1、本 科 毕 业 设 计船舶应急发电机联锁控制所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要根据船舶应急电站与主电站的关系以及对应急电站的控制要求，在主电网和应急电网、主配电板开关、联络开关、应急发电机组的硬件基础上，自主设计基于 PLC 及其控制软件代替传统接触器（继电器）的应急发电机自动控制系统。船舶应急电源的性能指标是衡量船舶在各类工况下安全可靠运行的重要指标之一。在主电网失电的情况下，船舶应急电站自动控制系统性能的好坏直接关系到应急发电机组启动、投切的准确性与快速性。在早期的船舶上,应急发电机的控制系统主要采用继电器的控制方式,中间继电器
2、、时间继电器运用较多,而功能简单、体积大,接线复杂,维护困难,造成整个系统的可靠性较差,与当前的 PLC 控制系统相比显得较为落后,所以对继电器控制的应急发电机控制系统进行 PLC 改装有一定的实际意义。为了实现船舶应急电站反应的快速性与准确性以及自动控制，本文设计了一套符合规范要求的应急电站自动控制系统。该系统选用西门子公司生产的 S7-200 系列 PLC，设计船舶应急发电机组的自动起动、自动停机、应急发电机主开关的自动合闸等控制。关键词： 船舶 ；应急发电机 ；PLC ；自动控制IIIAbstractAccording to the relationship between emerge
3、ncy power station and main power station and the control requirements of the emergency power station, based on the hardware of the main grid and emergency power grid, the main switchboards switch, contact switches, emergency generator, we design emergency power station automatic control system based
4、 on PLC and control software instead of traditional contactor (relays) independently. The ship emergency power performance index is the one of the important indexes in various conditions ships safe and reliable operation. When the main grid loses electricity, the performance of the ship emergency po
5、wer station automatic control system is directly related to emergency generator startup, throwing cut the veracity and quickness. In the early days of ships, emergency generator control system mainly adopts the control mode of relays, mostly intermediate relays and time relays, with simple function,
6、 big volume and wiring complex, maintenance difficulties, causing the whole system reliability is poorer, but current PLC control system compares appear relatively backward, so to relay control of emergency generator control system has certain practical PLC refitted significance. In order to realize
7、 the quickness and reaction accuracy of ship emergency power station as well as the automatic control, this paper designed a set of the emergency power conform to the standard of automatic control system. This system chooses Siemens products; the series of PLC is s7-200, designing the emergency gene
8、rator automatic starting, automatic stop, emergency power machine Lord switch control automatic off of ship. Keywords: shipping; Power grid; Emergency power station; PLC; Automatic control IV目 录前 言 .1第 1 章 绪论 .21.1 课题意义 .21.2 船舶电气自动化大背景 .21.3 可编程控制技术的现状 .31.4 可编程控制技术的发展趋势 .31.5 船舶电站 .41.6 船舶发电机自动化控制
9、的背景、意义及国内外发展现状和发展趋势 .51.7 PLC 在船舶发电机自动化中应用的可行性 .6第 2 章 船舶应急电力系统 .72.1 船舶应急电力系统概述及应急电站的基本要求 .72.2 应急发电机组及应急发电机容量的确定 .82.3 应急发电机与主发电机的联锁关系 .92.4 应急电站的功能及其实现 .10第 3 章 应急发电机自动控制系统的程序设计 .123.1 选用 PLC 的原因及选型 .123.2 应急发电机的控制程序 .143.3 安全保护程序设计 .153.4 停机程序设计 .16第 4 章 PLC 控制系统的可靠性研究 .174.1 控制系统中主要干扰类型 .174.2
10、PLC 系统中干扰的主要来源 .174.3 硬件抗干扰措施 .184.4 软件抗干扰 .19总 结 .21致 谢 .22参考文献 .231前 言随着航运业和造船业的迅速发展，船舶正朝着大型化、自动化方面发展，因此船舶电气自动化设备越来越多，也越来越先进、复杂。因此，要求必须跟上时代的发展，不断提高对船舶电气设备的革新。而根据国际海上人命安全公约 （SOLAS 公约）和中国船级社(CCS)钢质海船入级与建造规范 （以下简称规范 ）关于应急电源设置及供电时间的规定，远洋货船多设置有应急发电机，以便在船舶主电源失效时向规范所规定设备供电，确保船舶安全。本文主要通过对 PLC 的了解、学习和自己的理解
11、，对传统船舶应急电站的联锁控制进行改变，利用 PLC 的种种优势，取代传统继电器的使用。本文经过对 PLC 的现状，发展趋势，和优点来说明为什么要选择 PLC，同时也可以更清晰的了解 PLC。除此之外，本文还介绍了船舶电站的相关内容，从而对其控制进行研究。随着对 PLC 的了解和深入研究，进而对船舶应急发电机联锁控制程序的拟定和探讨研究，把 PLC 真正应用进去。2第 1 章 绪论1.1 课题意义中国船级社钢质海船入级规范规定， “客船及 500 总吨以上的货船在一般情况下均应设有应急电源。应急电源必须独立于主电源，根据具体情况，船舶应急电源可采用应急发电机组和应急蓄电池组或两者兼备。作为应急
12、电源使用的发电机称为应急发电机” 。当船舶主电源因故中断供电时，由应急电源继续向重要设备供电。应急柴油发电机组是应急电源设备中重要的一种，对保证用电可靠性，保障船舶上的生命和财产安全起着重要的作用。船舶应急电站及其自动控制系统的性能指标是船舶运行安全性与可靠性的重要指标之一，其性能的好坏直接关系到船舶在主电网失电情况下的生存能力。其中船舶应急电站自动控制系统在应急启动、快速供电这一过程中扮演重要角色，其性能的好坏直接关系到应急发电机组起动的准确性与快速性。1.2 船舶电气自动化大背景随着我国船舶工业的电气自动化程度、性能和技术水平已有了很大程度的提高，不少设备通过引进、消化、吸收国外先进技术，
13、亦已达到了国际先进水平。随着我国科技竞争力的提高，船舶自动化技术势必有不少新的突破。船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展，船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等一体的多功能综合系统，该系统通常由两个工作母站、若干个分控制系统及若干个工作分站组成。通常一个工作母站设在机舱控制室，另一个设在驾驶室。两个工作母站完全独立，可同时或单独操作，并互为备用。分控制系统将根据船舶种类和自动化程度而定，如主机遥控、机舱检测报警、电站管理、泵阀控制、液位遥测和压载控制、冷藏集装箱监控、自动导航等。所有工作母站和分控制系统采用高速传输技术组成一个综合网络系统，在网络上根据需要
14、连接一定数量的工作分站，以达到在船舶重要部位对各设备进行监测和操纵等目的。同时，其工作分站可以作为一个窗口，与船舶对外通信设备联网，借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段，执行岸与船、船与船之间对话，进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动，从而最大程度提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。21 世纪将会有越来越多的新建船舶配套船舶综合自动化系统，用计算机进行全船智能管理，保证安全、经济地操作。船舶电气自动化系统发展的趋势，系统监控的综合化由于电气设备已经日趋通用化、计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。数
15、字化技术和总线技术应用已经相当成熟，现场总线是一种互联现场设备(或模块)与控制系统之间的双向数字通信网络。采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网，如：推进系统、管道系统、电力监控系统等独立于网。通过系统的网络化，功能3上集各子系统之众，从可靠性出发又是一个分布式系统；在数据采集和控制平台上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作；采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强；具有图像控制功能，人机界面和对话效果。网络系统的优势在于
16、采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率。有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。船舶电气自动化领域展望机电一体化使学科互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解，人工智能和模糊技术的应用使船舶电气自动化领域更加宽广，必将会对造船和航运业带来重大变革。新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，船舶设备将会进一步向高可靠、性能型发展，将会对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革。可编程序控制器和单片机将逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控
17、系统分散型微机监控系统集散(分布式)多级、多微机监控系统网络型(智能式)计算机监控系统。而这些技术的发展会使船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸，船舶电气化程度的提高对船舶航行和安全有着重大影响。1.3 可编程控制技术的现状可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称 PC 或 PLC,是 60 年代末发明的工业控制器件,是美国数字公司为美国通用公司研制开发并成功应用于汽车生产线上,可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC 软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制
18、技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC 已经成为真正的工业控制设备。由于 PLC 是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型 PLC 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。1.4 可编程控制技术的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化
19、愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将 PLC 理解为开关量控制的时代已经过去，PLC 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC 将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下：1. 可编程控制技术的标准化在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外,更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证
20、了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的 PLC4产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。2. CPU 处理速度进一步加快目前 PLC 的 CPU 与微型计算机的 CPU 相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486 一级。将来会全部使用 64 位 RISC 芯片，实现多 CPU 并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样 PLC 执行指
21、令的速度将达到纳秒级。3可编程控制技术的智能化提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。4系统的开放性和兼容性开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品
22、兼容性也代表了可编程控制产品的水平。5.通用性和专业化的结合可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢？硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。6.可靠性进一步提高随着 PLC 进入过程控制的领域，对 PLC 可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有 CPU 单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/O 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，
23、系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF（平均无故障时间）是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其 PLC 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。7.控制系统分散化根据分散控制、集中管理的原则，PLC 控制系统的 I/O 模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主 CPU 进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。8.控制与管理功能一体化为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC 将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使 PLC 系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。 1.5
24、 船舶电站船舶电站是船上重要的辅助动力装置，供给辅助机械及全船所需电力。它是船舶电力系5统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的。 发电机组是把化学能转化为电能的装置，是船舶电站最重要的装置。发电机组发出的电力是通过配电板来进行控制及分配。带动发电机运转的原动机一般为柴油机、汽轮机或燃气轮机，相应的发电机组称为柴油发电视组、汽轮发电机组或燃气轮机发电机组。 蒸汽机船上的发电机组由蒸汽机驱动（有时用小型汽轮机驱动） ，但容量较小，以供照明电源为主。在汽轮机船上，发电机组由汽轮机驱动，为全船电气设备提供电源。这种汽轮发电机
25、组大部已系列化，容量从 500 千瓦到 2500 千瓦不等,可以自由选择。在柴油机船上，有23 台发电机组，由单独设置的中速或高速柴油机驱动。容量据全船电动机械设备的数量确定，普遍采用 400 伏三相交流电,频率有 50 赫兹和 60 赫兹两种。 为使船舶在各种不同工况下，如航行、作业、停泊、应急等情况下，都能连续、可靠、经济、合理地进行供电，船舶上常配置多种电站，主要有以下几种： （1）主电站，正常情况下向全船供电的电站。 （2）停泊电站，在停泊状态又无岸电供应时，向停泊船舶的用电负载供电的电站。 （3）应急电站，在紧急情况下，向保证船舶安全所必需的负载供电的电站。 （4）特殊电站，如向全船
26、无线电通讯设备（如收发报机等） ，各种助航设备（雷达、测向仪、测深仪等） ，船内通讯设备（如电话、广播等）以及信号报警系统供电的电源。这类用电设备的特点是耗电堡不大，但对供电电源的电压、频率、稳压和稳频的性能有特殊的要求。因此，船上有时需要设置专门的发电机组或逆变装置向全船弱电设备或专用设备供电。1.6 船舶发电机自动化控制的背景、意义及国内外发展现状和发展趋势随着控制理论、数据处理、人工智能等技术的飞速发展，计算机控制技术越来越广泛的应用于船舶领域。船舶的运行管理也越来越向人员少、自动化程度高的方向发展。国外的船舶自动化已逐步发展到无人驾驶机舱，该方面的研究主要集中在单元自动化方面。目前我国
27、建造的各种远洋船舶中，基本上是引进国外的成套监控设备，国内的船电自动化系统总体上还处于研究阶段，只是在局部环节正在开始定型，尚不具备全面投入使用的能力。因此我们对船舶电站自动化进行研究有很重要的意义。现在，新造船舶应急发电机自动控制系统大多采用 PLC 与网络组合的控制方式。在船舶应急发电机自动控制系统设计方面，我国船舶领域相关研究单位也开始进行了大量的研究工作，某些研究成果已在实船是上应用，但是与国外同类产品的性能指标相比，还处于相对劣势地位。随着科学技术的不断发展，船舶配套产品正朝着高效率、自动化与智能化、集成化、模块化、长寿命、无污染、小体积、安全可靠的方向不断发展。船舶应急电站主要发展
28、趋势：(1)应急发电机成套设备的模块化船舶应急发电机的配套产品以菜单形式提供给用户，用户可根据自己的需要进行合理组合。这种菜单式组合的做法是基于电站设备已实现集成化设计、模块化制造，而且各分级产品都以标准化接口进行组合拼装。在监控软件编制方面，可以用参数设置来进行适应性转化，而不必重新修改软件程序。(2)应急发电机智能化6现在所谓的智能化，不单指设备个体的智能化，更主要的是指电站整体功能的智能化。现在的大部分工业设备本身已经通过采用工控元件可对设备内部工作状态进行监测和报警处理，但就船舶应急电站整体而言，应该从更上层的系统运行角度对各个设备之间进行控制。如果再通过整船监控系统连入互联网络，就可
29、以实现陆基的专家诊断系统进行远程诊断、维修，甚至在特殊情况下可实现陆基远程控制。这些都是智能化的发展方向，国外高度智能化船舶已实现单人船桥和远程专家诊断。1.7 PLC 在船舶发电机自动化中应用的可行性传统的控制方式是使用大量的继电器，而对一个复杂的包括很多执行元件的控制系统必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用 PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是 PLC 的内部寄存器，在 PLC 编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的 PLC 都有上百点内部辅助继电器甚至更多
30、，且还有多种专用的内部继电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对 PLC 进行编程。事实上 PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。使用 PLC 还有另外一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合。且 PLC 与其他工业控制系统比较具有许多优点：1) 更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动；2) 程序可以复制，批量生产很容易；3) 电气硬件设计大大简化；4) 由于 PLC 除有继电器功能外,尚有多种其它功能，比如数学计算等，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；5) 可靠性高；6) 成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而 PLC 控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；7) 具有扩展单元或扩展模块，当需要较多 I/O 时可以方便地扩展。通过以上的分析比较，我们决定采用 PLC 控制系统。
