（电力电子与电力传动专业论文）船舶电力推进教学系统的研究.pdf

t h er e s e a r c ho nt h et e a c h i n gs y s t e mo f s h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o n a b s t r a c t d o u b l ee l e c t r i c a l p o d d e dp r o p u l s i o ni st h ef o c u si ns h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o n r e s e a r c hf i e l dr e c e n t l y i no u r c o u n t r y ，b o t ht h et h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n to ne l e c t r i c a l p o d d e dp r o p u l s i o na r es t i l lu n d e r w a y s o ，d e v e l o p i n go u ro w ns h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o n s y s t e mi so u rp r e s s i n gt a s k w es h o u l dn o to n l yr e f e rt ot h ee x p e r i e n c eo ff o r e i g n c o u n t r i e sb u ta l s ob a s eo no u ro w ns t a t u st od e v e l o po u ro w ne l e c t r i c a l p r o p u l s i o n s y s t e ma n ds u p e r v i s i o ns y s t e m i ti sa l s on e c e s s a r yt oc a r r yo nt e a c h i n ga c t i v i t i e so ft h e s h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o ni nc a m p u s t h ea u t h o rf i n i s h e st h ed e s i g no ft h et e a c h i n g s y s t e mo fs h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o nb yu s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，p l c ，a n ds o o n t h et 1 1 e s i si n t r o d u c e st 1 1 e c o n c e p t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h es h i pe l e c t r i c a l p r o p u l s i o ns y s t e m ，a n a l y s e st h ep o d d e dp r o p u l s i o n ，a n di n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i co ft h ed o u b l ep o d d e dp r o p u l s o r t h ea u t h o rr e f e r st ol o t so fl i t e r a t u r e sa n d d a t u mo ni n t e r a c t ，a n du n d e r s t a n d st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s so ft h ep o d d e d p r o p u l s i o n i ns u p r as i d e ，t h ea u t h o ru s e sz u t a l w a n 9 6 5c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g nt h e s u p e r v i s i o np a r to ft h es h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o n t h es u p e r v i s i o np a r ti n c l u d e st h e g e n e r a t o r ，s h i pp o w e rs t a t i o n ，a n dt h ep r o p u l s i o nc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hm a k e st h e s t u d e n t su n d e r s t a n dt h ew h o l e p r o c e s so ft h es h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o n ，b ea w a r eo ft h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h ee l e c t r i c a lp o d d e dp r o p u l s i o n ，a n db e c o n v e n i e n tf o rt e a c h i n ga n dr e s e a r c h i ni n f r as i d e ，t h ea u t h o rc h o o s e st h es i m e n sc p u2 1 4p l ct oc o n t r o lt h es p e e d s u b s y s t e mo f t h ep o d d e dp r o p u l s i o n ，a n dc h o o s e se m u l a t o rp l ct oc o n t r o lo t h e rd e v i c e s s u c ha st h eg e n e r a t o r ，s h i pp o w e rs t a t i o n t h ee m u l a t o rp l cc a ns i m u l a t et h er e a lp l c ， a n dp r o v i d et h ed a t af o rz u t a i w a n 9 6 5t of i n i s ht h es u p e r v i s i o na n dc o n t r 0 1 t h ea u t h o r u s e st h ee q u i p m e n t si nl a bd e s i g nt h es p e e ds u b s y s t e mo fp o d d e dp r o p u l s i o n ，a n du s e t h es i m e n ss 7 2 0 0s e r i e sc p u2 1 4d e s i g nt h ep i dp r o g r a m t h ea u t h o ru s et h ep p ic o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e np l ca n d z u t a i w a n 9 6 5 a tl a s t ，k e yc o n c l u s i o n sa r e g i v e na t t h ee n do ft h et h e s i s p r o b l e m sa n d d r a w b a c k so ft h ep m s e mm e t l l o da r ed i s c u s s e d ，a c c o r d i n gt ow h i c hs o m es u g g e s t i o n s a r eg i v e nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：d o u b l ee l e c t r i c a lp o d d e d p r o p u l s i o n ；p l c ；z u t a i w a n 9 6 5 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；p i dc o n t m l 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! ” 。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：年月 = = i 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。 者签e t 意粥筘1 3 铆 期：6 年弓月fi 第一章绪论 船舶采用电力推进技术后，有助于全面提升船舶信息化、智能化、自动化程 度。船舶电力推进教学系统把船舶电力推进系统的各个组件搬到了实验室，近乎 真实的反应了实际船舶的电力推进系统的结构，使船舶的运行情况能够在实验室 里形象的演示，有利于教学和研究。它的组成和实际船舶有一定的差别，但是它 完整的包含了各个组成部分，并将各部分有机的结合起束。 本文从双吊舱船舶电力推进系统的概念、特点出发，介绍了整个系统的结构， 最后选用组态软件，微机，p l c ，变频器，电动机，以及电源等设备，在实验室模 拟设计了双吊舱船舶电力推进教学系统。 1 1 船舶电力推进系统概述 1 1 1 船舶电力推进系统的概念 随着技术进步，提出了发展综合全电力推进系统( i p s ) 概念，将船舶的电力 系统和推进系统组成一个整体，把动力机械能转化为电能，提供给推进设备和船 上其它设备使用，使船舶日用供电和推进供电一体化，实现能源的综合利用和统 一管理 1 。 船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、推进、储能、监 控和电力管理。是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合；它不是电力 推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置、技术等方谣均发 生重大变化，给未来的船舶带来一场革命旧】。 电力推进船舶，主要指船舶的主推进系统是由电动机所带动的。它利用发电 机( 一般为柴油机发电机组、燃气轮机发电机组或涡轮机发电机组) 把其它形式 的能量转变成电能，再通过电动机把电能转换成机械能，实现了能量的非机械方 式传递。 1 1 2 船舶电力推进的发展历程 船舶电力推进的发展历史，最早可追溯到1 8 3 8 年，当时一位饿罗斯的科学家 利用蓄电池供电完成了第一次的电力推进船舶试验。电力推进船舶的第一次盛行 时期是在进入二十世纪之后的第二次世界大战期间，其主要的应用领域为海军舰 船。到了二十世纪五十年代，以芬兰a b b 公司为代表的企业把电力推进技术成功 的应用在了破冰船、挖泥船、科学考察船、潜水船以及半潜海钻探船等船舶上。 当时电力推进装置的技术是“f d ，系统，即通过调节直流电动机励磁回路的 电阻来实现转速控制。在6 0 年代，由于半导体器件及其控制技术的发展，转速控 制也相应的改进为由晶闸管系统来控制励磁，从而推动了电力推进系统的发展。 到了7 0 年代，随着大电流半导体元器件的出现，控制器件已更换为电子半导体材 料，很好的改善了控制性能i l 。j 。 在8 0 年代，电力推进系统发生了本质的变化，1 9 8 3 年世界上第一艘采用交， 交变频技术的船舶下水，电力推进技术也由交一直系统改为交一交系统，从根本t i 消除了直流系统的诸如大负载和反转时出现火花整流器磨损、电刷烧毁、产生电 磁干扰，维护难等缺点，这也是现代电力推进技术发展的早期雏形。通过改变供 给电动机的电流频率和电压来调节推进电动机转速的交流推进系统取代了直流推 进系统，借助于逆变器和变领器来实现的各种方案得到广泛应用 1 。j 。 9 0 年代出现了吊舱式电力推进系统，使推进效率得到了提高。之后船舶电力 推进技术在不同的环节上有了许多发展，推进功率由小到大，如今单机推进功率 已做到2 2 m w ；变频器件由晶闸管发展到i g b t ；推进电机由异步机、同步机发展到 永磁机；变频控制技术逐步形成了交一交变频的循环变频控制授术 ( c y c l o c o n v e n t e r ) 和交一直一交变频的直接转矩控制技术( d i r e c tt o i q u e c o n t r 0 1 ) 1 - 3 l 。 目前世界上许多公司都在研究船舶电力推进技术，其中具有代表性的公司有 芬兰的a b b 公司，其代表产品为a z i p o d 、德国的s i e m e n s 公司，其代表产品为s s t 、 法国的阿尔斯通公司，其代表产品为m e r m a i d 。 1 1 3 船舶电力推进的应用前景1 2 1 新型的电力推进包括超导电力推进、太阳能电力推进、燃料电池电力推进等 方向，其研究领域十分广泛，待研究的课题众多，无论从深度上还是广度h 都有 很大的发展潜力，在未来的几年乃至十几年内，就船舶电力推进系统相关技术掌 握的好坏，将在很大程度上体现出一个国家造船技术的水平。 船舶电力推进系统既有明显的优点又有一些不足，只要能够很好的发挥优越 2 船。到了二十世纪五十年代，以芬兰a b b 公司为代表的食业把电力推进技术成功 的应用在了破冰船、挖泥船、科学考察船、潜水船以及半潜海钻探船等船舶上。 当时电力推进装置的技术是“f _ d ”系统，即通过调节直流电动机励磁网路的 电阻柬实现转速控制。在6 0 年代，出于半导体器件及其控制技术的发展，转速控 制也相应的改进为由晶闸管系统来控制励磁，从而推动了电力推进系统的发展。 到了7 0 年代，随着大电流半导体元器件的出现，控制器件已更换为电子半导体材 料，很好的改善了控制性能【l _ j j 。 在8 0 年代，电力推进系统发生了本质的变化，t 9 8 3 年世界上第艘采用交 交变频技术的船舶下水，电力推进技术也出交一真系统改为交交系统，从根本上 消除了直流系统的诸如大负载和反转时出现火花整流器磨损、电刷烧毁、产生电 磁干扰，维护难等缺点，这也是现代电力推进技术发展的早期雏形。通过改变供 给电动机的电流频率和电压来调节推进电动机转速的交流推进系统取代了直流推 进系统，借助于逆变器和变领器柬实现的各种方案得到广泛应用【l 。i 。 9 0 年代出现了吊舱式电力推进系统，使推进效率得到了提高。之后船舶电力 推进技术在不同的环节上有了许多发展，推进功率1 1 1 小到大，如今单机推进功率 已做到2 2 b f w ；变频器件由晶闸管发展到i g b t ；推进电机由异步机、同步机发展到 永磁机：变频控制技术逐步形成了交一交变频的循环变频控制技术 ( c y c l o c o n v e n t e r ) 和交”直一交变频的直接转矩控制技术( d i r e c tt o iq u e , c o n t r 0 1 ) ”1 。 目前世界上许多公司都在研究船舶电力推进技术，其中具有代表性的公司有 芬兰的a b b 公司，其代表产品为a z i p o d 、德国的s i e m e n s 公司，其代表产品为s s p 、 法国的阿尔斯通公司，其代表产品为m e r m a i d 。 11 8 船舶电力推进的应用前景川 新型的电力推进包括超导电力推进、太阳能电力推进、燃料电池电力推进等 方向，其研究领域十分广泛，待研究的课题众多，无论从深度上还是广度上都有 很大的发展潜力，在未来的几年乃至十几年内，就船舶电力推进系统相关技术掌 握的好坏，将在很大程度上体现出一个国家造船技术的水平。 船舶电力推进系统既有明显的优点又有一些不足，只要能够很好的发挥优越 船舶电力推进系统既有明显的优点又有一些不足，只要能够很好的发挥优越 性，克服缺点，其必将成为现代船舶发展的中一个重要方向。归结起来，促进船 舶电力推进系统的应用与发展有如下的有利因素： a 经济性提高是推动全电力推进应用的首要因素。 b 环保的社会趋势使全电力推进成为新世纪大型水面船舶青睐的主动力系 统。 c 吊舱式推进器技术的发展和成熟有力地推动了全电力推进的应用。 然而局限全电力推进技术应用的不利因素也是客观存在的。影响航海技术发 展的基础工业主要是船舶设计、建造、管理、维修技术水平。发电机原动力的发 展水平限制了船舶设计，材料工艺的发展、造船技术的高低局限了船舶的建造与 维修，工业自动化程度的高低影响了其中的每一个环节。全电力推进技术从理论 上已走向成熟，但要真正推广应用到商业、军事领域，需要与之相关的基础：t = 业 发展到适当的水平。燃料电池代替柴油机还需要一段时间，大功率推进电机、吊 舱式推进器、自动控制技术等相关技术都在不断地走向成熟。 1 。2 吊舱式电力推进器 1 2 1 吊舱式电力推进概念的提出 1 9 8 9 年电力推进有了突破性的进展。芬兰k v a e r n e rm a s a y a r d 和a b b 芬兰公 司率先提出了吊舱式电力推进器的概念，它突破了柴油机加开放式的传动轴系的 推进器设计定式，其设计思想的革命性在于它把螺旋桨驱动电机簧予一个能3 6 0 度回转的吊舱内，悬挂在船下集推进装置和操舵装置于一体，省去了通常所使用 推进器轴系和舵，从而极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性。吊舱式电力 推进器的出现是电力推进中的亮点，它优化了推进器的水动力性能，弥补了传统 电力推进系统效率不高的缺陷，应用吊舱式电力推进器将使电力推进的优越性得 到更充分的体现。图1 1 是a b b 公司的吊舱式推进器a z i p o d 的系统构成，其中包 括了发电机组、主配电盘、变频机组、a z i p o d 推进器组以及自动控制等模块。 图1 1a z i p o d 吊舱式电力推进系统组成 f i g 1 1t h ec o n f i g u r a t i o no f t h e a z i p o dp o d d e dp r o p u l s i o n 1 2 2 吊舱式电力推进器简介 吊舱式电力推进器由吊舱和螺旋桨构成，其中吊舱又可分为回转体形状的舱 体和流线形的支架舱体或支架，上还可能安装鳍。舱体内鼍电机直接驱动舱体前 端或后端的螺旋桨，根据桨的数目及位置可分为牵引式( 拖式) 、推式、串列式 等，另外，还可以考虑使用对转桨、导管、整流支架等，总之形式多样。其设计 概念源自破冰船，由芬兰k v a e r n e rm a s a y a r d 署! j a b b 公司在1 9 8 9 年率先提出此 后有关国家进行了比较深入的研究以将此推进器用于各种类型船舶。在它的发展 过程中电力、机械系统设计和水动力性能优化设计的相互关系是关键”j 。 吊舱式推进器将推进系统置于船外，可以节省船舶内大量的空间，提高船舶 的经济效益和实用性，因而其市场发展潜力很大。目前吊舱式推进器的推进功率 最高可达3 0 兆瓦，适用于现今已采用柴油机一电力推进的各种船舶，也适用与石油 钻井平台补给舱及穿梭油轮等一些从事近海业务的船舶。并被进一步应用于滚装 船和旅游船，以及海军潜艇驱逐舰、巡逻艇和补给船等。 4 1 2 3 吊舱式电力推进器结构及优点 吊舱式推进器的主要部分是流线型水下吊舱，它悬挂在船下。该吊舱由船用 钢和铸钢制造丽成，通过法兰盘与船体相接，舱内安装一台电动机，直接驱动螺 旋桨。发电机位于船舱内，发电机的电力和相关的控制数据经电缆和滑环装置传 送给电动机。滑环装置由两台或四台电动或液压马达来带动，能使吊舱3 6 0 度回 转，从而起到舵的作用 4 1 。图1 2 是a b b 公司开发的a z i p o d 吊舱式推进器内部结构 图： 图1 2a z i p o d 吊舱式推进器内部结构图 f i g 1 2t h ec o n f i g u r a t i o no f t h ea z i p o dp o d d e dp r o p u | s o r 其实，吊舱两端都可装上螺旋桨，如果转向相同则称为串列式吊舱推进器， 例如s i m e n s s c h o t t e l 公司推出的s s p 。其冷却方式采用空气冷却，必要时，冷却 空气从尾舱传送到电动机。由于推进系统本身完全包含在吊舱内，所以船体上就 省去了一些附属部分，如轴支架和常用的艉肋骨及舵，而且船内也没有艉轴和减 速齿轮装置，船内电站的位置不再受原动机的限制。船艉不需装备助推器。吊舱 式推进装置由驾驶台上的主控面板来控制钔。 吊舱式推进器除了包含推进电动机和螺旋桨外，还安装有如下部件： 夺带防水油封的螺旋桨轴和气动压力安全装罱； 夺寿命大于2 0 00 0 0 小时的轴承； 夺螺旋桨的制动闸； 夺舱底系统； 夺电机轴承和密封系统的报警监视器； 呤可以4 1 0 度旋转或以任意角旋转的电缆管： 呤电动或液压操舵系统； 夺机旁指示器； 夺舱底排漏泵。 与传统的螺旋桨推进方式相比，吊舱式推进器在船舶设计、性能、制造及维 护等方面有诸多优点，可归纳如下： 夺螺旋桨由柴油机或燃气轮机驱动变为电机驱动，使动力机舱得以自由布置，同 时省去了较长的传动轴系，提高了舱容： 夺船尾型线得以改善，推进器在比较理想的伴流中工作，螺旋桨诱导的船尾振动 及辐射噪声性能改善； 夺推进器可回转，省去了舵及侧推器等装置，大幅度提高船舶操纵和紧急机动的 能力： 呤推进器及其驱动等部分作为一个模块，整体制造及安装，可降低船舶造价，缩 短建造周期，同时便于质量控制，故障检修及日常维护等。 1 ，3 论文主要工作 1 ) 首先介绍电力推进系统的概念及特点，对吊舱式电力推进进行简要的分析， 并对吊舱式电力推进器的结构及特点进行介绍。 2 ) 利用组态软件开发船舶电力推进教学系统上位机监控部分。监控部分完整 的包含了对船舶电力推进系统中的发电机组、船舶电站、推进控制系统等部分的 监控，并将各部分有机的结合起来。 3 ) 利用实验室已有的设备完成船舶电力推进教学系统下位机吊舱推进调速系 统电路设计。利用西门子p l c 完成吊舱调速系统p i d 程序的设计。实现上位机组 态软件对下位机的监控工作。 4 ) 总结全文工作，给出本研究的主要结论，讨论在研究过程中所发现的问题 及目前方法的不足之处，并对将来工作提出建议。 第二章可编程控制器( p l c ) 介绍 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ll e r ) 自问世以柬，经过2 0 年的 发展，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。它之所以高速发展，除了：i ：业自动 化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关 心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。由于p l c 日趋完善加上系统本身 特有高可靠性，较好的抗干扰能力，应该说在各种设备控制系统中用p l c 比用计 算机可靠性更高，维护保养更为方便。因此，p l c 在舰船动力系统及保障系统中鹿 用前景十分广阔，它可以用来对由传统的继电器接触器组成的控制系统进行技 术改造，也可以用p l c 组成新一代船舶电力推进控制系统。 2 。1 可编程控制器的基本结构和组成 可编程控制器与一般计算机系统一样，也具有微处理器、存储器、i 0 接口等 部分。其结构示意图如图2 1 由图可见，可编程控制器采用了典型的计算机结构， 其内部数据和指令的传输也是采用总线结构。 图2 1p l c 结构示意图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a l i o no f t h ep l c g 微处理器是可编程控制器的主要部件，是整个系统的核心。它将各输入状态 的信息读入，并按照用户提供的程序对信息进行处理最后刷新输出接口，对执行 部件进行控制。 p l c 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 存储器用来存放由p l c 生产厂家编写的系统程序，并固化在只读存储器中， 包括系统管理程序，用户指令解释程序，标准程序模块与系统模块调用程序i 部 分。用户存储器包括用户程序存储器( 程序区) 和功能存储器( 数据区) 两部分。 输入、输出接口是p l c 和外界连接的接口。输入、输出接口有数字量输入、 输出和模拟量输入、输出两种形式。其作用是将外部控制现场的信号与p l c 内部 的信号相互转换。 i 0 扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使p l c 的配置更加灵活，以满 足不同控制系统的需求。 2 2p l o 的工作原t ：里t a l p l c 采用扫描工作方式，其工作过程为：p l c 上电后，首先进行初始化，然 后进入循环工作过程。一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计 算处理、v o 刷新和外设端口服务五个工作阶段，一次循环所用的时间称为一个工 作周期( 或扫描周期) ，其长短与用户程序的长短以及p l c 机本身性能有关，其数 量级为m s 级，典型值为几十r f l s 。 各阶段完成的任务如下： ( 1 ) 公共处理：复位监视定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常 后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或 停止p l c 运行。 ( 2 ) 程序执行：在程序执行阶段，c p u 按先左后右，先上后下的顺序对每条指 令进行解释、执行，c p u 从输入映像寄存器( 每个输入继电器对应一个输入映像寄 存器，其通，断状态对应i 0 ) 和元件映像寄存器( 即与各种给出的逻辑关系进行逻辑 运算，运算结果再写入元件映像寄存器中) 。 9 ( 3 ) 扫描周期计算处理：若设定扫描周期为固定值，则进入等待循环，南到该 固定值到，再往下进行。若设定扫描周期为不定的( 即决定于用户程序的长短等， 为不定值) ，则进行扫描周期的计算。 ( 4 ) f o 刷新：在此阶段，进行i o 刷新。输入刷新时，c p u 从输入电路中读 出各输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时，将输出继电 器的元件映像寄存器的状态( i 0 ) 传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率 放大，驱动外部负载。 ( 5 ) 外设端口服务：完成与外设端口连接的外围设备部编程器或通信适配器的 通信处理。c p u 从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器： 在程序执行阶段，c p u 从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出备继电器的状 态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中：在紧接着 的下一个i o 刷新阶段，将输出映像寄存器的状念写入输出锁存电路，再经输出电 路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。 p l c 的循环扫描工作方式也为p l c 提供了条死循环自诊断功能。p l c 内部 设置了一个监视定时器w d t ，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫掐周 期，p l c 在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视 定时器不会动作，如果由于c p u 内部故障使程序执行进入死循环，那么，扫描周 期将超过监视定时器的定时时间，这时，监视定时器动作，运行停止，以示用户。 2 3 西门子s 7 2 0 0p l c 介绍 s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 系列可编程序控制器是德国西门子公司生产的微型可编程序 控制器。s i m a t i c 系列p l c 有s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 和s 7 4 0 0 三种系列。在本次毕业 设计中采用s 7 c p u 2 1 4p l c 。 2 3 1s 7 c p u 2 1 4 介绍。j c p u 2 1 4 是s 7 2 0 0 系列p l c 中的典型产品，其具有2 0 4 8 字程序存储器，2 0 4 8 字数据存储器；基本单元有1 4 点输入和1 0 点输出，最多可支持7 个附加的扩展i 0 模块( 包括模拟量模块) ，最多可使用共计6 4 个i o 点；数字量输入输出 可扩展至6 2 点入，5 8 点出；模拟输入输出可扩展到1 2 路入，4 路出；或8 路输 出。1 2 8 个计时器( 1m s 分辨率4 个，1 0m s 分辨率1 6 个，1 0 0 m s 分辨率1 0 8 个) ； 1 2 8 个计数器( 9 6 个加计数器，3 2 个加减计数器) ；中断能力强( 自由端v i 通 讯接收或发送中断，4 个输入信号中断，2 个时间中断，7 个高速计数器中断，2 个脉冲串中断) ：1 个最高可按收2k h z 脉冲输入的高速计数器，2 个最高可接收 7k h z 脉冲输入的高速计数器，支持xl 方式的正交脉冲( a b 相) 输入，能以7k h z 速率计数，支持x 4 方式的正交脉冲( a b 相) 输入，能以2 8k h z 速率计数；具有 2 个脉冲输出，能选择脉冲串输出( p t o ) 方式或脉宽调制输出( p w m ) 方式； 有内藏的实时日历时钟。 2 3 2 s 7 2 1 4 的输入输出扩展 $ 7 - 2 0 0c p u 模块提供了一定数量的本机i o ，扩展模块提供了附加的输入输 出点。 本次设计主要用到e m 2 3 5 模拟量输入输出模块：i o 量为3 入l 出。输出有两 种方式，即电压输出和电流输出。电压输出范围为1 0 v ，电流输出范围为o 一 2 0 m a 。输入方式也有电压和电流两种。而电压输入又可分为单极性和双极性两种 方式，其中单极性最大范围为o 一1 0 v ，双极性最大范围为1 0 v ，通过d i p 开关 进行电压输入范围的选择。电流输入范围为0 2 0 姒。 扩展模块必须给它提供一个2 4 v 的直流电源才能正常工作。在本系统中e m 2 3 5 模拟量扩展模块用于接收从电机反馈回来的转速信号，形成转速闭环控制。由于 提供的电源是0 - 5 v ，所以输入电压范围选择o 一5 v ，因此d i p 开关状态为1 0 0 0 0 1 。 2 3 - 3s 7 2 1 4 的编程方法 s 7 2 0 0 的编程语言是s t e p7 ， s t e p 7 一m i c r o w i n 提供三种编辑器来创建程 序：梯形图( l a d ) 、语句表( s t l ) 和功能块图( f b d ) 。用任何一种程序编辑器 编写的程序，都可以用另外一种程序编辑器来浏览和编辑，但要遵循一些输入规 则。 s t l 编辑器按照文本语言的形式显示程序。s t l 编辑器允许输入指令助记符来 创建控制程序。由于s t l 是使用$ 7 - 2 0 0 的本族语言进行编程，所以语句表也允许 创建用l a d 和f b d 编辑器无法创建的程序。所以在本次设计中采用s t l 编辑器来 创建程序。 2 3 4 设置s 7 2 0 0 与s t e p 7 一m i c r o w l n 网络的通讯方式 1 、确定网络中的主从站 s 7 2 0 0 支持主一从通讯方式并且可以被配置为主站或从站。 s t e p 7 一m i c r o w l n 只能是主站。 所以在编程时，我们将此p l c 设置为从站，s t e p 7 一m i c r o w i n 设置为主站。 主站：网络中主站p c 机可以向网络中的s 7 2 0 0 c p u 2 1 4p l c 提出要求，并能 够从从站p l c 读取信息。 从站：从站p l c 只能对其他主站的要求作出响应，自己不能发出要求。 2 、确定网络通讯协议 s 7 2 0 0 c p u 支持以下通讯协议中的一种或多种，它允许配置网络实现应用要 求。 点对点接口( p p i ) 多点接口( m p i ) p r o f i b u 自由口模式协议 由于本次设计所用传输线为p c p p i 电缆，此电缆只支持p p i 协议和自由口模 式协议，又因为采用的s 7 - 2 0 0 p l c 的c p u 的型号为c p u 2 1 4 的0 1 0 1 版本，这种型 号的c p u 不只支持自由口模式协议，所以在本系统中采用p p i 协议。 p p i 是一种主一从协议：主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应。从站 不发信息，只是等待主站要求和对要求作出响应。一些s 7 2 0 0 c p u 在r u n 模式下 可以作为主站，它们可以用网络读( n e t r ) 和网络写( n e t w ) 指令读写其他c p u 中的 数据。 3 、设置波特率 数据通过网络传输的速度是波特率。其单位通常为e b a u d 或m b a u d 。表2 1 绘 出了p c p p i 电缆支持的波特率。 表2 1p c p p i 电缆说明 1 1 a b 2 1t h ei n s t r u c t i o no f t h ep c p p lc a b l e 1 支持的硬件 型号 支持的波特率说明 p c p p i 电缆到通讯口的9 6 k 波特支持p p i 协议f 电缆连接器1 9 2 k 波特 由网络协议，并综合表2 1 ，可确定d i p 开关的状态为0 1 0 0 ，选择波特率为 9 6 k 。 4 、确定站地址 在网络中要给每个设备指定唯一的站地址。唯一的站地址可以保证数据发送 到正确的设备或者来自正确的设备。s 7 2 0 0 支持的网络地址从o 到1 2 6 。下表2 。2 列出s 7 2 0 0 设备的缺省地址。 表2 2s 7 2 0 0 设备缺省地址 t a b 22t h ed e f a u l ta d d r e s so f s 7 - 2 0 0 s 7 2 0 0 缺省地址 s t e p 7 - m i c r o w i n 0 h 雒i l s 7 2 0 0 c p u 2 夺s t e p 7 一m i c r o w i n 波特率和站地址的设置 波特率的设置必须与网络上的其它设备相同，而站地址必须是唯一的。为 s t e p 7 一m i c r o w i n 配置波特率和站地址非常简单。在操作栏中点击通讯图标 ，可从出现的对话框中看到本站地址，远程地址、传输线和传输口、 协议、传输数据位数，这些都是缺省设置，如果要改变s t e p7 - m i c r o w i n 的缺省 设置，则执行以下步骤： p c 2 p p i b b 【p p l l ( 1 ) 在通讯设置窗口中双击图标 a d d t a s g0 。 ( 2 ) 在s e tp c p ci n t e r f a c e 对话框中点击属性按钮 。 ( 3 ) 在出现的对话框中为s t e p7 - m i c r o w i n 选择站地址和波特率。 由于在本系统的网络中不包含其它的编程设备使用s t e p7 - m i c r o w i n 编程软 件，所以在这里将不改变s t e p7 - m i c i ，o w i n 的缺省地址0 。 夺s 7 2 0 0 波特率和站地址设置 s 7 2 0 0 波特率和站地址存储在系统中。所以在为s 卜2 0 0 选择了参数之后， 必须将系统块下载到s 7 2 0 0 中。s 7 2 0 0 站地址和波特率的用s t e p7 - m i 【r ( ) w i n 来设置。在操作栏中点击系统块图标。同样可看到其缺省站地址，波特 率，同时可以对其进行相应的修改。在本次设计中也将不改变s 7 2 0 0 的站地址和 波特率。 在设计中通过如下简单的程序测试： l ds m o 1 = o o 0 执行后发现0 0 0 输出指示灯亮，通讯正常。 第三章教学系统上位机监控系统的设计 3 1 船舶电力推进监控系统介绍 3 1 1 电力推进监控系统的翼要性、组成和任务 1 ) 重要性 船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的 自动控制，全丽提升船舶信息化、智能化、自动化水准。电力推进监控系统是电 力推进系统中的一个重要组成部分，电力推进装置中的各组成部分，需要监控系 统去协调统一控制，使系统工作在最佳匹配状态，以满足舰船对动力装置的要求。 随着计算机网络系统的发展，电力推进监控系统正成为船舶电力推进系统中不可 缺少的组成部分。 2 ) 组成 电力推进监控分系统包括电力管理、故障处理以及系统人机接口。一个完整 的电力推进系统可如图3 1 所示。图中l 为柴油机，2 为发电机，3 为中压配电板， 4 为控制站，5 为电机，6 为变压器，7 为低压配电板，8 为电机，9 主推进配电板， 1 0 为吊舱，“为低压电机控制中心，1 2 为电机。 图3 1 双吊舱船舶电力推进系统 f i g 3 1e l e c t r i c a lp o d d e dp r o p u l s i o ns y s t e r n 系统级电力管理对发电管理和推进负载及非推进负载之间进行协调，分配电 力负载；启动备用发电模块：监控用户接1 2 1 ，执行优先等级卸载程序；按优先等 级次序将负载重新并入系统；关闭发电模块。 人机接口要求获取全部模块的实时信息：发送控制指令、传递信息数据；提 供操纵运行、监视测量、信号报警、受控状态、系统治断和故障隔离能力：支持 多功能、多窗口的图形显示和打印记录能力。 3 ) 任务 电力推进装置监控系统要求能对原动机、发电机、主配电板、推进电机、变 频装置等设备进行监控，系统要能自动辨别出被监控对象的运行条件，并在无人 工干预的情况下自动寻找原动机的最佳运行条件与范围，对负载进行动态自动跟 踪以决定动力机械设备投入数量，寻求原动机的最佳功率运行水平。 监控系统可按监测点清单对被监控的电力推进设备进行集中监测、显示、报 警和打印记录屏幕显示以菜单方式1 ：作、设定运行参数、运行状态、信号报警、 模拟图形和使用须知等项目。可在任何需要的地方安装显示器，实现对整个推进 装置的监测。当被监控对象运行参数越限时，系统发出闪光和音响报警，并进行 屏幕显示和打印记录，信号报警应具有应答、延迟、锁存和复位等基本要求。为 了确保系统可靠运行，监测分系统应按参数危害级别进行管理。 3 1 2 电力推进监控技术的网络体系 l 、网络系统 船舶电力推进是一个对监控系统要求比较高的复杂系统。通常船舶上采用为 微机网络监控系统。 整个系统网络分为二个层次，第一层( 下层) 为冗余的监控网，即各分系统均 为独立的控制层：第二层( 上层) 为信息网，即为全系统内各设备的数据通讯和懿 视管理层次，并对来自底层的各设备数据进行监视与管理。 在船舶现场环境下安装的自动化设备，如传感器、发送器、调节器、驱动器、 电机以及可编程逻辑控制器( p l c ) 等，越来越多地使用了数字微机电子技术，且 各设备将很有可能引自不同的厂家，通信协议各不相同。所以在船舶上很多采用 现场总线技术。它已成为当前世界新型电力推进监控装嚣发展的主流品种。过程 6 现场总线p r o f i b u s ，可满足船舶上这种开放的、不依赖生产厂家的通信系统的需 求，使得船舶上众多的现场设备只要求达到接口功能，而不必要求物理结构上的 致，就可以做到相互兼容。 现场总线是连接现场安装的智能变送器、控制器和执行器的总线。所谓总线 是指一组信号线的集合，是一种按规定协议传送信息的公共通道，通过它可以把 各种数据和命令传送到各自要求的地方。 现场总线在技术上具有以下特点”1 ： a ) 系统开放性。现场总线系统内各不同厂家的设备都可与相同通信标准的其 它设备互连，为系统集成提供可行的技术基础。 b ) 系统具有双重冗余的监控网。数据传输可靠性高，实时自诊断能力强。在 恶劣船用条件下，当一条网络损坏时，系统仍能正常工作。 c ) 系统分散性。现场总线是一种分散性监控系统，从而简化了系统结构，设 备连接和信号往返传输减少，提高了系统可靠性。 d ) 信号传输大多采用短帧结构，受干扰概率低，抗干扰能力强。 e ) 全局广播的传送和接收数据方式，使系统无数据冲突方式进行传输，提高 了多终端网络下传输实时性。 f ) 系统通用化、系列化和模块化程度高，配置灵活，可满足备类舰船电力推 进应用环境的需求。 g ) 设计与安装工作量减少，系统供货周期短，维护简便，产品在全寿命周期 内总投资费用大幅度下降。 2 、传输介质 传输介质的选择对于现场总线系统的应用领域影响很大。在对数据的完整性 的要求的同时，电缆的选择和安装也是重要的考虑因素。因此p r o f i b u s 标准对于 不同的传输技术定义了唯一的介质存取协议。 现在船舶上很多采用光纤作为传输介质。光纤通信主要是指利用激光作为信 息的载波信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统。其主要优点是： 1 ) 光波频率很好，光纤传输频带很宽，故传输容量大，理论上可通上亿门话 路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务： 2 ) 不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于 国防、铁路、防暴等： 3 ) 耐高温、高压、抗腐蚀、不受潮、工作十分可靠： 4 ) 光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属( 如铜、铝) ，且直径小、重量 轻、可挠性好。 3 1 3 船舶电力推进监控系统硬件结构 船舶电力推进系统各个现场控制站的硬件设备是利用组态软件，并通过总线 网络系统连接起来的，以完成对现场各个设备的监控功能，下面对系统的硬件结 构进行分析：