（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的船舶电站网络式监控系统的研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c ho nn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mo fm a r i n e p o w e rs t a t i o nb a s e do np l c a b s t r a c t a u t o m a t i o no fm a r i n ep o w e rs t a t i o np l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h ea u t o m a t i o no f e n g i n er o o m ，w h o s em a i np u r p o s ei st ok e e pt h ec o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo f p o w e rs u p p l y i n r e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r , c o n t r o l , c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k , t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i o ns y s t e mc h a n g e sg r e a t l y , a n d t h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nt h en e t w o r ki n t e g r a t i n ga u t o m a t i o n s y s t e mh a sb e e nf o r m e dg r a d u a l l y , u n d e rt h i ss i t u a t i o n ，t h ef i e l d b u st e c h n o l o g yh a s b e e nd e v e l o p e da n dw i d e l yu s e di nt h em a r i n ep o w e rs t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m t h i s p a p e rh a sd e s i g n e dam o n i t o r i n gs y s t e mo f m a r i n ep o w e rs t a t i o na u t o m a t i o nb yn e t w o r k s y s t e mo np r o f l b a sf i e l d b u st e c h n o l o g y t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p o s e do ft w oo p e r a t i n gs t a t i o nc o m p u t e r s ( o n ei sa b a c k u pc o m p u t e r ) a n dt h r e es l a v ec o m p u t e r s e v e r ys l a v ec o m p u t e r , w h i c h i sc o r e db y s i e m e n ss 7 - 3 0 0p l c c o n t r o l sag e n e r a t o ri n d e p e n d e n t l y t h e yc o m m u n i c a t eb y p r o f i b u s - d pf i e l d b a s o p e r a t i n g s t a t i o n c o m p u t e r s a n de n g i n e e rw o r k s t a t i o n c o m m u n i c a t eb yt h ew a yo f e t h e m e tn e t w o r k id e s i g n e dt h ep r o g r a mo fp i cb yu s i n gt h ep r o g r a m m es o f t w a r e ( s t e p 7 ) o ft h e c o m p a n yo fs i e m e n s ，t or e a l i z et h es u r v e i l l a n c ef u n c t i o no ft h em a r i n ep o w e r s t a t i o n a u t o s t a r tm o d u l e ，f r e q u e n c ya n dp o w e ra u t o m a t i cc o n t r o lm o d u l ea n da u t o - p r o t e c t m o d u l ea r ed e s i g n e d u s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h em o n i t o r i n g s o f t w a r eo f p c ，a n dt h eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eh a sa l s ob e e nd e s i g n e dc o m b i n e dw i t h t h ec o n t r o lf u n c t i o na n do p e r a t i o nh a b i to fa u t o m a t i o np o w e rs t a t i o n t h ef r i e n d l ya n d v i s u a l i z e dh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ec a l lm a k et h eo p e r a t o rk n o wt h er u n n i n gs t a t eo f t h ew h o l ep o w e rs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h e ng i v e st h ec o n t r o lc o m m a n d a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tm e a lc i r c u m s t a n c e f i n a l l y , a n t i - j a m m i n gd e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nt h em a r i n ep o w e r s t a t i o na r ed o n eb yr e s e a r c h i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h em a r i n ep o w e rs t a t i o na n d a n t i - j a m m i n go f t h ep l cs y s t e m k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e rs t a t i o n ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；f i e i d b u s ；p l c ；w i n c c 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， 撰写成硕士学位论文：基壬匹笪筮魑电塑圆终鸯些揎丕统的盟塞：。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，均己在文中 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。 澈储臻乃鸯砰 侈日 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 描等复南o 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 论文作者躲芙妒考导师躲豢杏 日期：钟3 月伊日 基于p l c 的船舶电站网络式监控系统的研究 引言 近年来，随着计算机技术、控制技术、通信及网络技术的发展，船舶电站自动 化监控系统的结构发生了很大变化，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的管 理信息系统。现场总线技术在这一形势下发展起来并在船舶电站自动化监控系统 中得到了广泛应用。 现场总线控制系统应用于船舶自动化后，船舶电站自动化需要进一步结合新型 现场总线技术和新型电站监控技术做更深入的研究，以利用现场总线技术的特点 和优点实现电站监控系统更高的可靠性和更低的研发成本。目前，国内多家高等 院校和科研院所都在开发将c a n 总线应用于船舶电站自动化的技术，如上海交通 大学、华中科技大学及交通部上海船舶运输科学研究所等，三峡大学电气信息学 院在研究基于p r o f i b u s - d p 总线的船舶电站监控系统。另外，哈尔滨工程大学、 上海海事大学、集美大学、青岛远洋船员学院和武汉理工大学等都在开展与船舶 电站相关的控制技术研究。 大连海事大学自动化与电气工程学院的船舶电站实验室引进了1 5 套“自动化 船舶电站物理仿真实验装置”，并且学院还建立了“工业控制网络实验室”，这为 船舶电站自动化的研究提供了硬件支持，本文即是在此基础上进行了现代化船舶 电站网络式监控技术的研究。 基于本人及导师的研究方向为船舶电站自动化和船舶电站可靠性研究，本人在 认真研究先进的船舶电站控制系统的基础上，参考现代化先进船舶电站控制系统 的特点及其最新发展动态，设计了采用以p r o f i b u s 现场总线技术和以太网技术为基 础的网络体系结构，基于西门子s 7 系列p l c 和w i n c c 监控软件的船舶电站网络式 监控系统，并撰写了本论文。 第1 章船舶电站监控系统概况 第1 章船舶电站监控系统概况 1 1 船舶电站监控系统概述 1 1 1 船舶电站监控技术的发展历程 随着船舶的大型化和自动化以及电子信息技术和自动控制技术的不断发展， 船舶自动化程度越来越高，对船舶电站自动化程度的要求也越来越高，因而船舶 电站自动化近二十年来发展十分迅速，自动监控水平得到了极大的提高。在电站 监控系统中，柴油发电机组及电网的运行状态、运行参数及故障报警状态都能通 过监测报警系统集中显示在控制室的监视屏上，它能正确地实现对柴油发电机组 进行有效的管理和控制。按照船舶电站监控技术的发展和结构特点，可将其大致 分为四个发展阶段：触点型控制系统、集中型监控系统、集散型监控系统和现场 总线型监控系统。哪。 第一阶段：触点型控制系统 2 0 世纪6 0 年代初期生产的自动电压调节器大部分采用有触点控制系统，由继 电器和接触器组成。6 0 年代中后期生产的一些单元自动装置大多采用由晶体管分 立元件和集成元件构成的有触点和无触点混合系统。 第二阶段：集中型监控系统 随着自动化技术的发展，数字计算机开始应用于工业控制领域，人们在测量、 模拟和逻辑控制领域率先使甩，从而产生了集中式监控系统c c s ( c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m ) ，其系统结构如图1 1 所示。 这种系统的典型特点是采用一台功能强、速度快的小型或中型计算机在集中控 制室对船舶电站柴油发电机组进行集中监视和控制。它可以监视上百个参数，可 同时代替十几个模拟调节器，例如温度、压力、转速等调节器。船员在集中监控 室内即可了解和掌握电站设备的运行状态。 基于p l c 的船舶电站网络式监控系统的研究 i 显示lj 打印i l 堡警i i 操作台j iili 微型计算机 千 la ，d 转换l ld a 转换l t 测量及变换单元执行机构 t上 i 监测对象ll 控制对象l 图1 1c c s 结构图 f i g 1 2c c sc o n f i g u r a t i o n 集中型监控系统便于集中控制，在7 0 年代初具有一定的先进性。但是系统的 信号传输大部分依然采用4 - 2 0 m a 的模拟信号，整个系统的造价昂贵；而且系统 的高度集中控制也带来了可靠性较差的问题，稍有不慎就有可能造成整个系统的 失控或瘫痪，在故障的查询及维修方面都比较困难，所以它的发展受到了较大的 限制，很快就被分布式控制系统所代替。 第三阶段：集散型监控系统 8 0 年代中期以来，随着计算机技术特别是微型计算机技术的飞速发展，计算 机在自动化领域的应用越来越广，可编程序控制器( p l c ) 控制、单片机控制、s t d 和p c 工业总线控制等都能够较好地应用于工农业生产，这些新的控制途径也很快 推广到船舶上，使船舶计算机控制核心由单片机逐渐发展到工业控制机，监控系 统正在经历着从集中型计算机监控系统向集散式监控系统方向的发展。 集散型监控系统d c s ( d i s t r i b u t e x ic o n 仃o ls y s t e m ) ，是计算机( c o m p u t e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、显示( c r t ) 和控$ j ( c o n t r 0 1 ) 技术发展的产物( 简称四c 技术) ，是 以微型计算机为基础，将分散控制装置、通信设备和集中操作与信息综合管理结 合在一起的新型工业控制系统。这类自动化系统在国内外自动化船舶中逐年增多， 它的技术指标、经济指标和可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上 的集散型监控系统的出现，使电站自动化、机舱自动化乃至全船自动化开始进入 了一个全新时代。 d c s 是由数字调节器、p l c 以及计算机构成的集中管理和分散控制相结合的 控制系统。它的主要特点是把过去台小型计算机独自承担的监控任务合理有序 第1 章船舶电站监控系统概况 地分散到多个子系统，由几台计算机和一些智能仪表、智能部件构成一个控制系 统，多台微机和控制器分别实现对各个子系统的监测和控制，于是，分散控制成 为其主要特征。这种结构的好处是按电站各种设备的自然分布就近设置以单片机 为主体的采集和控制单元，如图1 2 中的单元1 、单元2 单元n 等。 图1 2i ) c s 结构图 f i g 1 2d c sc o n f i g u r a t i o n 此外，另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4 - 2 0 a 的模 拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。 为了便于集中管理，通过局域网l a n ( l o c a la r e a n e t w o r k ) 将各个子系统的主 控单元和上层计算机互联在一起，实现了控制信息的共享。初期的集散型系统在 各个子系统内部大多采用模拟信号传输，即在主控单元与现场仪表之间使用统一 的模拟信号来实现数据的采集和控制命令的下传，模拟信号长距离的传送弓 起的 干扰也很严重，并且在现场设备和主控单元之问需要连接大量的电缆，增加了船 舶自动化系统的造价。虽然各公司在数字信号传输方面做了大量的研究，但由于 各公司控制网络的封闭性，阻碍了现场控制设备间互换与互操作的实现。 第四阶段：现场总线型监控系统 在分散型控铝口系统的发展历程中，较早地在站间通信中采用了l a n 技术。随 着电子技术的发展，许多站的功能己经可以在现场实现，因此通信也逐渐延伸到 现场，产生了现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，它是利用现场总线 作为各个子系统的内部控制网络，将监控功能进一步下放到现场。f c s 是由d c s 发 基于f l c 的船舶电站网络式监控系统的研究 展起来的，但和d c s 相比有了质的飞跃。 f c s 的典型特点是由分散控制到现场控制，数据的传输采用“总线”方式，利 用智能加模块、智能变送器、数字传感器和执行器等在现场一级实现控制系统的 组态，由现场智能设备( 监控分站) 完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输 出等功能，所有数据和指令通过双向现场总线传输，实现信息资源共享，因此提 高了现场信息的可利用程度，增强了整个系统的可靠性。由于采用了开放的现场 总线通信协议，所以实现了控制设备的互换性和互操作性，使得监控系统、主机 遥控系统、电站自动化管理系统等机舱监控子系统之间互联更为方便，整个控制 系统就像是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，这样，资源的共享成了f c s 的主要发展空间，为船舶电站监控系统的构建与实现打下了坚实的基础。 随着各项技术的发展，人们仍在不断地研究现场总线型控制系统，以进一步 完善它的功能、增强它的可靠性、提高它的实时性。可以看到，今后的船舶上将 不断出现集监、控、管于一体的网络型电站自动化产品。 1 i 2 船舶电站监控技术的发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来，信息高速公路的出现给世界带来了巨大的变化，引发各 个领域的革命性变革。现代航运对船舶的自动化程度和信息集成的程度要求越来 越高。其发展的主要目标是把现在驾驶、 一体，做到全船信息的高度集成和共享。 导航、机舱等相对独立的几个部分联成 一人驾驶台的提法就是基于网络化技术 的出现及应用而概括的船舶自动化发展的目标。今后船舶的发展方向有两个：一 是将船舶各个部分的自动化程度逐渐提高和完善。如机舱部分包括：机舱集中监 测报警系统智能化：船舶故障的预测、预警及预诊断技术；船舶电站的优化和智 能控制；主机、辅机、舵机等的集成和分散控制技术；机舱设备的管理、维护等 的信息集成技术等。发展的第二个方向是将航海自动化、机舱自动化、货物装卸 自动化及营运管理、运行管理、故障诊断等各种功能集合在一个统一的、高层次 的框架内，形成计算机局域网络”1 。 网络型控制系统是船舶电站监控系统的发展方向，也是目前新造船舶所采用 的主流控制系统，因此现代船舶电站监控技术的特点就是建立在计算机通信技术 第1 章船舶电站监控系统概况 基础之上的网络化，以及由此带来的数字化、标准化和智能化。 i 1 3 船舶电站监控系统的功能 船舶电站自动化的提高带来了众多的好处：能够提高电站供电的连续性和极 高的可靠性，增强船舶的生命力，提高电站供电的品质；改善船员的工作条件， 减轻值班强度；同时还可以提高船舶运行的经济指标。船舶电站综合控制系统通 常包括以下内容。1 ： ( 1 ) 柴油发电机组在接到起动指令后自起动； ( 2 ) 起动成功后，自动投入电网； ( 3 ) 电网电压、频率的自动调节； ( 4 ) 同步发电机的自动准回步并车及并联运行发电机组问有功功率和无功功 率的自动分配； ( 5 ) 按电站负荷情况实现对部分负载的自动切除或投入； ( 6 ) 负载转移和过剩机组自动解列； ( 7 ) 运行参数的控制、显示以及故障的监视处理。 1 i 4 船舶电站监控系统的总体构成 电站的监控系统一般由电站自动控制系统，自动监测报警系统和安全系统三个 互相独立又互相关联的系统组成。 ( 1 ) 控制系统：能够自动处理电站出现的一般故障、严重故障、电站功率的自 动管理以及电压、频率的恒定和柴油发电机组的自起动、并车，解列等各项控制 功能。所谓自动处理是指，当系统发生故障时，控制系统可自动地使处于备用状 态的发电机组立即起动，自动准同步投入电网运行；并网成功后，发生故障的机 组将负荷降低至不大于额定功率的2 0 时，自动脱离电网。 ( 2 ) 自动监测报警系统：自动监测报警系统的任务首先是自动地时实监测电站 各设备运行参数和运行状态，这些设备包括机组原动机、发电机、配电系统的机 械参数、电气参数和运行状态，监测量可以是模拟量，也可以是开关量。其次， 自动监测报警系统将监测量的监测结果时时与事先设定的限定值进行比较，当被 基手p l c 静簸虢邂蘸羁络式釜控系绫瓣疆究 测量越限时，将会发出相应的声光报警信号，并设有栩废的报警应答装鬣。最后， 监测报警系统的另一个任务是对脓测结果打印、记录、并对被测参数的越限情况 进行登记。 ( 3 ) 安全系统：对| 参动纯毫簸纛设置安全系统。程务楚：当毫鏊控裁系绞羁釜 测系统在运行过程中发生危及电站系统内各主要设备安全的严重故障时，安全系 统应能自动产缴保护性动作。避免缮故的进一步扩大，甚至危及船员的人身安全。 1 。2 控制对苏运行特点 ，2 。 貉麓耄懿系统豹缝或 船舶电站系统主要由电源装鬣、配电装置、电网和电力负载四部分缀成“时： ( 1 ) 电源黻鼹是将机械能、化学能等非电能源转溉成电能的装置。船舶电源主 要由发电机缀提供，而蓄电池只熊作为应急电源。船舶电站按原动机类溅不同， 霉努灸柒酒发激糗缓、汽轮发奄糗缌、燃气轮羲发瞧瓿缀、蒸汽茇电瓠缀、孽燕豢 发电视维、核能发电枫缀。柴油发电枧组具有效率离、机动性强、起动快等优点， 因而，柴油发电机组应用最为普避。 ( 2 ) 配电靛鬣是用来对船舶电源装置、电网和电力负载进行保护、测嫩、和监 控豹。它包攮备静嚣关电器、溺爨仪表、互感器、逐挨母线、继电保妒、巍动装 置及各释赣萌设备。 ( 3 ) 电网怒全船电缆电线的总称，其作用是将电源和各种电力负载联系起来。 船舶电力网根据其所联接的负载性质，可分为动力呶网、照明电网、应急电网等。 ( 4 ) 船舶魄力受载主要包括船舶电力推进电动枧朔各秘机械的电力搬动，船舶 耄气照骥系统，舷耱逶售蠢毫貌竣备，戮及萁缝躅壤浚备。 1 2 2 船舶毫站系统的运行特点 船舶电站系统与陆上电网之间存在很多的区别，篡运行特点如下n 1 】： ( 1 ) 船舶电力系统是独立电网。船舶电站系统一般藉己备2 - 4 台同容量、阋型号 熬发电魏维，蘧篮逶零稷舂一套壤鹾台发毫撬缝悫亳瓣貘毫，霾兹发毫壤戆转速 和电压的交化赢接影响电闲静频率和电压。负载的投入和切除同样也会彩响电网 的频率和电压，特别是当突加或突卸负载时，会引起电网频率和电压较大的波动。 此外，严重的误操作或局部故障旗歪会导致电网断电。因此这就要求船舶发电机 第1 章船舶电站监控系统概况 组要有较高品质的调速和调压装置，而且电力系统应合理的配置安全可靠的保护 装置。 ( 2 ) 船舶电网有输电距离短，线路阻抗低和短路电流大的特点。短路电流所产 生的电磁机械应力和热效应容易损伤开关、汇流排等设备。 ( 3 ) 在船舶上，电气设备的工作环境恶劣，例如工作环境温度高，相对湿度大。 因此，要求船舶电气设备符合船用条件，要能在湿热、盐雾、霉菌等环境中和在 规定的船舶倾斜、振动或冲击等条件下可靠的工作。 基于p l c 的船舶电站网络式监控系统的研究 第2 章系统网络设计方案与硬件设计 2 1 系统网络总体设计方案 本文结合f c s 、d c s 、p l c 三大控制系统的各自的优点，构造了有设备层、控制 层和网络层的三层网络监控系统，如图2 1 所示。 以p r o f i b u s - d p 现场总线为机舱监控机和p l c 、i o 设备的数据传输通道“；利 用p l c 和智能仪器采集运行数据，控制现场设备；采用以太网方式实现上位机与 船舶总控制室( 工程师工作站) 以及船长室、轮机长室监控机的网络通信“”。 图2 1 船舶电站监控系统总体网络 f i g 2 1m o n i t o r i n gs y s t e mc o l l e c t i v i t yn e t w o r k 根据实际船舶电力系统的配置：三台柴油发电机组，正常航行时一台运行， 另外两台备用；进出港、狭水道航行或需要大功率运行时，两台发电机运行，一 台备用“”。本系统选用三台西门子s t e p 7 3 0 0 来分别控制三台柴油发电机组。图2 1 中，三台s 7 3 0 0 控制器分别监控各自的柴油发电机组，每台p l c 的硬件连接和程 序设计相对于其他p l c 是独立的，它们各自通过各种转换器、变送器等智能仪器 第2 章系统网络设计方案与硬件设计 仪表采集数据，并独立地完成程序控制任务，再通过执行机构控制发电机组。所 以即使其中的某一p l c 发生故障，都不会影响其他控制器的正常运行，借以实现 过程控制级的分散控制理念。 e t 2 0 0 型分布式i o 设备用来完对电网运行参数及电站其它参数的测量。 p l c 之间由上位工控机协调，来完成整个电站的监控任务，而且通过以太网与 驾驶室的操作站相联系，从而实现与上层管理级设备的联系。 本船舶电站监控系统能完成过程分散控帛0 和信息集中管理等一系列工作，另 外，系统还具有如下特点： ( 1 ) 改善了系统的运行可靠性，该系统采用冗余、容错技术，单元故障只影响 局部，而且具有自诊断、报警功能； ( 2 ) 构成灵活，扩展方便。采用了标准的硬件模块和软件模块，可以灵活组建， 而且采用了局域网，系统扩展十分方便，而且可以和其他网络相连。 本文设计的船舶电站网络式监控系统用到的主要硬件有：西门子s 7 3 0 0 、 e t 2 0 0 m 、p r o f i b u s - d p 现场总线、以太网、工业控制p c 机、各种传感器和变送器、 以及打印机等。 2 2p l c 测控单元及其详细配置 2 2 1 西门子$ 7 - 3 0 0 的特点 在本监控系统中，p l c 的主要任务是接受外部开关信号( 按钮、行程开关、继 电器节点) 和各种模拟信号的输入，判断当前的系统状态并通过内部程序的运算， 输出控制信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外， 另一个重要的任务就是接受上位机的控制命令，以进行全自动运行循环。 s 7 3 0 0 是一种模块化的中小型p l c 系统，其优越的性能价格比，使之成为中 小规模控制系统理想的选择。其主要特点“5 m ”为： 1 多种规格的处理器，系统采用独特的导轨安装； 2 高速的指令处理，可满足快速程序控制要求； 3 浮点数运算，可有效地实现更为复杂的数学运算； 4 c p u 内集m p i 接口，多种通讯模块能用来连接a s i 接口、p r o f i b u s 和工业以 太网总线系统； 基于p l c 的船舶电站网络式监控系统的研究 5 具有时间中断驱动、开环定位和p i d 等高级控制功能； 6 i 0 模块采用前连接器方式，维修或更换十分方便； 7 系统自行组态，信号或通讯模块不受限制地随意安放； 8 具有满足高速计数、伺服定位控制等特殊应用的i o 模块； 9 s t e p 7 编程语言具有大量的以s t e p 5 为基础的指令集，使程序的编制简单快 捷。 $ 7 - 3 0 0 型p l c 功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无槽位限制的模 块化结构。它的主要组成部分有导轨( d i n ) 、电源模块( p s ) 、中央处理单元c p u 模 块、接口模块( i m ) 、信号模块( s m ) 、功能模块( f m ) 等。本文选用s 7 3 1 5 2 d p 型号 p l c 。 2 2 2 测控单元设计 1 测量控制单元原理 测量控制单元属于过程控制级，直接与柴油机、发电机及电网的传感器、变 送器、伺服马达、各空气开关接触器线圈相连，来完成整个电站的控制与监测过 程。机组的测量控制单元包括模拟量输入输出、开关量输入输出、键盘输入、 声光报警等“”。图2 2 为测量控制单元原理框图。 船舶 立型q 巫p 电站 模拟量信号 。 p l c 系统 开，乏量输入 开关量输出 图2 2 测量控制单元原理框图 f x g 2 2m o n i t o r i n gu n i tp r i n c i p l e 2 s 7 3 0 0 与发电机组之间的信号 由于在设计中每台发电机组所测量的信号数据类型都相同，在此只列出一台 机组的输入输出信号和电网信号之间的联系“”。c p u 3 1 5 2 d p 与发电机组之间信 第2 章系统网络设计方案与硬件设计 号如图2 3 所示。 图2 3c p u 3 1 5 2 d pp l c 与发电机组之间信号图 f i g 2 3s i g n a l sb e t w e e nc p u 3 1 5 - 2 d pa n dg e n e r a t o r 关于柴油机的信号：滑油压力、冷却水温度、起动空气瓶压力、排烟总管 温度、柴油机飞轮转速。 关于发电机的信号：发电机绕组温度、发电机端电压、电流、有功功率、 电压频率、发电机电压与电网的相位差。 关于电网的信号：电网电压、电网总有功功率、总电流、电网频率、各空 气开关线圈的开关状态。 p l c 测控单元的控制信号( 模拟量和开关量) ：柴油机组起动、停机、发电机 并车、解列、柴油机组升速脉冲、减速脉冲。 2 2 38 7 - 3 0 0 的详细配置 在对p l c 的选配工作进行之前，需要对测控对象和控制任务进行统计和分析， 然后才能确定系统的规模、机型和配置。据规划，本船舶电站监控系统每台 s 7 3 1 5 2 d p 需要配置的不同性质的i o 点如下：7 4 个数字量输入，6 4 个数字量输 出，6 个模拟量输入，4 个模拟量输出“”。 通常u o 点数的确定要按照实际点数再加2 0 3 0 的备用量，但是由于考虑到 s 7 3 0 0 的突出的可扩展性能，配置了的模块如表2 1 基于p l c 的船舶电站网络式监控系统的研究 表2 1p l c 模块配置表 t a b 2 1m o d u l ec o n f i g u r a t i o n 名称型号数量用途 c p u c p u 3 1 5 2 d p 1 处理器模块 d is _ 1 3 2 i5 数字量输入模块 d os m 3 2 25 数字量输出模块 a t a os m 3 3 42 模拟量输入输出模块 c pc p 3 4 0 一r s 4 2 2 4 8 5l通信模块 计数器 f m 3 5 0 一i1 计数模块 接口 i m 3 6 51 接口模块 ( 1 ) 中央处理器c p u 3 1 5 2 d p c p u 内的元件分装在一个牢固而紧凑的机壳内，面板上有状态和故障指示l e d 、 模式开关和通信接口。存储器插槽可以插入删c 微存储卡，用于扩展容量和断电 后程序数据的保存。 c p i j 3 1 5 2 d p 装载存储器的基本容量为4 8 k 字节或8 4 k 字节；它的执行运算速 度很快，每执行1 0 0 0 条二进制指令约需0 3 微秒；最大可扩充1 0 2 4 点数字量输 入输出或1 2 8 个模拟量通道。 ( 2 ) 1 6 路数字输入模块s m 3 2 1 1 6 点输入，d c 2 4 v ； 1 6 点输入，a c l 2 0 v a ； 8 点输入，a c l 2 0 2 3 0 v 。 数字输入模块s m 3 2 1 向外提供电源，将位于现场的开关触点的状态经过光电 隔离和滤波，将从运行过程中传输来的外部数字信号转化为内部s 7 3 0 0 信号电平， 然后送至输入缓冲器等待c p u 采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映像 区。 ( 3 ) 数字量输出模块s m3 2 2 1 6 点输出，d c 2 4 v ，0 5 a ； 1 6 点输出，a c l 2 v ，0 5 a ； 8 点输出，d c 2 4 v ，2 a ： 第2 章系统网络设计方案与硬件设计 8 点输出，a c l 2 0 2 3 0 v ，1 a ： 8 点继电器输出。 ( 4 ) 模拟量输入输出模块s m 3 3 4 4 输入2 输出，0 1 0 v ，4 2 0 m a ，不带隔离。 ( 5 ) 通讯处理器模块c p 3 4 0 c p 3 4 0 通讯处理器是应用于p r o f i b u s d p 总线系统的s i m a t i cs 7 3 0 0 的通讯处 理器。它内部带有微处理器，用来分担c p u 的通讯任务，并支持其它的通讯连接。 它可以通过p r o f i b u s - d p ，与p r o f i b u s 站点通讯；与编程器、人机界面装置进行通 讯；以及与其他s i m a t i cs 7 系统进行通讯。 ( 6 ) 接口模块i m 3 6 5 当p l c 系统的规模较大时，一个机架不能容纳所有的模块时，就要增添扩展 机架，这时装有c p u 的机架称为主机架。主机架和扩展机架之间通过两接口模块 i m 3 6 5 形成统一的整体。每个机架的接口模块通过总线连接器连接到i o 模块。接 口模块是自组态的，无需进行地址分配。具有指示系统状态和故障的发光二极管 l e d 。如果c p u 不确认此机架，则l e d 闪烁。一个系统可以有中央机架和最多三个 扩展机架，每个机架最多八个扩展模块，相邻机架的间隔为4 厘米到l o 米。 2 3 其他设备的选择 2 3 1 上位机的选择 船舶电站监控系统硬件选择的原则就是根据监控系统的实际需要，在保证完 成功能的前提下，尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品。 上位机的选择以高可靠性为前提，选用工业控制p c 机。与普通微机相比，工 控p c 机性能比较稳定，能在工业环境中正常工作；可以方便地进行系统扩展；而 且一般配有不间断电源u p s 供电。为了提高系统的高可靠性，本监控系统配有两 台工控p c 机。 本监控系统的上位机选用西门子s i m a t i cp c8 4 0 工控机，它是非常牢固耐用 的工控机，采用了当前功能最强大的i n t e l c p u 。其优越的系统性能、灵活的扩展 性及特殊的监控功能使其普遍适用于各种工业场合，特别是那些对功能和操作可 靠性有严格要求的场合。其技术参数如下。“： 基予p l c 豹艇瓣龟蛙瓣络式篮控系统豹磷究 中央处理器：i n t e lp 42 4 g h z ，集成3 2 k b 一级缓存，2 5 6 k b 二级缓存； 内存：5 1 2 m bs d r a m ，最大可扩展到2 g b ； 驱动器：1 个3 。5 ”硬盘驱动器( 8 0 g 脚， l 令3 5 软盘驱蘩器l ，链疆) ， 1 个4 0 速光盘驱动器，a t a p i 接口： 图形卡；a t ir a g e l 2 8m o b i l i t y 。a g p 接口，1 6 m b 照存； 可用的扩展槽：3 个i s a ，2 个p c i i s a 共享，5 个p c i ，3 个u s b 端口( 通用串 学基线) ： p r i b u s 翩p l ：9 铮d 型接头( 旄) ； 安全卡模块：温度监测，通风控制，看门狗，继电器输出； 机箱；1 9 ，机架式，带有板卡固定器和空气过滤网。 选配飞剩溱2 0 2 p 型显示器。 选琵黻太瓣卡。在稼建e t h e r n e t 鬻络簿，交予瓣虢落溷凑逶穰疆亵 毫较缝， 使用了质量好麒价格便宜的安普( a m p ) 网线，这样不识节省了成本，而鼠满足在实 验室条件下的通信要求。 2 3 2e t 2 0 0 耕分布式i o 在鑫往豹簸舷叁蘑住系统孛，p 滗瓣 内模块与耱戆器、我霉器爨鞫之鬻霉要 通过大量电缆涟接，这不仅增加了安装的工作量，也增加了安装费用和发生故障 的机率。应用分布式：o ，将i o 模块就近放置予备传感器和执行机构附近，在 p l c 和模块及现场器件之间采用p r o f i b u s - d p 现场总线避接，可克服中央i o 模块 豹主透缺点脚。 西门子e t 2 0 0 系列是基于p r o f i b u s - d p 瑗场总线的分布式i o 设餐，w 黻与经 过认证的非飚门子公司生产的p r o f i b u s - d p 主站协同运行。 e t 2 0 0 熊向西门子的其他自动化系统协同运行，实现了从硬件配置到必事数据 库等所有层次上的全面集成。所蠢的l o 均在一个软件的控制之下，围戴翔户在 增热程彦蹩不嚣要鬏努熬培溺。露基，e t 2 0 0 哭需要缀冬懿空藤，蕤楚髑髂辍蔓，j 、 的控制柜。鬃成的连接器代替了避去密密麻麻、杂乱光章的电缆，加快了安装的 过程，紧凑的缩构是成本大幅度降低。 第2 章系统网络设计方案与硬件设计 此外，e t 2 0 0 能在非常严酷的环境下( f f f j 如酷热、严寒、强压、潮湿或多粉尘) 中使用。能够提供连接光纤p r o f i b u s 网络的接口，可以节省费用昂贵的抗电磁干扰 措施1 。 本文采用的e t 2 0 0 m 是多通道模块化的分布式i o ，采用s 7 3 0 0 全系列模块， 最多可扩展8 个模块，可以连接2 5 6 个i o 通道，适用于大点数、高性能的应用。 它有支持h a r t 协议的模块，可以将h a r t 仪表接入现场总线。它具有集成的模块 诊断功能，在运行时可以更换有源模块。 23 3 传感器的选择原则 ( 1 ) 转速传感器：现代船舶系统中，转速检澳4 方法有两种：脉冲式测速传感器和 测速发电机。但随着可编程控制器的广泛应用和现代船舶控制系统的高精度要求， 测速发电机已经淡出了其原有的舞台啪1 。光电编码器输出脉冲个数正比于发电机 轴的转速，把该脉冲信号送入p l c 高速计数器进行记数，即可换算出发电机的转 速。 ( 2 ) 温度传感器：集成传感器具有测温精度高、稳定性好、体积小巧、重复性 好、线性优良、热容量小、输出信号大等优点。此外，驱动电路也可以一起集成， 封装入小型管壳中，使它的性能和灵敏度显著提高，带负载能力增强，从而大大 地简化了实用测温电路的设计。如果对于同一个测温点采取传感器并联，则可以 实现温度测量取平均值，从而提高温度测量的准确性和可靠性。 ( 3 ) 压力传感器：根据不同工作原理，压力的检测方法主要分为：液柱平衡式 检测、弹性压力检测和物性压力检测。此监控系统选用弹性式压力传感器，这种 传感器是根据弹性元件受压变形的原理制成的，其主要包括弹性元件、变换放大 机构、指示机构和调整机构。其特点是机构简单、坚固耐用、指示明显、价格便 宜、精度较高、测量范围宽现场使用和维护也很方便，故在工程技术中得至u 相当 广泛的应用”】。 ( 4 ) 开关量传感器：本监控系统中，p l c 控制系统除了检测模拟量信号外，还 要检测各种开关量信号，例如设备的运行状态，继电器、接触器触点通断状态等。 对于这些开关量信号，必须将现场输入的状态信号进行转换、保护、滤波、隔离 等措施，以防止输入的信号引起瞬时高电压干扰、接口噪声或接触抖动。 基于p l c 靛躲躺电麓耀络式蓝控系统瓣研究 2 4 现场总线的选择及其技术特点 2 4 1 几种现场总线比较 嚣兹。泰场上豹各静理场惑线没鸯统劐唯一豹总线据准上来，热现场总线国际 标准i 霹8 11 5 8 裁包含了鼋撬殍，p r o f i b u s ，h s e ，c o n t r o l n e t 等，静类黧，两 事实上总线标准有几十种，因此出现了多种现场总线并存的局面。这些现场总线 在技术上各有特色，目前它们还不能相互代替应用到所有领域，几种现场总线的 特性和应用对比如表2 2 所示。 衷2 。2 梵势瑗羲慧线毙较 t a b 2 0c o n 单a r eo f f i e l d b u s 0 s i 网络层主要应用场 总线类型通信漶率技术特点 次 1 ，2 ，3 ，用功能强大，本安，实对性好，检测仪器和 f f 3 1 2 5 k b p s 产缮憨线供毫，餐汝没复杂控割纹袋 9 6 k b p s -通信速度侠，实时性好，组 p r o f i b u s - d p 1 ，2 ，7 p l e 1 2 l i b p s 态配置灵活 本安，应用简单，兼容4 h a r t i ，2 ，71 2 k b p s智能仪袭 2 0 m a 信号标准 采溪短骥，抗予撬强，速疫汽车竣测、数 c 斌 i ，2 ，7 i m b p s 较幔，开发简单字量控制 支持0 s i 七层协议。开发开楼宇自动化， 3 0 0 k b p 8 l o n w o r k s l 一7有平台完善发投入大专用协能源，电力系 1 2 m b p s 议芯片统 对于船舶电站系统而言，现场总线的应用具有蕊特殊性：船舶的空间相对较 小，控制对象规模相对较小，设铸布局紧凑，信号千扰严重。考虑到以上因素， 船舶电站监按系统应采用实时蚀好、抗干扰能力强、开发及使用难度较小的现场 总线系统。邋邋与其它类型豹瑗场总线技术终比较，本文选薅逶售速度捩、实对 佳好、组态配鬻灵活、可靠性较离的p r o f i b u s 现场总线。嚣置p r o f i b u s 现场总线其 有稳定的国际标准e n 5 0 1 7 0 做保诫，并且经实际验证鼹有普遍性。用p r o f i b u s 可以 实现上下位机的较稳定的数据通信。而且由于本文所浆用西门子s 7 系列p l c ，所 第2 章系统网络设计方案与硬件设计 以对比其他总线，p r o f i b u s 现场总线是最好的选择。 2 4 2p r o f i b u s 的体系机构 2 4 2 1p r o f i b u s 的类型 p r o f i b u s 是一种不依赖于设备生产商的开放式现场总线标准。采用p r o f i b u s 的 标准系统后，不同厂商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可以通信。它 广泛适用于制流程工业自动化、造业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动 化。 针对不同的应用场合，p r o f i b u s 分为三个系列，即p r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a l i z