【文章內容簡介】 艙自動化⑷，包括動力系統(tǒng)自動監(jiān)控、數據測量、報瞀顯示 等。船舶機艙自動化是船舶工業(yè)發(fā)展的重要方向，涉及的技術面很廣，比如計算機技術、 信號處理技術、監(jiān)控技術，以及各類的傳感器、光纖等多門學科。它包括主動力系統(tǒng)、發(fā) 電系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)的監(jiān)控 ， 需要研究電力電子技術、單片機技術、原動機技術，還有船 舶電站要實現(xiàn)網絡化管理，那么網絡技術是不可缺少 ?計算機與控制器之間的通信 ， 根據 實際設備需要采用何種數據線，計算機與計算機之間互通都需要認真研究。最終實現(xiàn)控制 系統(tǒng)系列化、 模塊化、智能化、數字化、網絡化 ， 向著船艙綜合自動化方向前進。其中網 絡化是未來船舶的發(fā)展重點 ， 它的自動化化水平高、易于維護、安全可靠。 隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，船舶的大型化和高科技日趨顯著信息處理技術以及自 動浙江工業(yè)大學碩上學位論文 監(jiān)控技術的提高，促進了船舶電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展。在船舶電力系統(tǒng)及其自 動化裝 *發(fā)面，出現(xiàn)了新技術、新設備、新觀念。為了實現(xiàn)對船舶電力系統(tǒng)的有效管理和 監(jiān)控，一般在服務器上安裝工控組態(tài)軟件 ， 設計整所船舶的設備構件，連通工控機與控制 器之間的網絡，除了現(xiàn)場操作外，其他的都可在監(jiān)測系統(tǒng)上監(jiān)控，包括發(fā) 電機組的運行參 數、故陣報警，實現(xiàn)了對船舶電站的分散控制和集中管理。觸點型監(jiān)控系統(tǒng)、集中型監(jiān)控 系統(tǒng)、集散型監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場總線型監(jiān)控系統(tǒng)是船舶電站監(jiān)控技術發(fā)展的四個階段。 上世紀末，計算機技術得到了飛速的發(fā)展，各個行業(yè)的發(fā)展都得到了質的飛躍。船舶 電站也有了很大的發(fā)展，其突出標志是高容量和自動化 0隨著網絡化技術的出現(xiàn)，機艙自 動化逐漸向無人值守過程發(fā)展，整個船舶連成一個系統(tǒng)，集成和分享所有信息 ， 形成計算 機局域網絡。 網絡型監(jiān)控系統(tǒng)是船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向 ,也是目前新造船舶所采用的主流監(jiān) 控系統(tǒng) ， 因此現(xiàn) 代船舶電站監(jiān)控技術的特點就是建立在計算機通信技術基礎之上的網絡 化，以及由此帶來的數字化、標準化和智能化 . ? 國內外船舶電站監(jiān)控技術的研究現(xiàn)狀 國外對船舶電站監(jiān)控技術的研究起步比較早 39。 一些具有先進實驗室的主要造船國家 的研究機構和高校都在開展相應的研究工作，他們擁有數字仿真裝置，或者是半數字仿真 裝置，也就是部分是實物，可以供研究人員進行開發(fā)操作，各種測試儀器也是非常的精密 , 有不同類型的負載模擬器。這些良好的設備條件為船舶電站自動化的研究鋪展了道路，推 進了船舶電站的發(fā)展。另外雄厚的開發(fā)資金 也是國內研究機構望塵奠及的 . 集散型監(jiān)控系統(tǒng)產生后，國外陸續(xù)推出了采用局域網絡的船舶監(jiān)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中 都包括電站計算機監(jiān)控子系統(tǒng)，也就是說在這些代表發(fā)展方向的系統(tǒng)中，電站都是由計算 機直接監(jiān)控。 我國研究船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的機構也比較多，設計的電站自動化系統(tǒng)中，可根據電網 的負荷情況來決定增加還是減少發(fā)電機組的投入，進入并機狀態(tài)后隨時監(jiān)視電網的狀態(tài) , 進行電網有功功率和頻率的自動調整、電網無功功率和電壓的自動調整，確保電網的運行 穩(wěn)定。但是由于船舶電站的研究成本高，技術難度大，國內的產品和世界主要造船國家 相 比，還存在著較大的差距。我國的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)總體上還處于研究階段 ，技術水平不 高，達不到世界船舶規(guī)范。造成我國在該領域落后的主要原因是技術支持不浙江工業(yè)大學碩上學位論文 夠和研究工作浙江工 ilk大學碩士學位論文 跟不上 ， 因此，我國需加強船舶電站自動化監(jiān)控技術的研究。 PLC 概述 PLC 的應用現(xiàn)狀 當前，我國的 PLC市場基本上都是國外產品，比如 LG、 三菱、西門子等。國內也有 單位研 究 PLC,但是因各種原因沒有快速的發(fā)展起來。年銷售額超千萬的有上海正航、深 圳合信、無錫信捷等，銷售額超億的有臺灣臺達，但所有的這些廠家的 PLC市場占有率大 概只有 5%【 9】 。 曰本的 PLC 主要以小型為主，比如本系統(tǒng)采用的 FX 系列，但此系列的 PLC功能強大 , 且容易擴展，有許多的擴展模塊，比如 FX0N3A 輸入輸出模塊 ， 既有數字量輸入輸出也有 模擬量的輸入輸出，非常實用。歐美國家制造的 PLC大多是大中型 ， 在一些大型的系統(tǒng)中 會經常采用。 PLC 在國內市場有著巨大的潛力 ， 國內大多數的小型企業(yè)的生產過程依舊沒有 使用自 動化系統(tǒng)，比如機械行業(yè) ， 八成以上的設備還是采用接觸器或者繼電器進行監(jiān)控。只有一 些大中型企業(yè)才采用了自動化系統(tǒng) ， 并把它應用在生產過程中。隨著企業(yè)間的競爭加劇， 小型企業(yè)為了獲得更大的效益，并且為了提高自身的競爭實力，就需要不斷地提升生產系 統(tǒng)的自動化。 機械工業(yè)是我國的基礎工業(yè)之一，近年來逐漸發(fā)展成為國內工業(yè)的增長點，每年以驚 人的速度增長。 PLC 可對機械工業(yè)的幵關量進行監(jiān)控，機械工業(yè)的快速發(fā)展就為 PLC提供 了空間 ,反過來 PLC也提升了機械工業(yè)的自動化程度。在信息化帶動工業(yè)化的指導方針下 , PLC能夠把大量的傳統(tǒng)產業(yè)改造成為先進的自動化產業(yè)，提升了企業(yè)的產品質童，提高了 企業(yè)的勞動生產力，節(jié)約了成本，企業(yè)能夠獲取大的經濟效益。 目前我國的工業(yè)生產水平還是落后于西方發(fā)達國家的 ,未來 PLC在自動化系統(tǒng)中的應 用應該有一個很大的發(fā)展空間。 PLC 在船舶電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應用前景 可編程序監(jiān)控器 (PLC)是通用型工業(yè)監(jiān)控器件，因其抗干擾能力強、功能齊全、應用 靈活、使用方便、維修簡單的優(yōu)點，能夠直接應用于工業(yè)環(huán)境，因此得到廣泛的應用。基 于 PLC 的船舶電站自動化系統(tǒng)與基于單片機的船舶電站自 動化系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點 11浙江工業(yè)大學碩上學位論文 176?！?： (1)可靠性高 一臺可編程控制器能夠連續(xù)運行 30 萬 h,也就是 30 多年而不出故陣，目前還沒有其 它的工業(yè)控制系統(tǒng)能夠超過 PLC。 PLC不能直接接收模擬信號，需要一塊信號處理板 ，把 采集到得模擬信號轉換成 PLC可以接收的標準信號 ,而單片機也同樣需要這樣的信號處理 板，但是海上的惡劣環(huán)境不同陸上，單片機的抗干擾問題一直得不到很好的解決，而 PLC 能夠直接應用在惡劣的環(huán)境中。 另外， PLC 在硬件和軟件方面還采用了以下強有力的措施，來提高其可靠性 1】 《 硬件方面， I/O 模塊采用光電 隔離技術，以及光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔絕 PLC 內部電路與工業(yè)設備間的電氣：器件選擇嚴格，采用模塊化形式，當某個模塊發(fā)生故 障時，可以立刻得到更換，縮短故障維修時間：供電電源采用開關電源，比起線性電源來 說它的性能優(yōu)良，功耗小 ， 并對輸入電路采取各類形式的濾波 ， 降低干擾；各個PLC 模塊 采用屏蔽技術 ， 減少輻射的千擾。 軟件方面， PLC 有自診斷功能 ， 一旦程序系統(tǒng)或者硬件設備出現(xiàn)故障， CPU 能夠及時 采取有效措施，防止事態(tài)擴大； PLC有監(jiān)視定時器，假設程序跑飛或者執(zhí)行時間過長，進 9 入死循環(huán)，能夠報警。 (2) 用戶所需備件數量少 只需要準備一塊信號處理板。 PLC的通用性很強 ， 供電電源也是采用通用性的開關電 源， DC24V,岸上已廣泛使用，全世界都可以買到 PLC 產品以及電源備件；微機系統(tǒng)是專 用產品 ， 需配備系統(tǒng)所需各種電子電路板 (信號處理板、微機主板、各種開關量、模擬量 的輸入、輸出板等 )即備件的成本費用高。 (3) 編程簡單易學 ， 系統(tǒng)的設計、調試周期短 現(xiàn)在我們所設計的船舶電站選用 FX 系列功能最強、速度最快的微型可編程監(jiān)控器 FX2N,可以用于 I/O 點數多、監(jiān)控功能復雜、要求聯(lián)網通信的系統(tǒng)。 PLC 的編程 方式簡單 易學，可以采用梯形模式結構，工程技術人員不需要掌握高深的計算機技術就能夠編程。 另外，由于 PLC是通過程序實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，所有設計人員可以在實驗室里設計和修改 程序，還可以在實驗室方便地進行系統(tǒng)地模擬及運行調試，使現(xiàn)場的工作量大為減少 ? 浙江工業(yè)大學碩上學位論文 三菱 FX2N 的特點 ? FX2N 是日本三菱電機公司生產的小型 PLC, FX系列的基本單元、擴展模塊以及擴 浙江工業(yè)大學碩上學位論文 展單元的高度和長度一致 ?只有寬度不一樣，各模塊有 DIN導軌，相鄰模塊可用扁平電紙 連接。 PLC 接收外部的開關量或者是標準的模擬量 .轉換成數字量后交給 CPU模塊處理 (包 括控制器、運算器和存儲器 )， 數據處理好后輸出，控制繼電器之類的設備，完成控制過 程。另外， PLC 可以與上位機相連，實現(xiàn)集敝控制 ， 進一步還可得到網絡化管理(11】 。 (1)體積小 FX2N 的長度為 150mm,寬度為 90mm,高度為 85mm,非常小巧，很適合在機電一體化產 品中使用。小型 PLC 可以為外部的電子傳感器以及內部的輸入電路提供直流 24V電源。 (2)先進美觀的外部結構 產品以模塊化、系列化、標準化 ， 配備各種硬件裝置供用戶選用，根據需要可以組成 功能不同、規(guī)模不同的系統(tǒng)。接線方便，只需用扁平電纜線連接，各模塊的高度及寬度都 相同，只是長度不一樣，安裝后非常的整齊美觀。 (3) 子系列豐富 比如 FX1S、 FX1N、 FX2N 系列 a其中 FX2N 的功能最強，可以用于要求很高的系統(tǒng)， 圖 FX2N側面 圖 FX2N正面 浙江丁 .業(yè)大學碩上學位論文 通 過子系統(tǒng)的不同組合可以得到不同的系統(tǒng) ， 避免功能浪費 ， 節(jié)約投資。 (4) 系統(tǒng)配置靈活多變 FX 系列 PLC的系統(tǒng)配置靈活，具有多種基本單元、擴展單元、控制模塊 *根據輸入 輸出點數的不同，基本模塊有 FX2N16MR00 FX2N32MR00 FX2N48MR00 FX2N64MR001 等，擴展單元有 FXlN2Ah2BD(模擬量輸入擴展扳 )、 FX1N1DA2BD (模擬 貴輸出擴展板 )、 FX1N8AVBD(模擬量設定功能擴展板 )等，擴展模塊有 FX2N3A (模擬量 輸入 /輸出模塊 )、 FX2N4ADTC (熱電偶溫度傳感器用模擬量輸入模塊）等。各種配 S都 有很高的性價比，配置靈活，功能強大。 FX 系列 PLC 有多種規(guī)格數據寄存器，包括變址寄存器、特殊寄存器、文件寄存器、 鎖存數據寄存器、通用數據寄存器，字母以 D 幵頭。 PLC 有形式多樣的數據存取單元 ，可 以顯示字符、監(jiān)控裝置等。 ? (5) 功能強大，方便使用⑽ FX 系列的 PLC雖然體積小，但是有很強大的功能 ， 內部有上千個編程單元共工程技 術人員使用，可以實現(xiàn)復雜的控制功能。它內置恒定掃描時間、中斷程序、輸入輸出刷新 等功能?？刂茻艄獾牧涟悼梢圆捎?PLC內的脈寬調制 ， 即 PWM功能。它擁有的安全機制非 常高，可以設 *密碼，防止程序被誤操作或者被別人盜用。 FX 系列的各 PLC產品都實現(xiàn) 了模塊化結構 ， 方便連接 * FX 系列 PLC可以在線修改程序，可以用調制解調器和電話線實現(xiàn)遠程監(jiān)視和編程 ， 元件注釋可以儲存在程序儲 存器中 ? 小結 本章主要針對船舶電站的可靠供電以及可視化圖形集中監(jiān)控的要求，計了一套基于 PLC 的船舶電站自動化監(jiān)控系統(tǒng) ， 以此來提高船舶電站的自動化水平。 1. 深入了解船舶電站整體結構 ,分析了國內外船舶電站監(jiān)控技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨 勢。 2. 通過 PLC 與單片機的性能比較，采用了先進的 PLC系統(tǒng)控制船舶電站，并且使用組 態(tài)軟件 MCGS 來實現(xiàn)集中監(jiān)控，性能可靠、操作方便。 因地理位置的特殊性 ， 造船業(yè)一直是舟山工業(yè)的重要支柱 ， 修造業(yè)發(fā)達，許多國內外 浙江工業(yè)大學碩上學位論文 船只停靠在避 風港整修。舟山群島位于我國東南沿海 ， 處于南北海岸線的中心 1M】 。 它處 于東海之濱，背靠經濟發(fā)達的長三角，與上海、寧波等大中城市隔海相望，是中國對外幵 放的主要海上門戶。舟山擁有眾多良好的深水港資源，這些成為工業(yè)發(fā)展所需能源、原材 料及外貿物質運輸的主要中轉港 ,未來的發(fā)展方向是成為以水水中轉和工業(yè)港為特色的綜 合性港口《 隨著船舶業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代技術的不斷更新 ， 研究船舶電站的自動化控制有著非常 重要的意義 .而電站在船舶中占領著非常重要的地位，一旦電站出現(xiàn)嚴重故陣，整所船會 處于癱瘓狀態(tài) ， 人的生命安全得不到保 障。這就是本文研究船舶電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的重 大意義所在 ?浙江工業(yè)大學碩十學位論文 第 2 章船舶電站自動化系統(tǒng)的總體設計 隨著船舶自動化程度的不斷提高，電站自動化由局部的、就地的監(jiān)控，發(fā)展到綜合的、 集中的電站自動化 ? 電站自動化系統(tǒng)總體設計方案 本文根據船舶電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求 [||】 ，構造了有設備層、監(jiān)控 層和網絡 層的三層網絡監(jiān)控系統(tǒng)，如圖 。它包含了船舶電站自動化應具備的各項 功能，由總體控制把它們有機組織在一起 ， 各種功能相互獨立又相互聯(lián)系，共同完成船舶 電站的自動化運行。 囝 利用 PLC和智能儀器采集運行數據，監(jiān)控現(xiàn)場設備 ,PLC主要承擔發(fā)電機組的起動、 停止控制，調頻調壓，并聯(lián)運行控制 ， 機組運行臺數以及大功率符合投入管理，機組故陣