基于PLC的船舶主机遥控系统的设计

山东交通学院毕业设计（论文）1前 言上世纪五十年代以来，船舶自动化技术经历了由轮机当班人员在机旁依照驾驶台指令操作的本地控制、采用机舱集控室的集中控制、机舱无人值班船舶到属于全自动化以节能为中心的网络型的发展过程。也就是在这个发展形势下，主机遥控系统应运而生并发展迅速。因为世界主要造船国家船级社已把主机遥控系统作为“无人机舱”规范中不可缺少的部分。随着船舶自动化水平的不断提高，船舶主机遥控技术发展也很快，近几年下水的船舶主机遥控系统几乎全部采用微机控制，它的主要特点是采用微型计算机用软件编程的方法，代替了常规硬件电路的逻辑和数字运算功能。而目前设计采用微机控制的遥控系统主要有两种方案：一是采用专用或通用工业控制微机，如西门子 DIFA 系列微机主机遥控系统，挪威康士伯的 Auto chief 系列微机主机遥控系统，国内有交通部上海船舶运输科学研究所研制的 CY8800 型微机主机遥控；另外是采用可编程序控制器，如西门子 SIMOS RCS51 型号 PLC 柴油主机遥控系统，但国内还没有推广应用的 PLC 主机遥控系统正式成熟产品。因此，利用可编程序控制器为控制核心开发中速主机遥控系统，也具有广阔的市场应用前景。可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称 PLC)是在六十年代后期和七十年代初期问世的，是面向用户的电子计算机，能用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制功能，一度成为工业自动化领域的三大支柱。PLC 的主要特点和优势体现在：1.灵活性可编程控制器的出现，电气工程师不必为每套设备配置专用控制装置，硬件设备可以采用相同的可编程控制器，只编写不同应用软件即可，这样，能满足所控制生产流程频繁变化的要求。而且，可以用一台可编程序控制器控制几台操作方式完全不同的设备。可编程序控制器为原设计的改进和修订提供了极其方便的手段，大大缩短了更新时间。2.成本低、可靠性高可编程序控制器提供的继电器触点、计时器、计数器、顺控器的数量与实际数量的继电器、计数器、顺控器相比要便宜的多。在硬件上采取光电隔离、滤波等技术，软件上采取自诊断等技术，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。3.构成简单，使用方便可编程序控制器采用模块化结构，用户只要根据被控系统输入/输出信号的性质及点数多少，选择相应的模块，很容易构造出需要的控制系统。4.可维护性好王凯：基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计2可编程序控制器由各种功能模块组合而成，这样，一旦出现故障，系统的自检功能将指出故障部位，维修人员便可方便地更换模块，使维修时间降低到最低程度。同时，亦大大压缩了备件库存。5.模拟调试可编程序控制器能够对被控制对象在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试时间，不需在现场花费大量时间进行调试。6.强大的通讯能力目前，世界上各大可编程序控制器生产厂家生产的 PLC，均可通过通讯处理模块或通讯处理卡组成网络，或连接到现场总线，以满足现代规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的工程大系统的控制要求 1。随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通讯技术等的发展，PLC 在技术和功能上也发生了巨大的飞跃。在初期逻辑运算大基础上，增加了数值运算、闭环调节功能，增加了模拟量和 PID 调节模块；运算速度提高，CPU 的能力赶上了工业控制机算机；通讯功能的提高发展了多种局部总线和网路（LAN ） ，因而也可构成一个集散系统，特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中。正是由于 PLC 技术的不断发展，使其更多的应用于船舶设备的控制中来，发挥其适应恶劣环境、线路简单、程序容易修改的优点，实现船舶的自动化控制，它在主机遥控系统中的应用优势一定会成为新时期发展的焦点。本文针对不可倒转中速柴油机，减速可逆齿轮箱和固定螺距桨组成的船舶推进系统，设计一套以可编程序控制器为核心的主机遥控系统。具体完成的内容和工作有：1.中速机主机遥控装置功能设计，主要包括操纵方式及操纵方式转换功能，换向及逻辑控制功能，程序调速功能，安全保护和故障报警功能，系统故障检测，参数修改功能等。2.系统硬件设计，主要包括机旁控制箱、主控箱、集控驾控信号板的硬件电路设计，以及外围模块和输入输出断线检测模块的设计。3.系统软件设计，本文主要对控制方式的选择、起动、应急倒车、转速信号发送速率限制、临界转速回避等利用 STEP7 5.3 版本进行了 LAD 编程。山东交通学院毕业设计（论文）3王凯：基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计41 船舶主机遥控系统的基本技术要求1.1 概述主机遥控系统是指对主机进行远距离遥控，也就是把主机的操纵地点从机旁延伸到了集控室和驾驶台，主机遥控系统是实现无人机舱的必要条件之一。主机遥控系统根据操纵场所的不同来划分，可分为机旁、集控室、驾驶台三种操作方式，驾驶人员可用车钟通过电子逻辑系统和气动系统直接操纵主机，也可以利用转换开关转到集控室遥控。一般在正常情况下，使用驾驶台遥控方式，当驾驶台自动遥控系统发生故障时，就转到集控室遥控，若集控室遥控系统也发生故障，还可以转到机旁进行应急操纵。1.2 主机遥控系统中的起停控制主机遥控系统中的起停控制主要包括：起动控制、重复起动、慢转控制。船舶主机对起动控制的要求如下：（1）发出起动指令（2）换向结束，即凸轮轴位置与车令一致（3）盘车机必须脱开（4）开始起动时油门必须关闭（5）船舶主机转速必须低于正常起动速度（6）无三次起动失败或者说在允许的起动时间内（7）主机转向正确，即主机运转方向与车令一致重复起动：车钟手柄扳到起动位置后，由于某种原因，可能使主机第一次起动不成功，这时系统应能自动的进行多次起动。有的遥控系统允许三次起动，有的允许四次起动。在三次或四次起动失败后，系统不能在进行起动操作，发出报警信号，待查明原因或故障排除后，才可以重新起动。慢转控制：如果主机停车时间较长(一般指超过 30min)，则在下次起动主机时，应首先使主机低速旋转一圈，然后再转入正常起动，或者电源切断后恢复供电，也应该先低速慢转一圈，其目的是对主机进行润滑和故障检测。这种使主机以低速旋转一圈的运动，叫做慢转。在应急操作情况下，可以取消慢转控制 2。1.3 船舶主机的转速控制电子调速器主要是由 P1 调节器组成，因其输入、输出都是电压信号，所以电子调速器输入部分的设定值发送器、设定值限速器以及加速限制器等均用电路来实现，而其输出则必须通过执行器去控制主机的供油量，如图 1.1。山东交通学院毕业设计（论文）5图 1.1 电子调速系统框图Fig.1.1 the principle chart of electronic timing system1.4 遥控系统中的限制环节船舶主机遥控系统中的限制环节主要包括以下几个方面：1.临界转速限制在主机遥控系统中，当车令转速落在临界转速时，应避开临界转速区。方法主要有二种，本系统运用当前最为广泛的一种。当车令转速落在临界转速范围内靠近下限时，将主机转速限制在临界转速下限以下；当车令转速落在临界转速范围内靠近上限时，以最快上升速率将速度通过临界转速区限制在上限以上不变，如图 1.2。图 1.2 临界转速控制Fig.1.2 acceleration limited curve figurenH100%70%65%t转速指令避让后的指令临界转速I/P 变换器S测速装置设定值限定器加速度限制器PI调节器UI变换器电液执行器E主机王凯：基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计62.最大、最小转速限制正车最大限制转速是额定转速。当车钟指令大于正车最大转速时，就受到正车最大转速电位器的限制。紧急操作指令通过逻辑电路解除最大转速限制，直接由电位器控制。3.故障减速和故障停车为了保护主机安全运行，避免损坏，根据主机发生的故障情况，分别采取减速或者停车措施进行处理。当发生滑油温度高、气缸和活塞冷却水温度高、废气透平温度高、曲柄箱油雾浓度大、废气锅炉有故障等不正常情况时，应发出故障减速信号。当故障排除后，利用集控室操纵台上的复位按钮复位，即可以解除故障减速限制。当发生滑油压力低或气缸、气缸冷却水低于允许值时，不允许主机继续运行，应由故障停车电路经短时间延时，使转速给定值降到零，主机便断油停车。4.负荷程序限制负荷程序限制的限制值从 80%nH 增加到 100%nH。如图 1.3 为负荷限制器程序曲线图：图 1.3 负荷限制程序曲线图Fig.1.3 load limited program curve chart5.加速速度限制器加速度限制器应满足以下要求：（）把车钟指令信号变成斜坡信号。（）根据主机不同工况不同热负荷要求用不同的速率发送。n%1008040 非负荷限制区负荷限制区山东交通学院毕业设计（论文）7图 1.4 为加速限制曲线：图 1.4 加速限制曲线Fig.1.4 acceleration limited curve figure100%50%t快速：半速以下增速快速：减速、停车最快速；起动、紧急慢速：半速以上增速王凯：基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计82 主机遥控系统总体功能设计2.1 系统的结构设计系统主要包括遥控操纵台、主控制箱、机旁操纵箱和操纵位置转换装置等组成。遥控操纵台包括驾驶室遥控操纵台和集控室遥控操纵台，遥控操纵台主要由车钟和遥控信号板组成。可编程序控制器(PLC)接受车钟指令，检测主机和齿轮箱的相关状态信息，运行相关的程序，通过 E-P 接口和开关量输出接口实现对主机的调速及齿轮箱的操作控制，并进行报警及状态显示。通过设置在集控室的文本显示器可进行参数修改及特定参数的显示。另外，为了充分利用可编程序控制器（PLC） “软件”资源，使系统的硬件结构简洁和提高系统可靠性，辅助车钟的信号由 PLC 编程实现 5。2.2 系统主要功能设计系统的设计依据主要有：船用中速柴油主机遥拧装置技术规格书 钢质海船入级与建造规范船舶与海上设施与电气电子设备型式试验指南船舶主机遥控系统的设计功能主要体现在以下五个方面：2.2.1 操纵方式及操纵方式转换功能系统设置驾驶室遥控、集控室遥控和机旁操纵三种操纵方式。驾驶室遥控：在驾驶室用操纵手柄直接控制齿轮箱按设定的程序换向和控制主机按给定的加速和减速程序调速；集控室遥控；在集控室根据车钟指令用操纵手柄直接控制齿轮箱按设定的程序换向和控制主机按给定的加速和减速程序调速；机旁操纵：操作人员根据应急车钟指令在机旁操纵主机起停和调速，在机旁控制箱直接用选择开关来操纵齿轮箱换向；各种操纵方式互相连锁，在同一时间内只允许一种操纵方式有效，其中机旁操纵级别最高。手动/遥控转换开关设置在机旁控制箱上，集控 /驾控转换设在集控室操纵台上。2.2.2 换向及逻辑控制功能换向控制过程中，能处理换向和调速、换向逻辑连锁关系，同时区分正常换向和应急情况下的换向，从而正确执行换向操作。低速脱排：主机在离合器脱开过程中，油门降至最低；当主机转速降低到设定的脱排转速时自动脱排：定速合排：离合器合排时，主机转速维持在设定的转速上；山东交通学院毕业设计（论文）9加载连锁：系统在合排成功才能进行加速；顺倒车互锁：在顺、倒车操作过程中，程序中应设计了互锁逻辑，保证不会产生离合器顺、倒车油压同时存在的可能。2.2.3 程序调速功能系统根据给定的加速速率和减速速率进行无级调速控制，调速特性如图 2.1。所有的参数均可独立定义和修改，改变转折点的速度设定值 N 和加速时间 T，便可改变各段范围的设定和加速速率的设定。图 2.1 调速特征曲线Fig.2.1 speed curve of engine figure正常操纵时主机会按图 2.1 曲线 1 运行：如果车钟从零位直接扳到正车全速运行位置，系统按 N 怠 N1、N 1Nmax 两段分别以两段加速率控制主机加速，如果车钟从高速直接扳回低速，系统按 NmaxN 、N N 怠 两段分别以两种加速速率控制主机转速。当车钟手柄从正车直接扳到停车或倒车位置时系统将按图 2.1 曲线 2 控制主机以较快的速率减速到 N3，接着直接控制主机油门至最小，进行脱排或换同操作。应急状态时会按图 2.1 曲线 3 运行，系统按 N 怠 4、 4N max 以快速率加速；T6T3312T1NmaxN4N1N2N3N 怠N 脱N 怠N 合T2 T4 T5 T7T8T9王凯：基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计10对于应急换向，主机不按图 2.1 曲线 2 减速而直接控制主机油门至最小，然后进行脱排换向操作。对于应急停车，系统直接控制停车电磁阀停油、停车。2.2.4 安全保护和故障报警功能故障减速：当出现主机滑油压力低或淡水温度高时，遥控系统控制主机减速至设定的转速，并发出故障声光报警。排除故障，按下故障减速按钮复位后，系统重新进入正常调速程序运行。故障停车：当出现主机超速、主机滑油压力过低、淡水温度过高和齿轮箱滑油压力低时，直接控制主机停车电磁阀实现停油、停车，并发出故障声光报警。故障停车后，系统必须在手柄回 STOP 位才能重新启动。应急停车：在驾驶室或集控室手动按下“应急停车”按钮，直接控制停车电磁阀动作，实现停油、停车，并发出故障声光报警。应急停车后，系统必须在手柄回 STOP位才能重新启动。应急操纵：在集控室或驾驶室任一地按下应急操纵按钮，另一地“应急操纵”指示灯闪、蜂鸣器响，只有两地应急操纵按钮都按下，才能消声消闪。系统处应急操纵状态，则取消故障减速和故障停车功能，柴油机按应急加速和应急换向程序运行 3。2.2.5 系统故障检测当系统出现下列情况时，驾驶室和集控室发出“系统故障”声光报警，系统将自动保持主机和齿轮箱状态，闭锁遥控功能，此时，必须转至机旁操作才能操纵主机。可以用确认按钮消声消闪，当故障消除后， “系统故障”指