（控制理论与控制工程专业论文）船舶主机控制系统的设计与研究.pdf

中文摘要 摘要 随着船舶网络化和智能化的不断发展，船舶一体化程度越来越高。本论文着 重研究了整个船舶一体化控制网络下的一个分支系统一船舶主机控制系统。该系 统以同本k a n a s a s h i 生产的s n o 12 20 型主机为研究对象，采用分布式结构， 使监视、管理和控制集于一体，成功的实现了主机控制系统的各种功能，同时将 模糊规则参数自整定p i d 控制算法应用于主机调速环节，大大提高了主机调速的 品质，使船舶航行更加安全和快捷。 在系统的监视管理部分，主要实现主机运行重要数据、实时曲线、历史曲线、 主机状态和实时报警信息的显示以及控制参数、报警限值的设置等功能；在控制 部分，采用s 7 3 0 0 p l c ( 下位机) 控制器，实现了主机的起动、换向、重复起动、 重起动、调速、临界转速回避等功能，并且主机的一些重要信息和数据通过船舶 局域网传送到船长和轮机长的办公室，使船长和轮机长能够清晰直观地得到主机 的运行状态，根据显示的数据和各种参数及时做出正确的决策，确保船舶航行的 安全。 主机的调速一直是主机控制系统的重点和难点，主机调速系统是一个复杂的 系统，具有非线形、时变性、大时延的特点，而目前大部分船舶仍然使用的是传 统的p i d 调速器，已经不能l a 很z 好的适应主机调速的高品质要求。基于此，本文研 究了一种基于模糊规则参数自整定p i d 控制器，可以根据主机转速的误差和误差 变化率实现对p i d 参数的调整。在实验室条件下，通过仿真可以看出本控制器与 传统的p i d 调速器相比，具有超调量小、过度过程时间短、振荡次数少、有较强 的稳定性和鲁棒性的优点，更贴近主机调速系统的实际要求，有着广泛的应用前 景和实用价值。 关键词：船舶主机：调速；模糊规则；参数自整定 英文摘要 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ns h i pm a i ne n g i n ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n di n t e l l i g e n c ei ns h i p p i n gi n d u s t r y , t h e i n t e g r a t i o nl e v e lo fs h i p p i n gi sh i g h e ra n dh i g h e r t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so na s y s t e mw h i c hi so n eb r a n c ho faw h o l en e t w o r ki n t e g r a t i o nc o n t r o ls y s t e m - - s h i pm a i n e n g i n ec o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mt a r g e t sf o rt h em a i ne n g i n es n o 12 2 0m a d eb y k a n a s a s h ii nj a p a nw i t ht h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，i no r d e rt h a tt h em o n i t o r i n g ， c o n t r o l l i n ga n dt h em a n a g i n gc a nb ed o n ea tt h es a m et i m e ，i ts u c c e s s f u l l ya c h i e v e sa l l t h ef u n c t i o n so ft h es h i pm a i ne n g i n ec o n t r o ls y s t e ma n da p p l i e st h ea r i t h m e t i co f p a r a m e t e ra u t o - t u n i n gp i db a s e do nf u z z yr u l e si ns p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo ft h em a i n e n g i n e a sar e s u l t ，i tg r e a t l yi m p r o v e st h eh i g hq u a l i t ys p e e dr e g u l a t i o no ft h em a i n e n g i n ea n dt h es a f e t ya n ds p e e d i n e s so fs h i p i nt h em o n i t o ra n dm a n a g e m e n tp a r to ft h ew h o l es y s t e m ，i tm a i n l ya c h i e v e st h e f u n c t i o no f d i s p l a y i n gt h ei m p o r t a n td a t ad u r i n gt h er u n n i n gp r o c e s so ft h em a i n - e n g i n e ， t h er e a l t i m ec u r v e ，t h eh i s t o r i cc u r v e ，t h es t a t eo ft h em a i n e n g i n e ，t h er e a l - t i m e w a r n i n ga n dt h ef u n c t i o no fs e t t i n gt h ec o n t r o lp a r a m e t e ra n ds e t t i n go ft h ew a r n i n g r e s t r i c t i o nv a l u ea n ds oo n i nt h ec o n t r o lp a r t ，i ta d o p t st h ec o n t r o l l e rs 7 - 3 0 0p l c ， w h i c ha c h i e v e st h ef u n c t i o n so ft h es t a r t u p ，t h er e v e r s i n g ，t h er e p e a t e ds t a r t u p ，s p e e d r e g u l a t i o na n dc r i t i c a ls p e e da v o i d a n c eo ft h em a i ne n g i n e m e a n w h i l e ，s o m ei m p o r t a n t m e s s a g e sa n dd a t ac o u l da r r i v ea tt h eo f f i c e so ft h ec a p t a i na n dt h ec h i e fe n g i n e e r t h r o u g hl a n t h i sc a nl e tt h e ml e a r nt h er u n n i n gs t a t eo ft h em a i n e n g i n et i m e l ya n d c l e a r l y i nt h i sw a y , t h e yc a nm a k er i g h td e c i s i o n sa n dm a k es u r et h es a f e t yo ft h es h i p t h es p e e dr e g u l a t i o no ft h em a i n - e n g i n ei sa l w a y st h ek e y s t o n ea n dd i f f i c u l t yo f t h em a i n e n g i n ec o n t r o ls y s t e m s i n c et h es p e e dr e g u l a t i o no ft h em a i n e n g i n ei sa c o m p l e xs y s t e mw i t ht h ec h a r a c t e r so ft h en o n - l i n e a r , t i m e v a r i a t i o na n db i g l a g ，y e t n o w a d a y s ，m o s ts h i ps t i l la d o p tt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r ；i tc a n n o ta d a p tt h eh i g h q u a l i t ys p e e dr e g u l a t i o no ft h em a i ne n g i n e f r o mt h i sp o i n t ，t h i st h e s i sf o c u s e so na k i n do fp a r a m e t e ra u t o t u n i n gp i dc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yr u l e s ，w h i c hc a nr e g u l a t e t h ep i dp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h er o t a t es p e e d se r r o r sa n di t sr a t eo fc h a n g e i nt h ec o n d i t i o no ft h el a b t h ec o n t r o l l e ri sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n ev i a 英文摘要 s i m u l a t i n g i th a st h ea d v a n t a g e so fl e s so v e r s h o o t ，l e s st r a n s i t i o nt i m e ，l e s sf r e q u e n c y o fo s c i l l a t i o n s t r o n g e rs t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ；w ec a nm a k et h ec o n c l u s i o nt h a ti tc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h em a i n e n g i n ea n dh a saw i d ea p p l y i n gp r o s p e c ta n d p r a c t i c a lv a l u ei nt h el o n gr u n k e yw o r d s ：s h i pm a i ne n g i n e ；s p e e dr e g u l a t i o n ；f u z z yr u l e s ；p a r a m e t e ra u t o - t u n i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 竺魈舶圭扭撞亟丕统的遮让曼硒究：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：栖 谈腓弓月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：习纫钗导师签名：韩毒叮活 日期：江砰年：；月1 日 船舶主机控制系统的设计与研究 第1 章绪论 我国是一个海洋大国，随着我国航运业的不断飞速发展，需要更多的船舶， 而对船舶的各种控制技术要求也将越来越高，因此船舶主机控制系统也在不断完 善，向着新的方向快速发展。 1 1 轮机自动化的发展状况 轮机自动化是一门新技术，在最近几年才得到突飞猛进的发展，其发展过程 可以分为以下几个阶段： ( 1 ) 1 9 6 0 年之前，重点是发展机舱主要设备的单元自动化，如各种热工参数 的自动调节。这期间还没有形成一个完整的控制系统。 ( 2 ) 1 9 6 0 年一1 9 6 5 年之间，发展集中控制与主机遥控。在这一期间，逐步 发展机舱集中监控和较广泛地采用主机驾驶室远距离操作。1 9 6 1 年11 月，日本建 成世界上第一艘机舱集中监控和远距离操作的8 0 0 0 t 级的“金华山丸”货轮。该船 在机舱中设有带空调，隔音设备的集中控制室，只需一人值班，就可以对机舱中 主要设备进行集中监视和控制。此船引起世界各国的极大关注。在这一时期，世 界上共造了几十艘自动控制内容和水平相仿的船舶。 ( 3 ) 1 9 6 5 年一1 9 6 9 年之间，发展无人值班机舱。实现了1 2 h ，2 4 h ，甚至3 6 h 机舱无人值班，进一步减少了船员的配置。这种无人值班的机舱除了配备一般的 自动调节、自动控制、主机驾驶室远距离操作系统外，尚有较完善的自动检测， 监视与报警，安全保护与自动切换系统。当机器设备的运行不正常时，在驾驶室， 居住舱，机舱等处会发出报警信号，呼唤轮机人员下机舱及时处理。这种船舶在 机舱里还安装了火警探测系统和自动灭火系统。 ( 4 ) 1 9 6 9 年一1 9 8 0 年之问，发展轮机计算机监控技术。6 0 年代后期，出现 了采用电子计算机实现自动化的所谓超自动化船舶。这种船舶的一个显著特点是 跳出机舱自动化的范畴，将船舶作为一个整体采用电子计算机技术，从而在导航， 机舱，货物装卸，报务甚至医疗等方面实现全盘自动化。 7 0 年代中期起，随着微型计算机的发展，各种计算机随即用到船上。7 0 年代 第1 章绪论 末，出现了采用多台微型计算机组成的集中一分散式控制系统。此种系统既有基 层监控用的下位机，又有集中管理，协调，人机联系用的上位机，从而使得船舶 自动化程度以及控制系统的可靠性得到进一步的提高。 ( 5 ) 1 9 8 0 年之后，发展轮机高级监控技术。8 0 年代中，微型计算机迅速发 展，集成度不断提高，中央处理单元c p u 由8 位发展到1 6 位，3 2 位和3 2 位以上， 运算速度提高，容量增大，软件功能不断丰富。高可靠性的计算机系统出现；另 一方面计算机价格也不断下降。这些因素都促使微型计算机在船舶动力装置监控 中的迅速发展，也促使轮机自动化的发展和普及。现在广泛采用高可靠性的由多 台微型计算机组成的集中一分散式控制系统，这种系统的下位机已采用单片机或 可编程逻辑控制器【1 翻。 随着以节能为中心的“未来船舶”的问世，轮机自动化水平正在进一步提高。 一方面应用计算机实现船舶动力装置的最佳控制，自适应控制；另一方面计算机 对机舱进行全面的管理。 总之，技术的发展是无止境的，轮机自动化的发展也不会停留在某个水平上。 智能程度更高的轮机自动化需要我们去追求，去探求，去开发。 1 2 船舶主机控制系统的现状 随着我国经济的不断快速发展，航运业也在快速的发展，航运业的发展与我 国造船水平以及船舶自动化水平相对较落后的矛盾就显现出来了。控制设备落后、 设备陈旧、自动化水平低，目前我国仍然在大量使用的船舶主机控制系统主要有 以下几种： ( 1 ) 气动主机控制系统 该类型主机控制系统可在驾驶室和集控室利用单手柄车钟对主机进行遥控， 也可在应急情况下机旁操作主机。在集中控制室设有“驾驶室操作一集控室操作 转换阀，在机旁设置有“机旁操作一遥控操作”转换阀，通过这两个转换阀进行 操作部位的转换。 气动主机控制系统实现主机的各种遥控功能时，主要是依靠各种气动阀件， 控制系统结构臃肿，体积庞大，而且主机的调速系统也是采用传统的p g a 调速器， 船舶主机控制系统的设计与研究 其调速功能差，超调量相对较大，响应时间慢，过度过程时间长。 ( 2 ) 电气混合式主机控制系统 该类型主机控制系统是采用无触点的电子装置与气动装置相结合的主机遥控 系统。除主机的换向和停油逻辑功能以外，大部分逻辑功能的判断，处理都是由 电子装置来完成的，并由气动系统来操作。由于采用了大量的电子器件来代替以 前的气动判断，处理装置，该遥控系统结构相对灵活，简单。体积也相对减少了 很多。但主机的调速仍然是采用传统的p g a 调速器，调速效果不是很明显。 ( 3 ) 微机式主机控制系统 微机式主机控制系统的功能是由人们预先编制好的程序( 软件) 实现的，要 增加或改变控制系统的功能，就要增加或改变实现这一功能的软件程序，而不需 要改变微机结构。因此，微机式主机遥控系统的适应性较强、使用灵活、功能齐 全、体积小、重量轻、工作可靠。但其软件设计程序烦琐，模拟量和数字量的采 集电路结构复杂。 ( 4 ) 可编程控制器的主机控制系统 随着可编程控制器的不断发展，其在控制领域的应用越来越广泛。p l c 采用模 块化结构，而且能根据控制系统的需要增加或更换模块，使p l c 的功能扩展和维 修变得十分简单。在软件方面，由于采用通俗易懂的符号语言，用户可以方面灵 活的编制和修改程序。正是由于这种软，硬件上的高度灵活性，使p l c 在船舶主 机控制系统中的优势显现出来，正在取代以往的传统控制器。但是由于我国的实 际情况，目前使用p l c 作为控制器的船舶还相对很少，所以采用可编程控制器的 主机控制系统还有很大的发展空间和市场【2 - 3 】。 1 3 课题的提出 随着电子技术和计算机技术的不断发展，主机遥控系统也在不断的更新，j 下 在寻求更专业，更便捷的控制器组成的控制系统，而可编程控制器( p l c ) 的出现 j 下好解决了这一难题。可编程控制器是专用于控制领域的通用型微机系统。在生 产p l c 时，在硬件和软件方面做了大量的工作，这样用户在使用p l c 组成某一控 制系统时，只需针对具体任务做少量的专门工作，从而大大简化了控制系统的设 第1 章绪论 计和生产。p l c 除了具有工业控制计算机的优点外，还具有自身的一些特点。在硬 件方面，p l c 采用模块化结构，而且能根据控制系统的需要增加或更换模块，使 p l c 的功能扩展和维修变得十分简单；在软件方面，由于采用通俗易懂的符号语言， 用户可以方面灵活的编制和修改程序。j 下是由于这种软，硬件上的高度灵活性， 使p l c 在船舶主机控制系统中具有显著的优势，正在取代以往的传统控制器，并 不断的发展和完善【4 击】。同时工控组态软件的出现，使工业控制更方便，更直观。 操作人员只需在计算机组态画面上就可以看到整个控制工程的流程和各种控制参 数，发布各种控制命令，真正达到了监，管，控一体化。 目前，我国还有大量的船舶采用气动控制系统、电一气混合式控制系统、以 及微机控制系统。这些控制系统采用了大量的阀件，而且调速器体积相对比较大， 电路相对烦琐，船舶主机的智能化水平普遍不高。并且船舶主机调速器大多采用 的是传统p i d 算法，不能很好的满足主机调速稳定性好，适应性强，超调量小的 要求。所以寻求更新型，更智能化的控制系统必然是主机控制系统的一种发展趋 势。 基于此，本文采用工控组态软件和s 7 - - 3 0 0 p l c 控制器，时了一套新型的主机 气 控制系统，该系统具有结构简单、控制灵活、运行稳定、管理方便的优点。同时 在主机的调速环节，还设计了一种基于模糊规则参数自整定p i d 控制算法。本文 设计的主机控制系统对我国大部分船舶现代化的改造具有较大的指导意义和实际 意义。 1 4 课题的研究内容 本课题以同本i c a n a s a s h i 生产的s n o 1220 型主机为研究对象，采用 目前工控领域广泛使用的组态软件m c g s 和自动化领域应用广泛并得到各船级社认 可的s 7 - - 3 0 0 p l c 控制器，设计出的一套集散型控制系统。它采用分步式结构，使 主机的监视、管理、控制集于一体化，实现了主机控制的各种功能。该系统由控 制管理计算机( 简称上位机系统) 、过程控制计算机p l c ( 简称下位机) 、和上下 位机之问的m p i 通讯系统组成。上位机系统完成与操作人员进行信息交互，以屏 幕窗口画面或文件表格的形式提供主机的各种重要数据和流程图的功能。下位机 4 船舶主机控制系统的设计与研究 p l c 是控制系统的核心，它采集到的船舶主机的数据通过网络上传到服务器，使船 长和轮机长访问服务器就可以看到主机运行的各种数据，以便于发布控制命令， 做出各种f 确的决策。同时，还要实现主机的起动，换向，重起动，调速等功能。 模糊控制器是近年来发展的一种新型控制器，具有更快的响应和更小的超调， 对过程参数变化也不敏感，具有很强的鲁棒性，可以克服非线性因素的影响。因 此本文在设计控制器时，采用模糊控制和经典p i d 相结合的控制策略，即基于模 糊规则参数自整定p i d 调速方案，这样即保持了p i d 控制器结果简单，适应性强， 整定方便等特点，又通过智能技术在线调整p i d 的参数，从而使控制过程始终保 持在一个好的状态，使主机的调速更符合船舶航行的实际需要。论文的主要工作： ( 1 ) 主机控制系统结构的构建。 ( 2 ) 上位机软件的设计。 ( 3 ) 下位机软硬件的设计与研究。 ( 4 ) 主机简易数学模型的建立。 ( 5 ) 主机调速系统的控制算法设计与研究。 第2 章主机控制系统的整体结构 第2 章主机控制系统的整体结构 2 。1 船舶局域网的结构 随着局域网技术的不断发展、成熟和完善，使局域网应用到船舶上成为现代 化船舶的一个趋势。通过船舶局域网，船长、轮机长和船员可以共同分享各种信 息，使信息的传播及时、准确，便于上下的沟通，也便于船长和轮机长对船舶的 管理，从而保汪整个船舶信息的畅通化。本文提出了种船舶局域网的总体结构 如图2 1 所示。 | ；| 一 ： | 。_ 一 一i i 蓐艇局捌 瞳j 赫 。”m ；蠢蓬塞囊瓤 y 豳豳，除 。= 嚣。? l , j露秀霸 澄磁露缓缓黼疆，糍嚣器b 霹鬟澎、一_ - 醚笺囊罗 黼 j 。i 。 ? j 凑蓊罱黟 岫越站r ， 磬陈室 。 _ 。= ，p r o f i b u s _ - o l 】 。曩i 一誊。| 一。麓_ _ 二： ： 量 1 ；l。；| | i i ， i 。1嫡援偾 黯越主搋j ， 鼢舶电鲔。 一一 “。n “ ，二氅鬯。| ? -_一l_k_ 一1 。_ 4 “、 一t “叫j ! x _ 燃矬牟o _ i ? 一鬻j ? l i 瘫瓣 爹 黪，一磐警。? 薯。 j _ l 曩。 r | 叩1 憾褂 j 【。工瑚甄褂 攀? _ i 【：王曰煎弭。 耻 图2 1 船舶局域网结构 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no fs h i p p i n gl o c a la r e an e tw o r k 船舶局域网设置有三个操作站和二个控制站( p l c ) ，分别是船舶主机、船舶 电站、船舶锅炉。通过p l c 采集船舶运行的各种参数，由m p i 将各种参数实时的 传送到上位机，使操作人员能够很好的了解设备的运行状况，操作人员在上位机 的组态画面上输入控制命令，通过m p i 传送到下位机，控制船舶的运行。船舶设 置个总的网络服务器，它是信息管理的核心，与操作站之间组成控制局域网， 船舶主机控制系统的设计与研究 三个控制站的各种运行参数，通过局域网传到服务器上，由服务器集中监控，并 将关键数据存储到数据库中。船长、轮机长和船舶的工作人员可以通过局域网， 访问服务器，查看船舶运行的各种参数，及时准确的做出合理判断，保证船舶在 海上航行的安全、经济、快速，使整个船舶的资源配置达到最优。 2 2 船舶主机控制系统的结构 本文主要研究船舶控制网络系统中的一个分支主机控制系统，其系统的 结构图如图2 2 所示。 上位机 图2 2 主机控制系统结构 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o no ft h em a i n e n g i n ec o n t r o ls y s t e m 上位机由一台工业控制计算机，用于m p i 通信的c p 5 6 11 板卡和一台打印机组 成。下位机控制站采用的是西门子s 7 - - 3 0 0 p l c ，其处理器为c p u 3 1 5 2 d p ，配置 有d i 模块，d 0 模块，a i 模块和a o 模块。每个模块在控制站的运行中，都起 着不同的作用。具体如下： ( 1 ) 电源模块，它将a c l 2 0 2 3 0 v 电压转换为d c 2 4 v ，用于s 7 3 0 0 p l c 和直流 2 4 4 8 6 0 1 i o v 负载电路的负载电源。所有s 7 3 0 0 模块使用的从s 7 3 0 0 背板总 第2 章主机控制系统的整体结构 线提供的总电流不能超过1 2 a 。所选定的p s 模块的输出功率必须大于c p u 模块， 所有i o 模块，各种智能模块等总消耗功率之和，并且需要留约3 0 的余量。本控 制系统中，选择p s 3 0 75 a ，定货号为s e s 73 0 7 8 0 o 从0 ，电子式短路保护，能 自动再起动。 ( 2 ) c p u 3 1 5 - - 2 d p 模块，执行用户编制好的控制程序；为s 7 3 0 0 背板总线 提供5 v 电源；在m p i 通信网络中，通过m p i 与其他m p i 网络节点进行通讯。 c p u 有四种运行方式。r u n p 编程运行方式，c p u 扫描用户程序，即可以用 编程装置从c p u 中读出，也可以用编程装置装入c p u 中。用编程装置可监控程序 的运行。在此位置钥匙不能拔出。 r u n 运行方式，c p u 扫描用户程序。可以用编 程装置读出并监控c p u 中的程序，但不能改变装载存储器中的程序。在此位置可 以拔出钥匙，防止程序在正常运行时被改变操作方式。 s t o p 停止方式，c p u 不 扫描用户程序，可以通过编程装置从c p u 中读出，也可以把程序下载到c p u ，在此 位置可以拔出钥匙。 m r e s 复位存储器，该位置瞬间接通，用于清除c p u 的存储 器。c p u 请求m r e s 的原因有：插入了错误的存储器卡，c p u 中的r a m 出错，工作 存储器容量太小，不能装载存储器卡上用户程序中所有的块，装载有错误的块。 c p u 模块的状态和故障l e d 显示。s f ( 红色) ，表示系统错误故障。硬件故 障，编程错误，参数设置错误，算术运算错误，定时器错误，存储卡故障，电源 故障或电源接通时没有后备电池，外部i o 故障，通信故障。必须用编程装置读 出诊断缓冲器中的内容，确定故障错误的真正原因。( 墓) b a t f ( 红色) ，电池故障。 电池失效，放电，未装入。对于充电电池，c p u 不检查这些状态。 d c s v ( 绿色) ， c p u 和s 7 3 0 0 总线的5 v d c 电源。如果内部5 v 电源正常则亮。 f r c e ( 黄色) ， 强制操作。当强制功能时灯亮，在调试出现故障时使用。 r u n ( 绿色) ，运行模 式。当c p u 再起动时以2 h z 闪烁。至少闪烁3 秒，c p u 再启动时可能短于3 秒。在 c p u 再启动时，s t o pl e d 办亮；当s t o pl e d 灭时，才能输出。 s t o p ( 黄色) ， 停止模式。c p u 没有扫描用户程序时灯亮。c p u 请求存储器复位时，以1 秒钟的时 间问隔闪烁。( s f d p 和b u s f ( 红色) ，指示d p 接口及现场总线错误，两者组合指 示信息【7 _ 9 】。 8 船舶主机控制系统的设计与研究 ( 3 ) 数字量输入模块s m 3 2 1 ，s m 3 2 1 有直流，交流输入方式。对现场输入元 件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，经过光隔离和滤波，然后 送到输入缓冲器等待c p u 采样。采样时，信号经背板总线进入到输入映像区。本 文在设计时，选择了两个d i 模块： ( 蔓) d 1 3 2 x d c 2 4 v ，定货号为6 e s 7 3 2 卜i b l o o - - o a a o ；d 1 3 2 x d c 2 4 v 。 扩展温度范围，定货号为6 e s 7 3 2 卜1 b l 8 0 - o a a 0 。 这个两个模块用来连接与控制系统有关的开关量信号。 ( 4 ) 数字量输出模块s m 3 2 2 s m 3 2 2 直接用于驱动电磁阀接触器，小型电动机，灯和电动机启动器等。按 负载回路使用电源不同分为直流，交直流输出方式。按输出开关器件的种类不同 分为晶体管输出方式( 属于直流输出模块) ，晶闸管输出方式( 属于交流输出模块) ， 继电器触点输出方式( 属于交直流两用输出模块) 。从响应速度上看，晶体管响应 最快，继电器最慢；从安全隔离效果及应用灵活性看，以继电器触点输出最佳。 每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出状态，输出逻辑“1 ”时，发光二极管 亮。本控制系统中s m 3 2 2 模块有三个： d 0 8 x d c 2 4 v 0 5 a ，定货号为6 e s 7 3 2 2 8 b f 0 0 0 a b 0 ；属于晶体管输出模块， 没有反极性保护措施，输出具有短路保护功能和诊断能力，用来连接电磁阀门。 d 0 8 x d c 2 4 v 0 5 a ，定货号为6 e s 7 3 2 2 1 h f 0 1 一o a a o ；属于继电器输出模块， 额定电压范围宽，当电源切断后，2 0 0 m s 内电容具有能量，在这段时间内可以暂时 地使继电器动作，用来连接继电器。 d 0 3 2 x d c 2 4 v 0 5 a ，定货号为6 e s 7 3 2 2 1 b l 0 0 0 a b 0 ；属于晶闸管输出模块， 有红色l e d 指示故障或错误，用于输出短路的熔丝或负载电源一端没接时，l e d 指 示错误。 ( 5 ) 模拟量输入模块s m 3 3 1 s m 3 3 1 有三种型号，8 a i x l 2 位模块，8 a i x l 6 位模块和2 a i x l 2 位模块。其转换 原理采用积分方法，精度取决于积分时问。可以接入热电偶，热电阻，4 2 0 m a 电 流，一1 0 v _ 斗1 0 v 等1 8 种不同的信号，输入量程范围很宽。每两个输入通道构成一 9 第2 章主机控制系统的整体结构 个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接d c 2 4 v 的负载电源l + ，有反极性保护功能。对于变送器或热电偶的输入具有短路保护功 能。本控制系统中，选择了4 个a i 模块： 8 个输入端，定货号为6 e s 7 3 3 1 7 k f 0 1 一o a b o 。 8 个输入端，增强分辨率，定货号为6 e s 7 3 3 1 7 n f 0 0 一o a b o 。 8 个输入端，电阻，热电阻，定货号为6 e s 7 3 3 1 7 p f 0 0 一o a b o 。 8 个输入端，热电偶，定货号为6 e s 7 3 3 1 7 p f i o o a b o 。 ( 6 ) 模拟量输出模块s m 3 3 2 s m 3 3 2 有三种型号，4 a o x l 2 位模块，2 a o x l 2 位模块和4 a o x l 6 位模块。输出电 压时，采用2 线回路，s + 和s 一可以保持开路，但输出精度不如4 线回路高。采用 4 线回路，负载一端连接到q v 和s + ，另一端连接到m a n a 和s 一。s m 3 3 2 能对电流输 出作断线检测，对电压输出作短路检测。本控制系统中，选择a 0 4 x 1 2 b i t ，定货号 为：6 e s t - 3 3 2 - 5 h d o l - o a b o 。电压输出范围为正负l o v ，电流输出范围为4 - 2 0 m a 。 该模块用来连接输出主机转速的模拟量。 1 0 船舶主机控制系统的设计与研究 第3 章上位机功能的设计 本控制系统设计上位机时采用m c g s 组念软件，m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o l g e n e r a t e ds y s t e m ) 是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能 够在基于m i c r o s o f t ( 各种3 2 位w i n d o w s 平台上) 运行，通过对现场数据的采集 处理，以动画显示，报警处理，流程控制，实时曲线，历史曲线和报表输出等多 种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了w i n d o w s 图形功能完 备，界面一致性好，易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更 具有通用性，在自动化领域有着广泛的应用。 3 1m c g s 组态软件的系统构成 m c g s 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套 完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环 境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态 设计的目标和功能。 m c g s 组态软件( 以下简称m c g s ) 由“m c g s 组态环境和“m c g s 运行环境” 两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。如图3 1 所示。 第3 章上位机功能的设计 m c g s 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序m c g s s e t e x e 支持，其存放于m c g s 目录的p r o g r a m 子目录中。用户在m c g s 组态环境中完成动 画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成 扩展名为m c g 的工程文件，又称为组态结果数据库，其与m c g s 运行环境一起， 构成了用户应用系统，统称为“工程”。 m c g s 运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序m c g s r u n e x e 支 持，其存放于m c g s 目录的p r o g r a m 子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工 作。 m c g s 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据 库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有 不同的特性。如图3 2 所示。 ( 1 ) 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备 窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作 包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口， 设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 ( 2 ) 设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采 集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 ( 3 ) 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如：生成各 种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 ( 4 ) 实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将m c g s i 程的 各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据 采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 ( 5 ) 运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序 ( i f ”t h e n 脚本程序) ，选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、 多媒体输出等。 船舶主机控制系统的设计与研究 m c g s 工控组态软件 l j r ， il r+ i 主控窗口 设备窗口用户窗口实时数据库运行策略 1r 1r 1r 1r 1r 添加工程创建动画编写控制 菜单设计， 设备，连接显示，设置 定义数据 流程 设置工程 设备变量，报警窗口， 变量 使用功能 属性注册设备人机交换 构件 驱动界面 图3 2 软件的组成 f i g 3 2w es t r u c t u r eo f h 盯d w a r e 3 2m c g s 组态软件的功能和特点 与国内外同类产品相比，m c g s 组态软件具有以下特点。 ( 1 ) 庞大的标准图形库、完备的绘图工具、2 2 种不同形式的渐进色填充功能 以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的 丰富多样、精美的工程画面。 ( 2 ) m c g s 组态软件不仅增添了在运行环境下支持图形的旋转功能，而且在组 态环境下也可以对图形进行任意角度的旋转，使您轻松完成难度较大的图形组态 工作。 ( 3 ) 全新的a c t i v e x 动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、 相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。 ( 4 ) 通用性强，支持目前绝大多数硬件设备，每个用户根据工程实际情况， 利用通用组念软件提供的底层设备( p l c 、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的i 0d r i v e r 、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、 第3 章上位机功能的设计 实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受 行业限制。 ( 5 ) 强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计 处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。 ( 6 ) 方便的报警设最、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报 表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。 ( 7 ) 良好的可扩充性，可通过o p c 、d d e 、0 d b c 、a c t i v e x 等机制，方便地扩 展m c g s 组态软件的功能，并与其他组态软件、m i s 系统或自行开发的软件进行连接。 ( 8 ) 采用p l c 可编程逻辑控制器工业自动控制装置，它拥有体积小、功能强、 程序设计简单、维护方便，所以它有更能适用恶劣工业环境的能力和它的高可靠 性 1 0 1 。 基于m c g s s e 控软件的上述优点，本主机控制系统在设计时，采用了m c g s 软件 来设计上位机的流程画面。 3 3 上位机实现的功能 上位机是主机控制系统的个重要组成部分，完成与操作人员进行信息交互， 以屏幕窗口画面或文件表格的形式提供主机的各种重要数据和流程图，其主要实 现的功能有： ( 1 ) 监视功能，船舶运行中主机的各种重要参数和数据，如主机滑油的温度、 起动空气的压力、主机转速、主机燃油压力、主机扫气压力、主机滑油进口温度、 主机燃油进口温度、推力轴承温度等，都会传送到上位机画面上，使操作人员对 船舶的运行状态有一个直观的了解。同时，对重要数据的变化还用实时曲线和历 史曲线绘制出来，起到监视的作用。 ( 2 ) 控制功能，上位机和下位机通过m p i 方式建立了通信，在上位机就能向 下位机中写入各种重要控制参数，如主机调速器的控制参数k p ，k i ，k d ，主机 各种数据的报警上下限值等，通过上位机就能达到对主机的控制作用。 ( 3 ) 管理功能，上位机中丰富的报表机制，强大的数据处理功能，能够对主 1 4 船舶主机控制系统的设计与研究 机的运行数据以各种方式进行统计处理，如实时报表，历史报表等。船长和轮机 长能够在第一时f h j 获得有关现场的情况，及时做出各种合理的决策，力便船舶的 管理，使船舶运行达到最优化。 ( 4 ) 报警功能，在船舶运行中，当有数据和参数不在其指定的范围内时，上 位机报警窗广lr f l 的各种数据对应的报警指示灯将会闪烁，提醒操作人员，船舶的 数据和参数有不正常的情况。同时实时报警窗口将会显示出报警的类型，对象名， 正常值，异常值等信息。没置在上位机e 的打印机将把报警信息打印山来，方便 操作人员分析。 3 4 系统上位机的软件设计 在设计上位机时，主要设计了流程图，数据显示、实时数据、历史数据、控 制参数设置、报警显示等窗口。每个窗口画而都由标题栏，主体部分和j ：具栏三 部分组成，如图3 3 所示。 纛差。一墅舶圭杰里蕉制壅蒸羹藏二羔匿垂囊霾 掣嘴孝善 “| 1 i ；| 魏蕊辆瞎荔 i i 董蝻巍蠢舅 一起勋垒气匿力 m m ：s sm m ：s sm m ：s sm m ：s sm m ：s s 图3 3 主控画面 f i g 3 3t h em a i nc o n t r o lm e n u 缸套冷龆水 遴日温度 出n 温度 语塞冷却水 进日溢度 出口溢度 圜圈一国一圄。一固囱困习 第3 章上位机功能的设计 标题栏：标题栏中问显示该窗口的名称；最左边是系统的运行时i 训；最右面 是一个系统信息按钮，点击该按钮可以进