（机械电子工程专业论文）船舶主机控制系统的研究与实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 手两斐 微型计算机在船舶主机控制系统中得到了越来越广泛的应用，它既能满 足常规控制系统的所有功能，又能适用于对各种机型遥控的要求。 本文通过对船舶机舱自动化和主机控制现状及发展趋势的分析，结合当 前目标船的使用背景和技术的要求，提出了主机控制系统的总体设计方案。 确定了以可编程序控制器( p l c ) 为控制系统核心部件，通过柴油机控制系统， 来实现对主机的控制。本文详细设计了主控箱、机旁监控箱、驾控室操纵台 的硬件结构及工作原理和柴油机控制系统的硬件电路，并介绍了它们的工作 原理，根据主机控制系统的功能要求，编写了p l c 的梯形图程序，实现了指 令的传输与处理以及硬件的控制；详细研究了p l c 与遥控台的通信原理，利 用通信协议宏最终实现了与遥控台的通信，确保对主机的实时、可靠控制。 为了检验主机控制系统的性能、验证系统设计的合理性、考核系统的可 靠性，对主机控制系统进行了联合调试和试航等一系列试验。各项试验的顺 利完成证明了主机控制系统功能齐全、性能稳定、各项指标达到预期目标， 验证了系统响应的准确性和运行的可靠性，表明主机控制系统真正的实现了 对船舶的远距离无线遥控。 关键词：主机控制系统；可编程序控制器；柴油机控制系统；通信协议宏 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t m i c r o c o m p u t e rc o n s o l ei ns h i pc o n t r o ls y s t e mh a sw o ni n c r e a s i n g l yb r o a d a p p l i c a t i o n s i tn o to n l ym e e ta l lt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n s ，b u t a l s oa p p l yt ot h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u sm o d e l sr e m o t ec o n t r 0 1 b a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h es h i pc a b i na u t o m a t i o n ，t h eh o s tc o n t r o ls t a t u s a n dd e v e l o p m e n t ，a n dc o n s i d e r e dt h ec u r r e n tt a r g e ts h i pw i t ht h eu s eo ft e c h n i c a l b a c k g r o u n da n dt h er e q u i r e m e n t so ft h em a i ne n g i n ec o n t r o ls y s t e m ，t h eo v e r a l l d e s i g ni sf i n i s h e d ap r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) s y s t e mf o rt h ec o n t r o l i si d e n t i f i e da st h ec o r ec o m p o n e n t st oa c h i e v ec o n t r o lo ft h ec o n s o l et h r o u g h d i e s e le n g i n ec o n t r o ls y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ed e t a i l e dd e s i g no ff o l l o w i n gp a r t s a r ef i n i s h e d ：t h ec o n t r o lc a b i n e t s ，c o n t r o lc a b i n e t sa r o u n dt h ee n g i n e ，d r i v ec o n t r o l r o o mc a o c o n g s ih a r d w a r es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fd i e s e le n g i n ec o n t r o l s y s t e ma n dt h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，t h ep r i n c i p l eo ft h e i rw o r ki sa l s oi n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h em a i ne n g i n ec o n t r o l s y s t e m f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h e p r e p a r a t i o no ft h ep l cl a d d e rd i a g r a mo fp r o c e d u r e si sd e s i g n e dt oa c h i e v et h e c o n t r o lo ft r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gi n s t r u c t i o n sa n dh a r d w a r e i na d d i t i o n ，a d e t a i l e ds t u d yo ft h ep l ca n dr e m o t e - c o m m u n i c a t i o nt h e o r yi sa c c o m p l i s h e d ，t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu l t i m a t er e a l i z a t i o no ft h em a c r o c o n t r o lw h i c he n s u r e t h er e a l t i m e ，r e l i a b l ec o n t r 0 1 i no r d e rt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fm a i ne n g i n ec o n t r o ls y s t e m ，v e r i f yt h e r e a s o n a b l e n e s so ft h es y s t e md e s i g n ，a n dt e s ti t sr e l i a b i l i t y ，t h em a i ne n g i n e c o n t r o ls y s t e mf o raj o i n td e b u g g i n g ，s u c ha sas e r i e so ft e s t sa n dt r i a l s t h e s u c c e s s f u lc o m p l e t i o np r o v e dt h a tt h em a i ne n g i n ec o n t r o ls y s t e mi su n d e rf u l l y f u n c t i o n a la n ds t a b l ep e r f o r m a n c e ，a c h i e v et h ed e s i r e do b j e c t i v e ，a n dv e r i f yt h ei t s a c c u r a c ya n dr e s p o n s er e l i a b i l i t y ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls y s t e mr e a l i z e t h er e a ls h i p sd i s t a n c ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：m a i n 。e n g i n ec o n t r o ls y s t e m ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；d i e s e l e n g i n ec o n t r o ls y s t e m ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：主匿蟹2 日期：舢g 年弓月7 e l 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 船舶机舱自动化自二十世纪五十年代末逐渐兴起，经过几十年的发展， 自动化装置的技术、功能和可靠性等方面得到了快速的发展与提高，给船舶 航行管理带来了方便，另外也使得主推进设备的安全性得到了提高，更重要 的是随之因劳动力的节约与劳动强度的降低而带来的巨大经济效益，这些优 点同时也促进了自动化装置的进一步发展与提高，改变了过去船舶机舱靠人 工操作的状况。 船舶机舱自动化是舰船现代化的标志之一，其控制和监控系统已成为动力 装置、电站、辅机和损管系统的重要组成部分。它可以使机械装置工作在最佳 状态，显著提高舰船的机动性、可靠性、生命力和安全性等技战术性能。 船舶自动化技术经历了由轮机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到机舱无人值班船舶的发展过程。在这个发 展形势下，主机遥控系统应运而生并迅速发展啦，。主机遥控是指离开机旁， 在驾驶室或集控室对主机进行远距离控制的一种遥控装置婚，。 船舶主机控制系统的主要用途在于通过自动控制设备操纵主机。船在操 作上有遥控与人工两种模式。在遥控模式下，操作人员可以通过无线信号发 送装置发送指令给主机控制系统的主控制器，主控制器的接收装置接收到指 令后响应相应操作操纵主机，另外主控制器也会将船航行时的状态参数以相 同的方式发送给遥控台。在人工模式下，操作人员可在船的驾控室内手动控 制船，即在人工模式下可将遥控船作为舰艇用途。综上所述，无论是在哪种 模式下，船舶主机控制系统作为直接操纵主机的控制系统都应是船舶控制的 核心，因此，主机控制系统的设计显得尤为重要。 1 2 船舶主机控制系统的发展现状 主机遥控技术发展到今天，大致经过了三代的发展过程。早期的主机控 制系统是由继电器来完成控制功能，第二代产品则主要通过逻辑电路和线性 电路元件来完成，第三代产品则由计算机来完成控制功能。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 1 国外发展现状 五十年代末，主机遥控系统主要采用气动、电动、液压等方式对机舱设 备分散控制、单机遥控、集中监视。具有代表性的是1 9 6 1 年世界上第一艘柴 油机自动化万吨远洋货船“金花山丸 号。 七十年代，大型电子计算机在舰船上得到应用，进一步加快了机舱自动 化的进程。法国建造的“都勒贝拉 号油船是世界上最早应用电子计算机的 自动化船舶。随后，西德、美国、英国、瑞典和日本等都建造了应用电子计 算机高度自动化的远洋船舶。日本“星光丸号的计算机控制范围从机舱扩 大到全船，当时称誉为“超自动化船舶。 到七十年代中期，电子计算机向小型化发展。随之出现了微机分布式控 制系统。1 9 7 7 意大利建造了“西北风 级护卫舰，柴一燃联合动力装置的自 动控制监测系统是一套典型的应用数控技术的分布式微机自控系统喳1 。 八十年代，微机在机舱自动化中广泛推广应用哺，。国外有许多大公司推出 定型微机自动控制系统，批量生产适用于多种机型。如意大利希帕公司推出 的u l p - 3 2 微机自控系统；挪威挪康公司推出的n o r d 一4 2 微机自控系统已被我 国远洋船舶广泛采用n ，。 1 2 2 国内发展现状 国外机舱自动化的发展为我国的主机控制和机舱自动化的发展提供了宝 贵经验和技术借鉴。 我国七十年代开始，有关专业制造厂及有关设计院开始研制开发生产主 机遥控装置抽，。 八十年代初，我国研制成功了微机、电气转换器式的自动控制装置，并 作为发展重点；1 9 8 9 年推出了国际新一代微机网络型自动控制装置；技术水 平跟国际上的差距逐步减小r 。，。特别在可靠性、维修性方面得到了显著提高， 有的型号己取代进口产品，有的自动控制装置已经出口，日益满足了我国船 舶机舱自动化的要求n 。 交通部上海船舶运输科学研究所研制的c y 8 8 0 0 型主机遥控系统采用微 型计算机软件编程方法，代替了常规硬件电路的逻辑和数字运算功能。文献 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1 1 介绍了使用单片机技术的f a h m 2 0 0 主机遥控系统已成功应用在为克罗地 亚建造的四艘船舶上。文献 1 2 介绍用微型计算机控制的d m c - 2 1 1 d 型遥控系 统具有体积小，重量轻，适应性强，维护方便等特点。 青岛远洋船员学院8 0 年代初组建的自动化机舱采用了日本n a b c o 公司生 产的m - 8 0 0 主机遥控系统n ”，在当时其自动化水平是相当高的。随后，青岛 远洋运输公司研制生产“丁香海 轮n a b c om - 8 0 0i i 主机遥控系统n “。 文献 1 5 中提出了一种通用型船舶主机遥控系统的设计方案，为解决一 种主机遥控系统只能适应于少数几种船舶主机的问题提供了借鉴。文献 1 6 中介绍了为一人驾驶船舶设计的新系统“柏林快航号的主机遥控系统。 从该船的试航以及从上海至汉堡的第一个航次来看，该船的主机遥控系统使 用方便、工作可靠。随着世界造船业的发展，一人驾驶船舶将会越来越多， 对自动化装置的可靠性要求也越来越高，对主机控制系统的设计会提出更多， 的新要求，以确保船舶安全航行。 1 3 船舶主机遥控系统概述 在主机遥控系统中，驾驶台遥控主机必须是全自动的，集中控制室遥控 主机可以是全自动的，也允许是半自动的。根据发送遥控主机信号的性质不 同，遥控系统大致分三类：第一类是气动控制系统，第二类是电气结合的主机 遥控系统，第三类是用微型计算机组成的遥控系统。 1 3 1 气动控制系统 驾驶台发送的遥控信号是气动的，并经全自动的气动逻辑回路输出信号 来操纵主机。集中控制室发送的气动遥控信号，可以与驾驶台共用一套气动 逻辑回路，对主机进行全自动遥控。而有些遥控系统，为简化集中控制室的 遥控线路，取消了驾驶台的某些功能，通过扳动手柄来实现，如重复起动、 程序负荷等。气动控制系统的主要特点是驱动功率大、工作可靠、结构简单、 直观，便于掌握管理，但是存在压力传递滞后的现象，因此控制距离受到限 制，而且对气源要求高，气动元部件容易出现漏、堵以及磨损现象j 1 3 2 电一气结合的主机遥控系统 在电一气结合的主机遥控系统中，集中控制室均采用半自动气动遥控系 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 统，而驾驶台采用的是电动遥控系统。驾驶台发送的是电的遥控信号，经电 动逻辑回路处理后，再经过电气转换器转换成气压信号并由集中控制室的气 动逻辑回路来操纵主机。 电一气结合的主机遥控系统种类繁多，其共同的特点就是通过电气转换 器把电信号转换为气压信号，从而由集中控制室的气动遥控系统来操纵主机， 这种结构充分发挥了电动和气动两种遥控系统的优点，是比较完善的遥控系 统。电一气结合的主机遥控系统可以分为有触点和无触点两大类。所谓的有 触点是指电动逻辑和控制回路是由继电器组成的，而无触点是指电动逻辑和 控制回路是由电子器件组成的。 1 3 3 微型计算机组成的遥控系统 集中控制室仍采用半自动遥控系统，而驾驶台发送的也是电动遥控信号。 其实它也属于电一气结合的遥控形式，所不同的是，其逻辑回路不是由硬件 电路组成的，而是由计算机软件程序实现的。 用微型计算机组成的主机遥控系统应能满足常规遥控系统的所有功能， 且能适用于对各种机型遥控的要求。由于在用微型计算机遥控主机的系统中， 各种逻辑和控制回路不是用硬件电路组成的，而是由预先编制好的软件程序 实现的，这就大大降低了遥控系统的故障率，提高了其工作的可靠性，且日 常维修保养工作量少。它还有体积小、重量轻、使用灵活及自检功能比较强 等优点，并且由于微型计算机能较好地满足主机工作特性，能充分利用主机 功率，使燃油消耗最少，从而使主机获得最佳运转状态，因此微型计算机组 成的主机遥控系统得到越来越广泛的应用n ”。 1 4 可编程控制器及其在主机控制系统中的应用 ，7 所谓可编程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运 算操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻 辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的 输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 随着微处理器和大规模集成电路技术的发展和应用，可编程序控制器的 技术和性能已发展成熟并趋于完善。p l c 采用软接线的方式实现控制功能， 它可适应控制检测的更改更新，通过在线或离线的编程，便可方便地实现所 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 需的控制要求。p l c 是专门为工业过程控制设计的工业控制计算机，计算机 具有的运算速度快、存储容量大、体积小、重量轻、功能强等优点也在可编 程控制上得到体现，系统性能远远高于继电器控制系统。采用可编程控制器 的主机控制系统已进入实际应用阶段。文献 1 8 回顾了p l c 的发展及其应用。 随着p l c 技术的飞跃发展，p l c 系统已成为一种综合的控制系统，特别 是p l c 己经深入到智能控制领域中，如在机械手控制、机器人控制、实现离 散数学模型等方面都获得广泛应用，使p l c 技术己大大超出了过去仅代替继 电器电路的范畴n ”。p l c 的输入输出功能完善，性能可靠，能够适应于各种形 式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出，在p l c 内部具备许多控制功 能1 2 0 1op l c 具有如下的主要优势： ( 1 ) 灵活性大。可编程控制器的出现，电器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序控制器，只编写不同应用 软件即可，这样能满足所控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。p l c 梯形图软 件的出现，为替代继电器取得了重要的意义心”。 ， ( 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，选配相应的模块，很容易构 造出需要的控制系统。、 ( 4 ) 可维护性好。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；还可以进 对所控功能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。 ( 5 ) 具有强大的通讯能力。目前，世界上各大可编程序控制器生产厂家 生产的p l c ，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 哈尔滨下程大学硕十学位论文 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。 可编程序控制器不仅具有得天独厚的逻辑处理功能，同时还具备数字运 算、联网通信等功能。线路简单，使用方便、抗干扰能力强，程序易修改、 尤其适应恶劣环境的优点，使之更多的应用于船舶的各种控制当中。采用p l c 实现对主机的控制，技术风险小，研制周期短，是最佳方案。 在传统的船舶电气设计中，进行控制检测主要采用的是继电器系统，现 在在主机遥控和监视两个主要系统中使用可编程控制器，系统的价格与继电 器的系统价格相当，而且随着控制环节的增大、检测点数量的增加，前者在 可靠性、抗干扰力能力等方面都是继电器系统所不可比拟的。继电器逻辑控 制系统的硬件一旦安装完成，若控制要求稍有不同，必须对硬接线进行更改， 所以更改控制方案十分困难，环境适应性很差，此外，这种控制系统有大量 的活动触点和元器件，根据可靠性原理，可能成为系统故障的隐患啪1 。 基于目标船的使用背景及功能需要和对可编程序控制器( p l c ) 的以上 分析，选择p l c 作为目标船主机控制系统的核心主控器。 1 5 本文的研究内容 本文的主要内容包括：确定主机控制系统的技术方案、主机控制系统硬 件结构设计、主机控制系统的软件编程、主机控制系统与上位机和下位机的 通信、主机控制系统的调试与测试试验。 本文的具体工作如下： ( 1 ) 确定了主机控制系统的技术方案。方案包括系统结构、系统功能、 系统指标、各子系统的功能及各个功能模块之间的联系。 ( 2 ) 主机控制系统的硬件设计。主要包括主控制箱，机旁监控箱和架控 台设计，内部各器件选型和电路设计，安装设计。 ( 3 ) 主机控制系统的软件编程。主要包括主控器p l c 的i o 点分配、梯 形图程序的设计、程序的安全可靠性设计。 ( 4 ) 主机控制系统通信实现。主要包括主控器与上位机遥控台的通信协 议与功能的实现，主控器与下位机柴油机控制系统的通信。 ( 5 ) 主机控制系统联合调试和试航等一系列试验。 6 哈尔滨工程人学硕七学位论文 第2 章船舶主机控制系统总体方案设计 根据对主机控制系统的发展以及国内外现状的分析，结合目标船的使用 背景和技术的要求，提出了新型主机控制系统的总体设计方案，通过硬件设 计和软件编程来实现该系统的各项功能。 2 1 引言 通过对传统主机控制系统的研究，它有如下几个方面缺点： 传统的主机控制系统和机舱报警系统，多用传统继电器组成，整个集中 控制装置共需要几百个继电器。由于于元件数量多、元件参数变动范围大、 控制精度差、故障率高、抗干扰能力弱、体积大、成套设备单件生产、产品 质量不稳定；由于继电器的大量使用，传统的布线电缆数量也很庞大，长期 捆绑在一起，增加了各控制线之间的相互干扰的可能性。而且在发生问题时， 故障的排查工作也比较困难；传统的船舶控制都是采取机旁控制，即驾控室 人员根据航行情况通过车钟向主机旁轮机人员发送信号，再由机旁人员控制 主机来实现对船的控制。这种控制方法，响应速度慢，需要工作人员多。 相对常规的船舶控制系统，新型的船舶主机控制系统具有以下特点： 微型计算机的应用使中小型船舶实现高级保护的遥控系统，它具有系统 优化、控制精确、延展性强，编程简单、运算准确的特点，因而容易灵活变 史程序以便整个系统性能达到最优；网络集成自动化系统应用于船舶控制系 统。它具有全数字化通信、抗干扰能力强、测量及控制精度高，系统自诊断 能力等优点，能够适应船舶机舱复杂的现场环境，将它应用于机舱监控系统 是船舶主机控制发展的主流方向。微型计算机的应用于机舱报警装置使中小 型船舶机舱自动化水平得到阶梯性的提高。主机控制系统报警系统检测点大 幅度增加，覆盖机舱几乎所有设备；主机控制系统的多工位控制。船舶主机 控制系统要具有三种控制系统即机旁控制系统、驾控控制系统和远程遥控控 制系统。船舶的多工位控制可以保证船舶航行的可靠性、连续性、稳定性和 多用途性。 基于以上的分析，针对传统主机控制系统的弊端，明确了新型船舶主机 控制系统的研究方向，为提出总体方案奠定了基础。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 2 主机控制系统总体方案 主机控制系统设计方案是以主控制器为核心，通过主控制器与驾控台、 机旁控制箱、遥控台、柴油机控制系统相连，构成主机多工位驾控、监控为 一体的控制系统实现主机的机旁控制、架控台控制和遥控控制功能。主机控 制系统结构示意图如图2 1 所示。 驾 驶 室 设 备 舱 主 机 舱 图2 1 主机控制系统结构示意图 2 2 1 主机控制系统硬件组成 根据主机控制系统的总体结构方案，设计该系统由驾控台、主控制器机 箱、机旁监控箱三部分组成。主机箱设置在在船的设备舱内，驾控台放在驾 控室内，机旁监控箱放在机舱内。由于该船由两个柴油机驱动，所以主机控 制系统配有左右两个机旁监控箱，分别对应控制左右主机。三者分别相距几 十米，为避免与其他线缆产生电磁干扰，采用屏蔽电缆连接。 2 2 2 主机控制系统的软件实现目标 主机控制系统的软件分为两部分：一是p l c 的梯形图编程，另一个是主 控制器与遥控台通信的实现。 p l c 程序要实现目标有：三种控制方式的转换及其优先级的确定；备车 与备车完毕的的请求与应答；报警信号的接收与输出声光报警；通过高低电 8 哈尔滨t 释人学硕十学何论文 平实现与柴油机柴油机控制系统的编码通信，控制柴油机的冷热启动等等。 主控器与遥控台部分需要完成的工作有：确定与遥控台的通信协议，完 成p l c 通信协议宏的设定，完成与遥控台的定时通信且具有较高的实时性。 2 3 主机控制系统的工作原理 2 3 1 主机控制系统的工作过程 从图2 i 中可以看出，主控制器是主机控制系统的核心部分，系统所有 的输入输出信号命令都由主控器处理。 驾控模式时，船员通过驾控台主车钟向主控器输入控制指令。主控器不 但接收驾控台的车钟进一、进二、进三、进四、空车和倒车指令，而且向驾 控台反馈灯板的指示灯信号，船员根据操纵台车钟灯板上的指示信息了解主 机的实际工作状况。 遥控模式时，主控制器通过两个r s 4 2 2 端口与遥控台进行通信，它接收 遥控台进一、进二、进三、进四、空车、倒车指令的同时，还接收定时通信 的的指令来进行实时的状态信息反馈，向遥控台的监控系统反馈各种报警信 号以及齿轮箱和主机状态，远端遥控人员根据p c 机遥控界面了解船的实际工 作状况。 机旁模式时，船员直接通过机旁监控箱的控制按钮向柴油机控制系统发 送正车、空车、倒车、加速、减速和停车等指令。主控器通过远程d e v i c e n e t 网络连接机旁控制箱来接收和发送信号。机旁船员根据机旁监控箱显示灯板 上的指示信息了解主机的实际工作状况。 此外，主控器还接收船体的报警信号，如主配电板失电报警、机舱进水 报警等。 2 。3 2 主机控制系统控制模式 主机控制系统分为三级控制：机旁控制模式、驾控台控制模式和遥控模 式。 一 在遥控模式下，船受远程遥控台控制。在航行过程中，远程控制人员对 海况船况可能会了解不够准确及时，为了应对突发情况，船上驾驶室人员需 要对船有优先的控制权，这样可以避免事故的发生或者减小损失。这就要求 9 哈尔滨t 稃大学硕+ 学1 1 i ) = 论文 驾控台要比遥控控制有更高的优先权。 在驾控模式下，船受驾控台控制。在航行过程中，驾控控制人员对主机 可能会了解不够准确及时，为了应对突发情况，机旁人员需要对船有优先的 控制权，这样可以避免事故的发生或者减小损失。这就要求机旁要比驾控控 制有更高的优先权。 所以机旁控制模式优先级最高，驾控台控制模式次之，遥控模式最低。 这样可靠的保证了主机运行过程中控制权的唯一性。通过调节转换开关可以 完成三种控制方式的切换。 2 4 主机控制系统功能分析 2 4 1 操纵方式及操纵方式转换功能 主机控制系统可以实现驾控台、遥控、机旁三种控制方式的转换。 ( 1 ) 驾控台控制 驾控请求与响应是驾驶台与机旁之间请求驾控权的联络信号。在非驾控 状态，当驾驶室或集控室请求控制权时，驾驶室把转换开关打到驾控，机旁 监控箱驾控请求指示灯闪光，蜂鸣器发出声响。机旁轮机员接到请求后，首 先将车钟进行对车，把转换开关打到驾控，机旁监控箱的蜂鸣器消声，指示 灯停止闪光转为平光，此时控制方式即为驾控。在驾控室操纵台操纵车钟手 柄，实现对主机的速度控制。 ( 2 ) 遥控台遥控 当船舶处于驾控模式或者机旁模式，驾驶室想将控制权交给远端遥控控 制时，驾驶室把转换开关打到遥控，这时主机旁监控箱响应指示灯闪光，蜂 鸣器发出声响。机旁接到请求后，首先将车钟进行对车，然后把转换开关打 到遥控，此时蜂鸣器消声，驾驶室和集控室的指示灯转为平光。主控制器接 收遥控台发来的指令，译码后向柴油机控制系统发送控制命令，实现对主机 的无人操控。 ( 3 ) 机旁控制 轮机员将开关转换为机旁控制后，这时驾控台响应指示灯闪光，蜂鸣器 发出声响。驾控台接到请求后，首先将车钟进行对车，然后把转换开关打到 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 遥控，此时蜂鸣器消声，指示灯转为平光，此时系统处于机旁操纵状态。操 作人员根据应急车钟指令在机旁利用按钮来控制主机起停和调速。 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。 2 4 2 状态指令切换功能 主控制器接收来自遥控台或车钟的控制指令，向柴油机控制系统发送控 制命令，实现对主机的控制。发送控制信号顺序通常如下：进一、进二、进 三、进四、进三、进二、进一、空车、倒车。为了更加灵活有效地应对紧急 情况，该主机控制系统可以不考虑当前主机运行状态，直接发出期望指令。 如当舰船处于进四的状态时，可以直接输入“倒车 指令，控制系统可以自 动识别当前主机状态，对主机作出最优化的控制操作。 2 4 3 监测主机及齿轮箱状态功能 主机工作时，柴油机控制系统采集主机状态，通过d e v i c e n e t 将信号传 送到主控制器，主控制器将信息处理后，将状态信息实时显示在机旁监控箱 和驾控台各自的显示灯板上。灯板上设有柴油机和齿轮箱的报警信号指示灯。 2 4 4 故障信息报警及安全保护功能 ( 1 ) 自动停车 当主机超速运行( 为额定转速的1 2 0 时) ，主机能自动停车并声光报警。 ( 2 ) 失电自保 当主电源( 单相a c 2 2 0 v 、5 0 h z ) 失电后，应急电源( d c 2 4 v ) 能自动投入 工作，保证主机能维持原工作状态。 ( 3 ) 错向报警 ， 当驾控室操纵台面板与机旁监控箱指示状态不一致时，灯光报警。 ( 4 ) 故障报警 当左右主机出现滑油温度高、滑油油压低、水温高、燃油油位低时，发出 灯光报警。当左右齿轮箱出现滑油温度高、滑油压力低、工作油压低时，发 出灯光报警。只有消除故障后，故障指示灯才熄灭。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 4 5 应急操纵功能 。 为能够在应急工况下正常工作，主机遥控系统特别设有应急车钟，直接 将操作指令传给机旁监控箱，由机旁轮机员根据机旁监控箱上指示灯的显示 来对主机进行手动操作，并反馈指令执行情况。 应急车钟在失步状态下，发送器上指示灯闪烁，蜂鸣器报警；只有在同 步状态下，发送器上相应指示的灯变成平光，蜂鸣器停止声音报警。 2 4 6 主控制器与遥控台通讯功能 为使主控制器能够接收遥控台发来的指令，实现远程主机遥控功能，主 控器与遥控台之间必须具备通信功能。 ( 1 ) 遥控台向主机遥控系统发送控制指令，主机遥控系统向遥控台发回 应答信息。遥控台根据主机遥控系统的应答信息进行判断，如果主机遥控系 统未正确接收控制指令，则遥控台重发控制指令，若3 次未能正确传输控制 指令，则遥控台向指挥站发送与主机遥控系统通信失败信息。 ( 2 ) 主机遥控系统接收到遥控台的定时通信语句后，每4 秒发送一次主 机和齿轮箱的状态信息。 2 4 7 安全智能行驶功能 当主机控制系统与遥控台突然失去联系，即通信中断时，主机控制系统 会在通信中断时刻起开始计时，如果两分钟后通信还没有恢复，则系统会自 动控制主机度速进一。2 5 分钟后主机自动空车，等待救援。这样有效避免 舰船碰撞及其它事故的发生。 2 4 8 辅助车钟功能 ( 1 ) 备车 从驾驶台给出备车指令到完车的全部过程除定速航行外的其它状态称为 备车状态。驾驶员在需要备车时，驾驶室把转换开关打到备车发出备车指令， 机旁备车指示灯闪光，蜂鸣器发出响声。机旁接到指令后，把转换开关打到 备车应答，使驾驶室和集控室备车指示灯转为平光，蜂鸣器消声。 ( 2 ) 完车 驾控台不用车称为完车。完车按钮是驾驶员通知轮机员不用车的联络信 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 号。驾驶室把转换开关打到完车，机旁监控箱完车指示灯闪光，蜂鸣器发出 响声。轮机员把转换开关打到完车应答，使机旁指示灯转为平光，蜂鸣器消 声。 2 5 本章小结 本章确定了以p l c 为核心的主机控制系统的总体方案，进一步明确了主 机控制系统的工作过程、控制模式及具体功能，选择了主控制器，提出了软 件的设计目标，为主机控制系统的实现奠定了基础。 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 第3 章主机控制系统的硬件设计 根据主机控制系统的总体方案，本章确定了主机控制系统的硬件结构， 介绍了主要硬件的选型，并在此基础之上进行内部电路设计。 3 1 主机控制系统的硬件框图 主机控制系统如图3 1 所示，主机控制系统的硬件组成主要包括驾控台、 中央主控制器、左机旁监控箱、右机旁监控箱，执行器等几个部分。 图3 1 主机控制系统组成框图 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 驾控台控制面板安装在驾驶室控制台上，具有主机控制和监控功能，包 括车钟和主机状态显示系统，主控制器安装在设备舱，左右机旁监控箱安装 在左右主机的机旁，电磁执行器安装在主机上，转速传感器安装在主机上。 3 2 主控制箱 32 1 主控制箱内的主要硬件组成 主控制箱的主要硬件有：o m r o n 公司c j i m 型p l c 主控制器、朝阳电 源、电源滤波器、空气开关、保险丝、d e v i c e n e t 分路器等，如图3 2 所示。 1 c j l m 型p l c 主控制器；2 空气开关；3 保险丝：4 d e v i c e n e t 分路器；5 滤波器；6 朝阳电源 图3 2 主控箱内部结构 3 22 主控制器( p l 0 ) 的选型 选用p l c 作为遥控系统的主控制器，特别是应用于舰船主机遥控系统上， 必须具有较好的可靠、防震性能、三防性能以及抗干扰性能。从以下几个方 面进行了反复比较： 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 ( 1 ) p l c 是否配置灵活，装配、维修、升级方便； ( 2 ) 使用环境条件，是否满足海规或内规的要求； ( 3 ) 有无实船使用的经验，是否取得过船级社认可标记； ( 4 ) 具有较高的使用可靠性，软件指令丰富，功能较强； ( 5 ) 具有r s - 2 3 2 或r s - 4 2 2 串口，可以实现通信功能。 基于以上几点，经过分析研究，最后选择了经过日本海事协会认可的日 本o m r o n 公司的c 系列c j l m 型机。 3 2 3 主控制器 主控制器是主机控制系统的核心部分，在驾控台车钟控制时，主控制器 接收主车钟发来的控制信息，经编码后发给柴油机控制系统执行相应指令控 制，同时主控器将柴油机和齿轮箱的状态信号，发送到驾控台的显示系统。 在遥控时，主控制器通过遥控台接收控制指令，经译码后发给柴油机控 制系统执行相应控制指令，同时将柴油机的状态信号发送回遥控台。 ( 1 ) 主控制器的结构 p l c 按结构特点分类可以分为箱体式，模块式及内插版式三大类。该主 机控制系统主控器c j l m 型p l c 属于模块式。它主要由电源模块、c p u 模块、 输入模块、输出模块、c p u 总线模块即通信模块和d e v i c e n e t 模块组成，如 图3 3 所示。 ( 2 ) 主控制器的模块及其性能指标 q c p u 模块 如图3 4 所示为中央处理单元( c p u ) c j l mc p u 2 1 模块，它是p l c 的控制 中枢，按照p l c 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和 中的语法错误。当p l c 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入 1 6 罅斧 c i 枷一c 1 1 m c j i w - c j l -c j l 卜 c i l p c j l 卜c j l m - p e x 2 5c p u 2 1i d 2 1 1i d 2 1 10 c 2 1 l0 c 2 1 1 电源 c h i 3 2 点输1 6 点输3 2 点输3 2 点输 模块 模块 入模块八模块出模块出模块 主站模块通讯模块 12 3456 丰 辜堡蜮 膨； 图3 4c p u 单元 图3 3 主控制器结构示意图 装置的状态和数据，并分别存入i o 象区，然后 从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命 令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算；并 将结果送入i o 象区或数据寄存器内。当所有的 用户程序执行完毕后，将i o 象区的各输出状态 或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置、 如此循环运行，直到停止运行。主机控制系统选 用的c j 1 mc p u 2 1 模块的技术指标n “如表3 1 所 不： 哈尔滨下稃大学硕士学位论文 表3 1c j l m c p u 2 1 各项指标 i o 位程序数据存l d 指令内置端口内置功能 容量储容量处理速度 1 6 0 位5 k 步3 2 k 字 0 1 “s 外设端口和输入：1 0 r s - 2 3 2 c 端口输出：6 开关量i 0 输入模块 输入模块把外部信号转变成中央处理器能处理的电信号，并把这些信号 传送给内存或中央处理器。 。在选择输入输出模块时，首先要确定i o 点数，p l c 的控制规模决定了 i o 点数。当然，还应考虑到以后工艺和设备的改动，或i o 点的损坏、故 障等，一般应增加1 0 - - - , 2 0 的备用量m 衢，以便随时增加控制功能。主机控制 系统输入信号统计如表3 2 所示： 表3 2 输入信号统计表 信号内容数量( 个) 火灾报警，舱底进水，损管交权等 6 主车钟指令( 进一，空车，倒车等) 1 2 备车，完车转换 4 操纵模式转换 6 驾控台控制按钮 1 0 共计 3 8 设计共有3 8 个输入信号，考虑经济性和可扩充性，选取c j i w i d 2 11 型 1 6 点输入模块3 块，即1 6 3 = 4 8 个。模块工作电压为直流2 4 v 供电，输入 电阻为3 3 k ，输入电流7 m a ，两个公用回路( c o m 端) 。当输入点i no n ( 加 上2 4 v 电压) 时，会在该回路产生近7 m a 的电流，从而经光耦合器把这个o n 状态送入其内部电路，使输入状态寄存器置l 。反之，若i no f f ( 去除所加 电压) ，则使输入状态寄存器置0 。其工作电路结构如图3 5 所示1 。 1 8 哈尔滨t 程火学硕士学位论文 l n o d l n l 5 c o m c o m i 一一_ j 图3 5 输入模块电路结构图图3 6 输出模块电路结构图 开关量i o 输出模块 输出模块把可编程序控制器发给外部的信号转变成外部能接受的信号， 把输出信号送到被控设备或生产现场，驱动各种执行部件，实现实时控制。 ， 表3 3 输出信号统计表 信号内容数量( 个) 驾控台两个显示灯板指示灯2 1 5 = 3 0 驾控台蜂鸣器 1 备车，完车转换 4 操纵模式转换 6 共计 4 1 设计输出信号共有4 1 个，考虑经济性和可扩充性，选取输出单元型号为 c j l m - o c 2 11 ，1 6 点输出模块4 块，最大通断能力2 a2 5 0 v c o 其工作电路如 图3 6 所示。 电源模块 电源模块为p l c 和内部总线提供电源。它有指示灯，当电源模块正常工 作时亮。还有连接端子，分别用来接电源或接地。 在校验p l c 所用电源的容量时，要注意p l c 系统所需电源一定要在电源 限定电流之内。最终选用型号为c j l w - p d 0 2 5 ，工作电压及频率范围在1 9 2 2 8 8 v d c ，输出容量为o 8 a2 4 v 。完全可以满足使用要求。 通信模块 p l c 通过通信模块与遥控台或上位机相连，并通过通信接口实现两者的 1 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 通信。为完成与遥控台的通信，选用通信模块型号c j l w s c u 4 1 一v l 。它有两 个通信口，一个为r s 一2 3 2 串口，另一个为r s 一4 2 2 a 串口。设计要求采用 r s 一4 2 2 a 通信，并且冗余配置，可将r s - 2 3 2 串口用r s - 2 3 2 c r s - 4 2 2 a 转换 器转为r s - 4 2 2 串口。 3 2 4 电源 选用朝阳电源4 n i c u p s 为控制箱供电。输入2 2 0 a c ，输出2 4 v d c ，功 率5 0 0 w 。其功率满足主机控制系统的需要。工作时采用自动变换电源模块， 将a c 2 2 0 v 和d c 2 4 v 均接至电源模块，当工作正常时，使用a c 2 2 0 v ，一旦 船上电源a c 2 2 0 v 出现故障，电源模块自动切换至d c 2 4 v ，保证主机控制系统 的正常工作。 3 2 5 电源滤波器 电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。通过电源线，电网 上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通 过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。为了防止这两种情况的发 生，必须在设备的电源入口处安装低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工 作频率( 5 0 h z ，6 0 h z ，4 0 0 h z ) 通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于 这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器瞳”。 ( 1 ) e m i 电源滤波器基本原理 e m i ( e l e c t r o m a g