 （ 关 闭 ） 5压 力 开 关 4电 机 31 1 执 行 机 构 安 全 阀1 2 液 压 油 柜 注 入 阀1 4 电 磁 阀1 5 液 压 泵 安 全 阀1 7 变 量 液 压 泵2 吸 入 滤 器1 液 压 油 柜图 2-7 LPU-D 系统液压原理图当电机和电磁阀有电时，液压油从油箱中吸出，通过可变容积式液压泵吸入口滤器、经泵产生高压油，经过电磁阀、液控单向阀（13）到达液压执行机构 B 口。在液压油压力作用下，阀门开启。液压油又经过 A 口、液控单向阀（5） （此时在 B 端压力作用下开启） 、
