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上海海事大学硕士学位论文 y l b 8 了8 7 7 机舱过程控制f c s 系统集成 摘要 在上海市高等学校科学技术发展基金项目支持的“多模式船舶机舱过程控制 仿真及系统性能评价”( 项目编号：0 3 1 k 1 4 ) 课题中，针对传统船舶机舱自动化系 统的信息孤岛问题，提出了以基金会现场总线技术为基础的f c s ( f i d d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 系统解决方案，研究并构建了机舱过程控制f c s 系统。 本文所做的工作是基金会现场总线技术在船舶上应用的初步探索，设计并实 现了机舱过程控制f c s 系统的选型、控制策略建立和系统的组态，为机舱过程控 制系统提出了一种基于现场总线技术的实现方式。 本文工作包括： 根据机舱过程控制的特点，对目前主流现场总线进行分析比较，选择合 适的现场总线技术，选择控制系统需要用到的智能设备，实现系统互联。 对本文所构建的机舱过程控制系统包含的燃油粘度控制系统和冷却水 温度控制系统进行研究，并建立控制对象数学模型。 利用0 p c 接口技术，实现上位机与现场设备的通信。 利用s y s c o n 3 0 2 组态软件对系统进行组态。 本文成功利用o p c 技术实现了上位机与现场设备的通信，利用数学模型实现 了被控对象特性仿真，解决了实验室中无被控对象的问题。 本文以构建机舱过程控制f c s 系统的过程作为组织文章，布局谋篇的线索， 结构安排如下： 第一章，绪论，介绍本课题的背景，国内外研究现状，本文的工作、创新 点和意义； 第二章，简要介绍机舱过程控制系统的两个典型子系统，即燃油粘度控制 系统和冷却水温度控制系统，根据其特点选择合适的控制系统。 第三章，介绍基金会现场总线控制系统的设计方式，构建燃油粘度控制和 冷却水温度控制f c s 系统。 第四章，建立燃油粘度控制过程和冷却水温度控制过程的数学模型，实现 数学模型的离散化。 第五章，利用o f c 接口实现上位机与现场设备的通信，使系统形成闭环。 第六章，对设计的f c s 系统进行组态。 第七章，总结本文工作，课题展望。 附件中列举了本人读研期间发表的论文，f c s 系统组态参数，燃油粘度温度 关系表，用v i s u a lb a s i c 编写的利用o p c 接口实现上位机与现场设备通信的程 上海海事大学硕士学位论文 机舱过程控制f c s 系统集成 序，以及粘度控制系统温度程序控制给定值发生程序。 本论文构建了基于基金会现场总线的f c s 系统，利用现场总线技术成功解决 了传统控制系统中的信息孤岛问题，实现了船舶机舱的集中监控。f c s 系统可提 高船舶的管理水平，降低营运成本，提高船舶营运的安全性、可靠性和经济性， 在真正意义上实现机舱综合自动化。 关键词：过程控制，现场总线，o p c ，组态 2 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 a b s t r a c t s h i p p i n ge n g i n ep r o c e s sc o n t r o lf c si n t e g r a u o n i nt h es u b j e c t 。m u l t i - m o d ee n g i n er o o mp r o c e s sc o n t r o ls i m u l a t i o na n d s y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ”( n o 0 3 1 k 14 ) ，w h i c hi s f i n a n c e db yt h e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf u n do fd e p a r t m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo fs h a n g h a i 。b ed e a da g a i n s tt h ei n f o r m a t i o na c n o d ei nt h e t r a d i t i o n a ls h i p p i n gp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 。af c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) b a s e do nf f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) i sp u tf o r w a r d ，s t u d i e da n dc o n s t r u c t e d t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa c c i d e n c ee x p l o r eo ff ft e c h n o l o g yt ob e u s e do ns h i p s ，id e s i g n e dt h es y s t e m ，s e l e c tt h et y p e 。c r e a t et h ec o n t r o l s t r a t e g ya n dc o n f i g u r a t e dt h es y s t e m ，g i v eo u tan e w m e t h o db a s e do nf ff o r e n g i n er o o mp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m m a i nt a s k so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe n g i n er o o mp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m c o m p a r e dt h er e c e n tm a i nf i e l d b u st e c h n o l o g y 。s e l e c tt h ef i e l dd e v i c e f o rt h ep r o c e s sc o n t r o is y s t e m a n dc o n n e c tt h ed e v i c e s s t y d i et h ef u e lo i lv i s c o s i t yc o n t r o ls y s t e ma n dc o o l i n gw a t e rc o n t r o l s y s t e mi n c l u d ei nt h ee n g i n er o o mp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 。c r e a t e d p r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g y u s et h eo p ci n t e r f a c et e c h n o l o g y c o n n e c tt h ec o m p u t e ra n dt h ef i e l d d e v i c e u s et h ec o n f i g u r a t o rp r o g r a mt oc o n f i g u r a t et h es y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nu s et h eo p ct e c h n o l o g yc o n n e c tt h ec o m p u t e ra n df i e l d d e v i c e 。u s em a t h e m a t i cm o d e lt os i m u l a t et h et ob ec o n t r o l l e do b j e c t ，s o i v e d t h ep r o b l e mt h a tt h e r ei sn oo b j e c tt ob ec o n t r o l l e di nl a b o r a t o r y t h ed e s i g nf l o wo ft h ef c si su s e da sac l u et oo r g a n i z em a t e r i a l sa n d c o n s t r u c tt h ed i s s e r t a t i o n t h es t r u c t u r ei sp l a n e d 躺f o i l o w s ： c h a p t e r l ，p r o d r o m e ，i n t r o d u c ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，c u r r e n ts t a t u so ft h i s s u b j e c ta th o m e a n da b r o a d ，协s k s ，i n n o v a t i o n a lp o i n t sa n dm e a n i n g c h a p t e r 2 ，i n t r o d u c et w or e p r e s e n t a t i v ec o n t r o ls y s t e m so fe n g i n ep r o c e s s c o n t m ls y s t e m s 。v i z v i s c o s i t yc o n t r o ls y s t e ma n dc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e 3 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 c o n t r o ls y s t e m ，s e l e c tc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c s c h a p t e r 3 , i n t r o d u c et h em e t h o dt od e i g nf c sb a s e do nf f ，c o n s t r u c t t h ev i s c o s i t yc o n t r o lf c sa n dc o o l i n gw a t e r t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m c h a p t e r 。d e s i g nt h em a t h e m a t i cm o d e lo f 印s c o s i t yc o n t r o ls y s t e ma n d c o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，d i s p e r s et h em a t h e m a t i cm o d e l c h a p t e r 5 。u s e0 p ci n t e r f a c et oc o n n e c tt h ec o m p u t e ra n df i e l dd e v i c e 。 c l o s el o o pt h es y s t e m c h a p t e r 6 c o n f i g u r a t et h ef c ss y s t e m c h a p t e r 7 s u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o na n dp r e s e n t sp r o s p e c t s a c c e s s o d e se n u m e r a t et h ep a p e r st h a th a v e b e e np u b l i s h e db yt h e a u t h o ro ft h i sd i s s e r t a t i o nw h e nh ei ss t i l li nu n i v e m i mf c sc o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r 。t h er e l a t i o nt a b l eb e t w e e nt h ev i s c o s i 晦a n dt e m p e r a t u r e ，t h e p r o g r a mt h a tu s e0 p c i n t e r f a c et oc o n n e dt h ec o m p u t e ra n df i e l dd e v i c e ，a n d t h es e t p o i n tg e n e r a t ep r o g r a mf o rt h et e m p e r a t u r ep r o g r a mc o n t r o lo fv i s c o s i t y c o n t r o ls y s t e m , w h i c ha r ew r i t e d w i t hv i s u a lb a s k t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dt h ef c sb a s e do nf f , u s ef i e l d b u st e c h n o l o g y s o l v e dt h ei n f o r m a t i o na c n o d ep r o b l e mi nt h et r a d i t i o n a l p r o c e s sc o n t r o l s y s t e m ，c e n t r a l i z e ds u p e r v i s ea n dm o n i t o r t h i sf c s c a r le n h a n c et h em a n g e l e v e l ，r e d u c et h ew o r k i n gc a p i t a l i m p r o v et h ew o r k i n gs e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m i c s 。i nw o r da n dd e e da c h i e v ee n g i n ei n t e g r a t ea u t o m a t i o n k e y w o r d s ：p r o c e s sc o n t r o l ，f i e l d b u s o p c ，c o n f i g u r a t i o n 珈明u h o n g ( m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e & a u t o m a t i ce q u l t m e n t ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gx u e w u 4 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其 他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和 所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：j 髦。址日期：丝绰 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以 上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复 制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：缈导师签名：二逝日期：q 上海海事大学硕士学位论文帆舱过程控制f c s 系统集成 1 1 课题来源与意义 第一章绪论 “机舱过程控制f c s 系统集成”研究课题是上海市高等教育科学技术发展 基金项目“多模式船舶机舱过程控制仿真及系统性能评价”的个子项目。 传统的机舱过程控制系统一直沿用至今，所存在的信息孤岛问题迟迟未得到 解决，这是由传统控制系统所存在的局限性造成的。传统控制系统采用各个控制 单元独立的控制方式。各个控制单元自成小型的闭环系统，各小型系统独立运行， 很难达到集中监视与控制的目的。成为机舱中一个一个的信息孤岛。 全船综合监控系统是当今世界上的前沿研究课题，国外一些著名公司( 如 l y n g s o 公司，n o r c o n t r o l 公司，s i m e n s 公司，s p e r t y 公司及c s 公司等) 都 致力于该方面的研究，提供了部分产品并在实船上得到了应用，取褥了很好的效 益。但在真正意义上实现机舱综合自动化，甚至全船综合自动化尚待进一步探索。 随着计算机和网络技术的发展，在工业控制领域中出现了引入网络技术的趋 势。一方面对于环境恶劣的现场，可以通过网络传递信息，实现远程控制；另一 方面，现场控制和上层管理相结合，可以实现办公自动化与工业自动化的无缝结 合。基于这些优越性，现场总线技术蓬勃发展起来。现场总线技术已经成功解决 了工业领域的信息孤岛问题，并实现了真正意义上的集中监控。这些对于探索全 船综合监控系统有很大的借鉴意义。 针对工业控制网络化的需求，目前出现了多种工业总线标准，例如 c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、m o d b u s 、f f 等等，这些现场总线标准大多由有一定实 力的工控产品厂商根据某个领域的需要推出，在相应的领域得到了应用。这些总 线技术，在不同的领域各有所长，选择适合于船舶过程控制的现场总线技术，构 建船舶综合监控系统是完全可能的。 船舶机舱设备及其控制系统繁杂，运行安全性要求高。为解决信息孤岛问题， 实现船舶综合监控，达到集中管理，分散控制与冗余控制的目的，运用现场总线 技术构建一个具有国际统一标准的开放式系统是当今船舶机舱自动化的发展方 向。 1 2 本领域国内外现状 上海海事大学硕士学位论文 机舱过程控制f c s 系统集成 过程控制技术是自动化技术的重要组成郝分。在现代工业生产过程自动化 中，过程控制技术在实现各种最优经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳 动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面 起着巨大的作用。 过程控制技术经历了如下五个阶段： 第一代过程控制体系是基地式气动控制仪表系统； 第二代过程控制体系是电动单元组合式模拟仪表控制系统； 第三代过程控制系统即集中式数字控制系统。 第四代过程控制系统为集散式控制系统； 第五代过程控制系统为现场总线控制系统。 考虑到船舶运行安全，陆上集中式数字控制和集散控制很少使用，目前船舶 机舱过程控制系统大多仍采用单元组合式仪表构成的独立控制系统。现场总线系 统的应用为解决船舶机舱信息孤岛问题，达到集中管理，分散控制与冗余控制创 造了条件。 现场总线是当今自动化领域发展的新兴技术和热点之一，主要解决现场的智 能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的通信，以及这些现场设备和高级控 制系统乃至整个企业信息化管理系统之间的信息传递问题。与传统控制系统相 比，现场总线控制系统具有全数字通信、可互操作、高度分散、开放性好、可靠 性高、投资与维护成本低等优点。 工业自动化水平的提高导致信息量的成倍增加，对系统通信速度、可靠性和 安全性等方面提出了更高的要求。现场总线技术虽然8 0 年代才推出，但是由于它 在各方面的传统控制系统无法比拟的优势，得到世界各大工业仪表公司的支持， 在9 0 年代就进入了成熟应用阶段，现在还处于迅速发展之中。 目前，现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 采用的有8 种类型。每一种类型的现场总 线都有各自产生的背景和应用领域。比如楼字、工厂自动化的多节点自动控制； 机械制造、汽车、食品、电站、钢铁、烟草、环保工程自动化的分立动作自动控 制；石油、化工、制药自动化的连续过程自动控制i 柚】。在各个控制领域中，现 场总线都得到了广泛的应用。 船舶，作为重要的水上交通、运输工具，内部包含繁杂的控制系统，运行安 全性要求高。将现场总线技术运用于船舶机舱过程控制系统，可以解决传统控制 系统无法解决的难题。 自1 9 9 5 年开始，以现场总线及嵌入式电子技术为基础的全数字式控制系统在 世界上开始兴起。到现在为止，国际上有名的西门子公司等均已开发出了全数字 2 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 式船舶控制系统。目前，有报道的用于船舶的现场总线有c a n 、l o n w o r k s 、 w o r l d f i p 等。 在国内很多公司也都开发了船用现场总线系统。上海三进科技发展有限公司 成功开发了全数字式船舶集中监控报警系统，上海船舶运输科学研究所开发了船 舶机舱监控系统和船舶网络化自动控制系统。 1 3 课题主要研究内容与工作 本文基于基金会现场总线技术构建了机舱过程控制f c s 仿真系统，包含一个 燃油粘度控制仿真子系统和一个冷却水温度控制仿真子系统。整个仿真系统除了 燃油粘度控制系统和冷却水温度控制系统的控制对象由计算机数学模型仿真外， 其余设备均为实物。由上位机仿真控制对象产生被控量( 温度、牯度) ，送由变 送器进行检测，并经变送器内部所带控制器进行偏差检测、控制运算，再经现场 总线送到总线电流转换器，将现场总线信号转换成电流信号来控制执行器，执 行器的阀门开度信号( 电流) 经电流总线转换器送入上位机，作为控制对象的 控制输入量。整个系统的结构框图如图卜l 所示。 图l 一1 基金会现场总线机舱过程控制系统框图 本文的工作是从研究各种现场总线技术开始的，在对各种现场总线进行了分 析之后。根据机舱过程控制的特点选择了基金会现场总线，以此为基础各项工作 逐步展开： 3 上海海事大学硕士学位论文 机舱过程控制f c s 系统集成 根据机舱过程控制的特点，对目前主流现场总线进行分析比较之后，选 择了合适的现场总线技术基金会现场总线，选择总线系统方案，选 购智能设备。 对本文所述机舱过程控制系统包含的燃油粘度控制系统和冷却水温度 控制系统进行研究，并分别建立控制对象数学模型。 利用o p c 接口技术，实现上位机与现场设备的通信，使模拟被控对象特 性的数学模型与现场设备形成闭环系统。 针对每个系统特点，选择合适的控制策略，利用s y s c o n 3 0 2 组态软件对 系统进行组态。 分别对两个系统进行调试。 1 4 本文的创新点 本论文在思路和具体实现方式上都有很多创新，总的说来主要有以下几点： 针对传统机舱过程控制系统的不足，提出了以现场总线方式进行控 制与监视的新思路，利用其它总线进行船舶机舱监控也有过报道，但用基金 会现场总线实现还没有人实现过。 选择机舱过程控制系统中的两个典型子系统燃油粘度控制系统和冷 却水温度控制系统，分别建立数学模型，模仿燃油粘度控制系统和冷却水温 度控制系统的控制过程。 利用o p c 技术凭借o p cs e r v e r 实现了上位机与现场设备的通信。将 数学模型离散化后，用v i s u a lb a s i c 编写被控对象仿真程序，成功鼹决了 无被控对象的问题。对智能现场设备进行组态，最终得到由现场控制设备进 行控制的系统响应曲线。 1 5 课题的价值和意义 针对传统船舶机舱过程控制系统中信息孤岛难题，以及未来船舶自动化程度 高的要求，本文提出了一种全新的解决方案，并且达到了大信息量传输、自动化 程度高的目的，提高了系统可靠性，长远来看还可降低船舶营运成本。以此为基 础，进行系统扩充可实现船舶综合监控，集中管理，分散控制与冗余控制。本文 为运用现场总线技术构建一个具有国际统一标准的开放式系统走出了探索性的 一步，但要进入实用阶段还有很长的路要走，需对此系统进行完善，建立一个全 面的船舶监控系统，将问题在试验阶段予以解决，为进入实用阶段打好基础。在 4 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c , s 系统集成 人类向海洋进军的2 1 世纪，希望本文的思想能够开花结果。 5 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 第二章机舱过程控制系统简介及控制系统选择 本章主要介绍机舱过程控制系统的构成及其特点，对目前船舶机舱过程控制 领域制中大量应用的独立单元式系统和f c s 控制系统进行比较，阐述本课题选择 f c s 并最终选定基于基金会现场总线标准的s m a rs y s t e m 3 0 2 现场总线控制系统的 理由。 2 1 船舶机舱过程控制系统 船舶机舱设备及其控制系统繁杂，包括燃油粘度自动控制系统、冷却水温度 自动控制系统、锅炉水位自动控制系统、锅炉蒸汽压力自动控制系统等多个独立 的小型系统。本文从中选择了两个有代表性的过程控制系统：即燃油粘度自动控 制系统和冷却水温度自动控制系统，由这两个系统来构建一个小型的机舱过程控 制f c s 系统，此f c s 系统容易扩展，加入其它自动控制系统是很容易的事情。 下面对本文设计的f c s 系统包括的燃油粘度控制系统和冷却水温度控制系 统分别进行介绍。 2 1 1 燃油粘度控制系统 为了降低船舶营运成本，目前几乎所有的柴油主机都使用重油。为了保证柴 油主机的正常运行，燃油的粘度必须保持在一个合适的范围内，着燃油粘度超过 这个范围，将对主机运行造成不利影响。重油在常温下粘度很高，在管路中难以 流动，故需对重油柜中的重油预加热，然后经日用油泵输送至混合油柜。主机增 压油泵将混合油柜的燃油送入加热器加热后传送至柴油主机，柴油主机消耗部分 燃油，剩余的燃油回送到混合油柜。为确保送到柴油主机的燃油粘度在一个合适 范围，可通过调节加热器的蒸汽阀开度，改变送到柴油主机的燃油温度来实现。 为了防止系统停止运行状态下燃油粘度过高而阻塞管道，一般在启动和退出运行 时使用粘度系数较低的柴油 4 1 。 燃油粘度控制可以当作一个温度控制问题来解决，当然这对某一固定品种 的燃油来说确是如此，但对不同品种的燃油，它们在温度相同的情况下，其粘度 差异很大。如果采用温度控制系统，为了控制燃油粘度的最佳喷射粘度，对不同 品种的燃油必须重新整定燃油温度给定值，特别对于不同品种的燃油混合在一起 6 上海海事大学硕士学位论文 机舱过程控制f c s 系统集成 时更难确定燃油最佳喷射粘度所对应的温度给定值，不能满足控制要求。所以一 般不采用温度控制，丽是直接采用粘度控制。在系统正常运行时，以燃油粘度作 为被控参数，根据燃油粘度的偏差值控制加热器蒸汽调节阀的开度，使燃油粘度 保持恒定。而在系统启动与退出运行时，则以燃油温度作为被控量。系统启动时， 按预先给定的速率进行加温，并在温度达到中间切换温度时，进行柴油至重油的 切换，切换到位继续加温至上限切换温度并延时后，从温度程序控制切换至粘度 定值控制。温度一粘度关系曲线见附录三。 在正常运行状态下，当系统受到扰动时，例如主机负荷突然变化，主机耗油 量增加，回油量减少，进入混合油柜的冷油量增加，导致加热器入口的油温降低， 在蒸汽阀开度不变的情况下，加热器出口燃油温度降低，粘度升高，测粘计输出 差压信号增大，经差压变送器变送至控制器。控制器则根据粘度偏差值按一定的 控制规律控制蒸汽阀动作，改交加热器出口温度，使燃油粘度回到给定值。 在系统启动和退出运行时，通常采用温度程序控制。温度程序控制运行曲线 如图2 1 所示。 系统启动后，在阶段里，控制器按设定的升温速率控制蒸汽阀丁，燃油温 度上升，如图中的。 当燃油温度上升到轻重油切换温度对，轻重油切换阀动作，把柴油切换成 重油，此时温度保持在切换温度不变，如图中的。 轻重油切换完毕后，继续加温，系统进入到阶段，控制器根据设定升温速 率控制蒸汽阀，加热重油，如图中的。 重油不断被加热，重油的温度达到温度一粘度控制切换温度( 1 2 0 ) ，并延 时一段时问后，温度程序控制切换到粘度定值控制，如图中的。 、 、 。 。 图2 - 1 温度程序控制运行曲线 系统退出运行，系统从粘度定值控制切换到温度程序控制，进入阶段，按 照设定的降温速率控制蒸汽阀，燃油温度按照一定的斜率下降。 7 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 温度下降到轻重油切换温度，控制切换阀动作，将重油切换为轻油，如图中 。 轻重油切换完毕，控制器按照设定的降温速率继续控制温度下降，直至系统 停止运行。 整个燃油粘度控制系统包含温度程序控制和粘度定值控制两个子系统。其 中：粘度定值控制子系统包括测粘计、差压变送器、粘度控制器、蒸汽阍；温度 程序控制包括测温元件、温度变送器、温度程序控制器、蒸汽阀。其中蒸汽阀是 两个系统共享的，通过选择器进行两种控制方式的切换。粘度系统控制原理框图 如图2 2 所示。 2 1 2 冷却水温度控制系统 图2 - 2 粘度控制系统原理框图 船上柴油主机运行时，气缸套和气缸盖几乎都采用淡水来冷却。使淡水的温 度保持在给定值或给定值附近，这对柴油主机安全、可靠和经济地运行是十分重 要的。淡水的温度依靠主机冷却水温度控制系统调整，控制原理如图2 - 3 所示。 图2 - 3 冷却水温度控制系统原理框图 在柴油机冷却水进口管上装有感温元件，感温元件输出信号送到温度变送 8 上海海事大学硕士学位论文 机舱过程控制f c s 系统集成 器，控制器根据偏差值输出控制信号到阀门，使淡水温度保持在给定值。主机冷 却水温度控制系统通过三通阀把淡水分成两部分：一部分通过冷却器，经海水冷 却温度降低，另一部分不通过冷却器，直接与经过冷却器的淡水相混合，然后进 入柴油机主机气缸的冷却空间。通过增多或减少通过冷却器的淡水量，控制进入 主机冷却空间的淡水的温度。 2 2 机舱过程控制系统选择 船舶机舱设备及其控制系统繁杂，运行安全性要求高。过程控制技术到目前 共经历了五个阶段，哪种控制技术更适合机舱过程控制系统? 下面将常用的过程 控制技术做一比较。 2 2 1 单元组合式仪表控制系统与f o s 的比较 基于模拟电流信号标准4 2 0m a 的单元组合式仪表控制系统，即第二代过 程控制体系结构( a c s ，a n a l o g o u sc o n t r o ls y s t e m ) ，曾经得到广泛的应用，即 使是现在还有好多4 2 0 m a 模拟信号的设备，也就是通常所说的传统设备。 但由于a c s 系统大多设各用的都是模拟信号，不能进行远距离传输与控制， 系统容易受到干扰，很难构建大型的系统。这些缺陷阻碍了a c s 系统进一步的应 用。在2 0 世纪7 0 年代出现了数字计算机之后，数字控制系统迅速发展起来。 从集中式数字控制到d c s ，再到f c s 系统。数字控制系统以其高可靠性和灵活 性得到了广泛的应用。 f c s 现场总线是用于过程自动化和制造自动化中的，实现智能化现场设备 ( 例如，变送器、控制器、执行器) 与高层设备( 例如，主机、网关、人机接口设 备) 之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统，通过它可以实现跨网络的分 布式控制。 目前来讲，传统4 2 0 m a 的设备还在使用，而且f c s 系统可以兼容这种设备， 使用总线信号到电流信号的转换器就可以实现。这种情况不会持续很久，向全数 字方向发展是必然趋势。 2 2 2o c s 与f c s 的比较 现场总线控制系统f c s 是继分散控制系统d c s 之后出现的新一代控制系统，虽 然它的出现才短短几年，但它所代表的是一种数字化到现场、网络化到现场、控 9 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 制功能到现场和设备管理到现场的不可逆转的发展方向。现场总线控制系统的出 现宣告了新一代控制系统体系结构的诞生。下面对d c s 与f c s 做一比较，从恧可看 出f c s 优越的地方。 1 ) d c s 系统通常是大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要， 数据公路更是系统的关键，所以必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。 而f c s 功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得 控制器功能与重要性相对减弱。因此，f c s 系统投资起点低，易于扩展。 2 ) d c s 系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而f c s 系统是开放式系 统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入总线系统，在较高性价比 的情况下达到最佳的集成效果。 3 ) d c s 系统的信息全部是二进制或模拟量信号形成的，必须有d a 与a d 转 换。而f c s 系统是全数字化的，免去了d a 与a d 变换，高集成化。高性能，使精 度可以从0 5 提高到0 1 。 4 )f c s 系统将p i d 闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期， 目前，可以从d c s 的每秒2 5 次，提高到f c s 的每秒l o 2 0 次，从而，改善了调节 性能。 5 ) d c s 系统可以监控工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是， 由于自身的致命弱点，其i o 信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在d c s 工程师站上对现场仪表( 含变送器、执行器等) 进行远方确断、维护和组态。f c s 系统采用全数字字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变 量信息，而且还具备检测信息差错的功能。1f c s 系统采用双向数字通信现场总线 信号制。因此，它可以对现场装置( 含变送器、执行器等) 进行远方诊断、维护和 组态。f c s 系统的这点优越性是d c s 系统无法比拟的。 6 )f c s 系统由于信息处理现场化，与d c s 系统相比，可以省去相当数量的隔 离器、端子柜、i o 终端、i o 卡件及i o 柜，同时也节省了i o 装置及装置室的空 间与占地面积。同时，系统可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，节省了设 计、安装和维护费用。 7 )f c s 相对于d c s 组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维 护。 可见，f c s 较d c s 来说有众多优势，这些优势更是单元组合式模拟仪表控制 系统无法比拟的。鉴于此，本文机舱过程控制系统采用f c s 系统进行设计。 2 。2 3 几种典型的现场总线技术 1 0 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 h a r t 高速可寻址远程传感器数据通路( h i g h w a yh d d r e s s b a l er e m o t e t r a n s d u c e r ) 的缩写。 i a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。 它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括i s o o s i 模型的 物理层、数据链路层和应用层。h a r t 通信可以有点对点或多点连接模式。这种 协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传 输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因 而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。 c a n 控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的缩写。c a n 总线最早是由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规 范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也 是基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层， 提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。 各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。c a n 总 线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8 个；当节点出错时，可自动关闭，抗 干扰能力强，可靠性高。 l o n w o r k s 局部操作网络( l o c a lo p r e a t i n gn e t w o r k s ) 的缩写。l o n w o r k s 技 术是美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o r o l a 和东芝公司共同倡导的现场总线技 术。它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构。l o t l ：w o r k s 技术的核心是具备 通信和控制功能的n e u r o n 芯片n e 姗黼，芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议。其上集成有三个8 位c p u 。一个c p u 完成o s i 模型第一和第二层的功 能，称为介质访问处理器。一个c p u 是应用处理器，运行操作系统与用户代码。 还有一个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、 路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。 l o n w o r k s 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其i s 一7 8 本 安物理通道使得它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动 化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。 p r o f i b u s 过程现场总线( p r o c e s sf i e l df l u s ) 的缩写。p r o f i b u s 是符合德 国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总线，包括p r o f i b u s - - d p 、 p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s - - p a 三部分。它也只采用了o s i 模型的物理层、数据 链路层、应用层。p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主 站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权 的主站，可向从站发送、获取信息。p r o f i b u s - - d p 用于分散外设间的高速数据 传输，适合于加工自动化领域。f m s 型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、 低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。 1 1 上海海事大学硕士学位论文机舱过程控制f c s 系统集成 f f 基金会现场总线( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的缩写。现场总线基金会是国际 公认的、唯一不属于某企业、非商业化的国际标准化组织。f f 以i s o o s i 参考 模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为f f 通信模型的相应层次，并在此 基础上增加了用户层。包含h l 和h s e 两层，h 1 支持总线供电和本质安全特性。 目前，全球已有1 2 0 多个用户和制造商成为现场总线基金会的成员。基金会成员 所生产的自动化设备占世界市场的9 0 以上。基金会现场总线具有一定的权威 性、广泛性和公证性。 从以上分析可以看出，虽然这几种总线技术都得到了广泛的应用，但是适用 于过程控制领域的是p r o f u b u s 总线和f f 总线，这两者相比而言。f f 总线具有 更好的开放性和可互操作性。因此，本文选用了f f 总线。 2 2 4s m a rs y s t e m 3 0 2 介绍 用户在决定购买f c s 产品时一般应该注意以下几个问题：系统的应用业绩， 系统能否满足用户的特定要求，系统的整体性，系统的兼容性，系统的一致性和 互操作性，供应商在现场总线技术方面的进展，技术服务和入员培训等。 要构建本文所述的船舶机舱过程控制的两个典型系统可以选用系统和设备 的制造商包括：a b b 的f f 总线系统、n i 的f f 总线系统、r o s e m o u n t 的f f 总线 系统和s m a r 的f f 总线系统。 s m a r 作为全球著名的制造商，集结当今世界一流的软件及硬件技术，为工 业过程自动化提供可满足各种测量、控制、监视、及执行骂求的产品、服务及集 成系统方案。早在1 9 9 4 年，s m a r 公司便率先意识到基金会现场总线技术的潜力 和前景。针对全球用户对开放、分散系统方案的需求，结合其在控制系统工程方 面多年积累的丰富经验，s m a r 公司迅速推出了集基金会现场总线( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 及以太网( e t h e r n e t ) 等领先技术于 一体的、包括主站系统、供电子系统、软件系统及各式现场设备的综合企业自动 化现场总线控制系统- s y s t e n 9 3 0 2 。s r r i a r 的用户来自全球1 2 0 多个国家的企业、 工业及公共事业领域。s m a r 的产品被广泛应用于石化、化工、电力、海上平台、 环保、水泥、造纸、制药、食品加工及纺织等各行各业。 s m a rs y s t e m 3 0 2 的优势如下： 1 先期投入成本低s y s t e m 3 0 2 减少了与传统d c s 相关的大多数硬件。 由于现场仪表通过数字网络与操作站连接，控制器和i o 子系统大大减少。现 场仪表也可以执行控制与计算，因而大大减少了昂贵的控制卡和电缆。另外，相 1 2 上海海事大学硕士学位论文 机舱过程控制f c s 系统集成 对应的工程量和布线量的减少也降低了整个项目的成本。在同一对电缆上可以多 挂接几台设备，简化了系统结构和安装。 2 互可操作在推出现场总线前，控制系统从来没有实现可互操作。d c s 制 造商经常使用“开放”一词，但系统事实上无法同其它制造商的设备通讯，或需 提供商高昂的服务来实现。基金会现场总线的互可操作性为用户从不同厂商选择 产品提供了极大自由度。由于总线是开放、国际