基于plc的船舶电站自动化监控系统的设计

基于plc的船舶电站自动化监控系统的设计内容摘要：

舱自动化⑷，包括动力系统自动监控、数据测量、报瞀显示 等。 船舶机舱自动化是船舶工业发展的重要方向，涉及的技术面很广，比如计算机技术、 信号处理技术、监控技术，以及各类的传感器、光纤等多门学科。 它包括主动力系统、发 电系统等多个子系统的监控 ， 需要研究电力电子技术、单片机技术、原动机技术，还有船 舶电站要实现网络化管理，那么网络技术是不可缺少 •计算机与控制器之间的通信 ， 根据 实际设备需要采用何种数据线，计算机与计算机之间互通都需要认真研究。 最终实现控制 系统系列化、 模块化、智能化、数字化、网络化 ， 向着船舱综合自动化方向前进。 其中网 络化是未来船舶的发展重点 ， 它的自动化化水平高、易于维护、安全可靠。 随着船舶行业的快速发展，船舶的大型化和高科技日趋显著信息处理技术以及自 动浙江工业大学硕上学位论文 监控技术的提高，促进了船舶电站自动化监控系统的迅速发展。 在船舶电力系统及其自 动化装 *发面，出现了新技术、新设备、新观念。 为了实现对船舶电力系统的有效管理和 监控，一般在服务器上安装工控组态软件 ， 设计整所船舶的设备构件，连通工控机与控制 器之间的网络，除了现场操作外，其他的都可在监测系统上监控，包括发 电机组的运行参 数、故陣报警，实现了对船舶电站的分散控制和集中管理。 触点型监控系统、集中型监控 系统、集散型监控系统和现场总线型监控系统是船舶电站监控技术发展的四个阶段。 上世纪末，计算机技术得到了飞速的发展，各个行业的发展都得到了质的飞跃。 船舶 电站也有了很大的发展，其突出标志是高容量和自动化 0随着网络化技术的出现，机舱自 动化逐渐向无人值守过程发展，整个船舶连成一个系统，集成和分享所有信息 ， 形成计算 机局域网络。 网络型监控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监 控系统 ， 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 . • 国内外船舶电站监控技术的研究现状 国外对船舶电站监控技术的研究起步比较早 39。 一些具有先进实验室的主要造船国家 的研究机构和高校都在开展相应的研究工作，他们拥有数字仿真装置，或者是半数字仿真 装置，也就是部分是实物，可以供研究人员进行开发操作，各种测试仪器也是非常的精密 , 有不同类型的负载模拟器。 这些良好的设备条件为船舶电站自动化的研究铺展了道路，推 进了船舶电站的发展。 另外雄厚的开发资金 也是国内研究机构望尘奠及的 . 集散型监控系统产生后，国外陆续推出了采用局域网络的船舶监控系统。 这些系统中 都包括电站计算机监控子系统，也就是说在这些代表发展方向的系统中，电站都是由计算 机直接监控。 我国研究船舶电站监控系统的机构也比较多，设计的电站自动化系统中，可根据电网 的负荷情况来决定增加还是减少发电机组的投入，进入并机状态后随时监视电网的状态 , 进行电网有功功率和频率的自动调整、电网无功功率和电压的自动调整，确保电网的运行 稳定。 但是由于船舶电站的研究成本高，技术难度大，国内的产品和世界主要造船国家 相 比，还存在着较大的差距。 我国的船舶电站监控系统总体上还处于研究阶段 ，技术水平不 高，达不到世界船舶规范。 造成我国在该领域落后的主要原因是技术支持不浙江工业大学硕上学位论文 够和研究工作浙江工 ilk大学硕士学位论文 跟不上 ， 因此，我国需加强船舶电站自动化监控技术的研究。 PLC 概述 PLC 的应用现状 当前，我国的 PLC市场基本上都是国外产品，比如 LG、 三菱、西门子等。 国内也有 单位研 究 PLC,但是因各种原因没有快速的发展起来。 年销售额超千万的有上海正航、深 圳合信、无锡信捷等，销售额超亿的有台湾台达，但所有的这些厂家的 PLC市场占有率大 概只有 5%【 9】。 曰本的 PLC 主要以小型为主，比如本系统采用的 FX 系列，但此系列的 PLC功能强大 , 且容易扩展，有许多的扩展模块，比如 FX0N3A 输入输出模块 ， 既有数字量输入输出也有 模拟量的输入输出，非常实用。 欧美国家制造的 PLC大多是大中型 ， 在一些大型的系统中 会经常采用。 PLC 在国内市场有着巨大的潜力 ， 国内大多数的小型企业的生产过程依旧没有 使用自 动化系统，比如机械行业 ， 八成以上的设备还是采用接触器或者继电器进行监控。 只有一 些大中型企业才采用了自动化系统 ， 并把它应用在生产过程中。 随着企业间的竞争加剧， 小型企业为了获得更大的效益，并且为了提高自身的竞争实力，就需要不断地提升生产系 统的自动化。 机械工业是我国的基础工业之一，近年来逐渐发展成为国内工业的增长点，每年以惊 人的速度增长。 PLC 可对机械工业的幵关量进行监控，机械工业的快速发展就为 PLC提供 了空间 ,反过来 PLC也提升了机械工业的自动化程度。 在信息化带动工业化的指导方针下 , PLC能够把大量的传统产业改造成为先进的自动化产业，提升了企业的产品质童，提高了 企业的劳动生产力，节约了成本，企业能够获取大的经济效益。 目前我国的工业生产水平还是落后于西方发达国家的 ,未来 PLC在自动化系统中的应 用应该有一个很大的发展空间。 PLC 在船舶电站自动化监控系统中的应用前景 可编程序监控器 (PLC)是通用型工业监控器件，因其抗干扰能力强、功能齐全、应用 灵活、使用方便、维修简单的优点，能够直接应用于工业环境，因此得到广泛的应用。 基 于 PLC 的船舶电站自动化系统与基于单片机的船舶电站自 动化系统相比有以下优点 11浙江工业大学硕上学位论文 176。 】 ： (1)可靠性高 一台可编程控制器能够连续运行 30 万 h,也就是 30 多年而不出故陣，目前还没有其 它的工业控制系统能够超过 PLC。 PLC不能直接接收模拟信号，需要一块信号处理板 ，把 采集到得模拟信号转换成 PLC可以接收的标准信号 ,而单片机也同样需要这样的信号处理 板，但是海上的恶劣环境不同陆上，单片机的抗干扰问题一直得不到很好的解决，而 PLC 能够直接应用在恶劣的环境中。 另外， PLC 在硬件和软件方面还采用了以下强有力的措施，来提高其可靠性 1】 《 硬件方面， I/O 模块采用光电 隔离技术，以及光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔绝 PLC 内部电路与工业设备间的电气：器件选择严格，采用模块化形式，当某个模块发生故 障时，可以立刻得到更换，缩短故障维修时间：供电电源采用开关电源，比起线性电源来 说它的性能优良，功耗小 ， 并对输入电路采取各类形式的滤波 ， 降低干扰；各个PLC 模块 采用屏蔽技术 ， 减少辐射的千扰。 软件方面， PLC 有自诊断功能 ， 一旦程序系统或者硬件设备出现故障， CPU 能够及时 采取有效措施，防止事态扩大； PLC有监视定时器，假设程序跑飞或者执行时间过长，进 9 入死循环，能够报警。 (2) 用户所需备件数量少 只需要准备一块信号处理板。 PLC的通用性很强 ， 供电电源也是采用通用性的开关电 源， DC24V,岸上已广泛使用，全世界都可以买到 PLC 产品以及电源备件；微机系统是专 用产品 ， 需配备系统所需各种电子电路板 (信号处理板、微机主板、各种开关量、模拟量 的输入、输出板等 )即备件的成本费用高。 (3) 编程简单易学 ， 系统的设计、调试周期短 现在我们所设计的船舶电站选用 FX 系列功能最强、速度最快的微型可编程监控器 FX2N,可以用于 I/O 点数多、监控功能复杂、要求联网通信的系统。 PLC 的编程 方式简单 易学，可以采用梯形模式结构，工程技术人员不需要掌握高深的计算机技术就能够编程。 另外，由于 PLC是通过程序实现对系统的监控，所有设计人员可以在实验室里设计和修改 程序，还可以在实验室方便地进行系统地模拟及运行调试，使现场的工作量大为减少 • 浙江工业大学硕上学位论文 三菱 FX2N 的特点 • FX2N 是日本三菱电机公司生产的小型 PLC, FX系列的基本单元、扩展模块以及扩 浙江工业大学硕上学位论文 展单元的高度和长度一致 •只有宽度不一样，各模块有 DIN导轨，相邻模块可用扁平电纸 连接。 PLC 接收外部的开关量或者是标准的模拟量 .转换成数字量后交给 CPU模块处理 (包 括控制器、运算器和存储器 )， 数据处理好后输出，控制继电器之类的设备，完成控制过 程。 另外， PLC 可以与上位机相连，实现集敝控制 ， 进一步还可得到网络化管理(11】。 (1)体积小 FX2N 的长度为 150mm,宽度为 90mm,高度为 85mm,非常小巧，很适合在机电一体化产 品中使用。 小型 PLC 可以为外部的电子传感器以及内部的输入电路提供直流 24V电源。 (2)先进美观的外部结构 产品以模块化、系列化、标准化 ， 配备各种硬件装置供用户选用，根据需要可以组成 功能不同、规模不同的系统。 接线方便，只需用扁平电缆线连接，各模块的高度及宽度都 相同，只是长度不一样，安装后非常的整齐美观。 (3) 子系列丰富 比如 FX1S、 FX1N、 FX2N 系列 a其中 FX2N 的功能最强，可以用于要求很高的系统， 图 FX2N侧面 图 FX2N正面 浙江丁 .业大学硕上学位论文 通 过子系统的不同组合可以得到不同的系统 ， 避免功能浪费 ， 节约投资。 (4) 系统配置灵活多变 FX 系列 PLC的系统配置灵活，具有多种基本单元、扩展单元、控制模块 *根据输入 输出点数的不同，基本模块有 FX2N16MR00 FX2N32MR00 FX2N48MR00 FX2N64MR001 等，扩展单元有 FXlN2Ah2BD(模拟量输入扩展扳 )、 FX1N1DA2BD (模拟 貴输出扩展板 )、 FX1N8AVBD(模拟量设定功能扩展板 )等，扩展模块有 FX2N3A (模拟量 输入 /输出模块 )、 FX2N4ADTC (热电偶温度传感器用模拟量输入模块）等。 各种配 S都 有很高的性价比，配置灵活，功能强大。 FX 系列 PLC 有多种规格数据寄存器，包括变址寄存器、特殊寄存器、文件寄存器、 锁存数据寄存器、通用数据寄存器，字母以 D 幵头。 PLC 有形式多样的数据存取单元 ，可 以显示字符、监控装置等。 • (5) 功能强大，方便使用⑽ FX 系列的 PLC虽然体积小，但是有很强大的功能 ， 内部有上千个编程单元共工程技 术人员使用，可以实现复杂的控制功能。 它内置恒定扫描时间、中断程序、输入输出刷新 等功能。 控制灯光的亮暗可以采用 PLC内的脉宽调制 ， 即 PWM功能。 它拥有的安全机制非 常高，可以设 *密码，防止程序被误操作或者被别人盗用。 FX 系列的各 PLC产品都实现 了模块化结构 ， 方便连接 * FX 系列 PLC可以在线修改程序，可以用调制解调器和电话线实现远程监视和编程 ， 元件注释可以储存在程序储 存器中 • 小结 本章主要针对船舶电站的可靠供电以及可视化图形集中监控的要求，计了一套基于 PLC 的船舶电站自动化监控系统 ， 以此來提高船舶电站的自动化水平。 1. 深入了解船舶电站整体结构 ,分析了国内外船舶电站监控技术的研究现状和发展趋 势。 2. 通过 PLC 与单片机的性能比较，采用了先进的 PLC系统控制船舶电站，并且使用组 态软件 MCGS 来实现集中监控，性能可靠、操作方便。 因地理位置的特殊性 ， 造船业一直是舟山工业的重要支柱 ， 修造业发达，许多国内外 浙江工业大学硕上学位论文 船只停靠在避 风港整修。 舟山群岛位于我国东南沿海 ， 处于南北海岸线的中心 1M】。 它处 于东海之滨，背靠经济发达的长三角，与上海、宁波等大中城市隔海相望，是中国对外幵 放的主要海上门户。 舟山拥有众多良好的深水港资源，这些成为工业发展所需能源、原材 料及外贸物质运输的主要中转港 ,未来的发展方向是成为以水水中转和工业港为特色的综 合性港口《 随着船舶业的不断发展，现代技术的不断更新 ， 研究船舶电站的自动化控制有着非常 重要的意义 .而电站在船舶中占领着非常重要的地位，一旦电站出现严重故陣，整所船会 处于瘫痪状态 ， 人的生命安全得不到保 障。 这就是本文研究船舶电站自动化监控系统的重 大意义所在 •浙江工业大学硕十学位论文 第 2 章船舶电站自动化系统的总体设计 随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化由局部的、就地的监控，发展到综合的、 集中的电站自动化 • 电站自动化系统总体设计方案 本文根据船舶电站自动化监控系统所要实现的功能要求 [||】 ，构造了有设备层、监控 层和网络 层的三层网络监控系统，如图。 它包含了船舶电站自动化应具备的各项 功能，由总体控制把它们有机组织在一起 ， 各种功能相互独立又相互联系，共同完成船舶 电站的自动化运行。 囝 利用 PLC和智能仪器采集运行数据，监控现场设备 ,PLC主要承担发电机组的起动、 停止控制，调频调压，并联运行控制 ， 机组运行台数以及大功率符合投入管理，机组故陣。