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"基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计" 本文主要介绍了基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计,包括系统的概述、 PLC 的特点和优势、系统的硬件设计、软件设计等方面。 文章概述了船舶自动化技术的发展历程,指出主机遥控系统是实现无人机舱的必要条件之一。然后,文章介绍了 PLC 的特点和优势,包括灵活性、成本低、可靠性高、构成简单、使用方便、可维护性好和模拟调试等。 接着,文章详细介绍了基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计,包括系统的硬件设计和软件设计。硬件设计部分主要涉及到机旁控制箱、主控箱、集控驾控信号板的硬件电路设计,以及外围模块和输入输出断线检测模块的设计。软件设计部分主要涉及到控制方式的选择、起动、应急倒车、转速信号发送速率限制、临界转速回避等,使用 STEP7 5.3 版本进行 LAD 编程。 文章总结了基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计的技术要求,包括操纵方式、逻辑控制、程序调速、安全保护和故障报警等。 本文提供了一个基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计方案,展示了 PLC 在船舶自动化领域的应用前景。 知识点: 1. 船舶自动化技术的发展历程 2. PLC 的特点和优势 3. 基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计 4. 系统硬件设计 5. 系统软件设计 6. 控制方式的选择和实现 7. 程序调速和安全保护 8. 故障报警和自诊断 9. 系统的技术要求和性能指标 这些知识点对于理解基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计非常重要,并且对船舶自动化领域的研究和应用具有一定的参考价值。
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山东交通学院毕业设计(论文)
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前 言
上世纪五十年代以来,船舶自动化技术经历了由轮机当班人员在机旁依照驾
驶台指令操作的本地控制、采用机舱集控室的集中控制、机舱无人值班船舶到属
于全自动化以节能为中心的网络型的发展过程。也就是在这个发展形势下,主机
遥控系统应运而生并发展迅速。因为世界主要造船国家船级社已把主机遥控系统
作为“无人机舱”规范中不可缺少的部分。
随着船舶自动化水平的不断提高,船舶主机遥控技术发展也很快,近几年下
水的船舶主机遥控系统几乎全部采用微机控制,它的主要特点是采用微型计算机
用软件编程的方法,代替了常规硬件电路的逻辑和数字运算功能。而目前设计采
用微机控制的遥控系统主要有两种方案:一是采用专用或通用工业控制微机,如
西门子 DIFA 系列微机主机遥控系统,挪威康士伯的 Auto chief 系列微机主机遥控
系统,国内有交通部上海船舶运输科学研究所研制的 CY8800 型微机主机遥控;另
外是采用可编程序控制器,如西门子 SIMOS RCS51 型号 PLC 柴油主机遥控系统,
但国内还没有推广应用的 PLC 主机遥控系统正式成熟产品。因此,利用可编程序
控制器为控制核心开发中速主机遥控系统,也具有广阔的市场应用前景。
可编程序控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC)是在六十年代后期
和七十年代初期问世的,是面向用户的电子计算机,能用来完成各种各样的复杂
程度不同的工业控制功能,一度成为工业自动化领域的三大支柱。PLC 的主要特
点和优势体现在:
1.灵活性
可编程控制器的出现,电气工程师不必为每套设备配置专用控制装置,硬件
设备可以采用相同的可编程控制器,只编写不同应用软件即可,这样,能满足所
控制生产流程频繁变化的要求。而且,可以用一台可编程序控制器控制几台操作
方式完全不同的设备。可编程序控制器为原设计的改进和修订提供了极其方便的
手段,大大缩短了更新时间。
2.成本低、可靠性高
可编程序控制器提供的继电器触点、计时器、计数器、顺控器的数量与实际
数量的继电器、计数器、顺控器相比要便宜的多。在硬件上采取光电隔离、滤波
等技术,软件上采取自诊断等技术,因此可靠性大大高于机械和电器继电器。
3.构成简单,使用方便
可编程序控制器采用模块化结构,用户只要根据被控系统输入/输出信号的性
质及点数多少,选择相应的模块,很容易构造出需要的控制系统。
4.可维护性好
王凯:基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计
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可编程序控制器由各种功能模块组合而成,这样,一旦出现故障,系统的自
检功能将指出故障部位,维修人员便可方便地更换模块,使维修时间降低到最低
程度。同时,亦大大压缩了备件库存。
5.模拟调试
可编程序控制器能够对被控制对象在实验室内进行模拟调试,缩短现场的调
试时间,不需在现场花费大量时间进行调试。
6.强大的通讯能力
目前,世界上各大可编程序控制器生产厂家生产的 PLC,均可通过通讯处理
模块或通讯处理卡组成网络,或连接到现场总线,以满足现代规模庞大、结构复
杂、功能综合、因素众多的工程大系统的控制要求
[1]
。
随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通讯技术等的发展,PLC
在技术和功能上也发生了巨大的飞跃。在初期逻辑运算大基础上,增加了数值运
算、闭环调节功能,增加了模拟量和 PID 调节模块;运算速度提高,CPU 的能力
赶上了工业控制机算机;通讯功能的提高发展了多种局部总线和网路(LAN),因
而也可构成一个集散系统,特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中。
正是由于 PLC 技术的不断发展,使其更多的应用于船舶设备的控制中来,发
挥其适应恶劣环境、线路简单、程序容易修改的优点,实现船舶的自动化控制,
它在主机遥控系统中的应用优势一定会成为新时期发展的焦点。
本文针对不可倒转中速柴油机,减速可逆齿轮箱和固定螺距桨组成的船舶推
进系统,设计一套以可编程序控制器为核心的主机遥控系统。具体完成的内容和
工作有:
1.中速机主机遥控装置功能设计,主要包括操纵方式及操纵方式转换功能,换
向及逻辑控制功能,程序调速功能,安全保护和故障报警功能,系统故障检测,
参数修改功能等。
2.系统硬件设计,主要包括机旁控制箱、主控箱、集控驾控信号板的硬件电路
设计,以及外围模块和输入输出断线检测模块的设计。
3.系统软件设计,本文主要对控制方式的选择、起动、应急倒车、转速信号发
送速率限制、临界转速回避等利用 STEP7 5.3 版本进行了 LAD 编程。
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1 船舶主机遥控系统的基本技术要求
1.1 概述
主机遥控系统是指对主机进行远距离遥控,也就是把主机的操纵地点从机旁延伸到
了集控室和驾驶台,主机遥控系统是实现无人机舱的必要条件之一。
主机遥控系统根据操纵场所的不同来划分,可分为机旁、集控室、驾驶台三种操作
方式,驾驶人员可用车钟通过电子逻辑系统和气动系统直接操纵主机,也可以利用转换
开关转到集控室遥控。一般在正常情况下,使用驾驶台遥控方式,当驾驶台自动遥控系
统发生故障时,就转到集控室遥控,若集控室遥控系统也发生故障,还可以转到机旁进
行应急操纵。
1.2 主机遥控系统中的起停控制
主机遥控系统中的起停控制主要包括:起动控制、重复起动、慢转控制。
船舶主机对起动控制的要求如下:
(1)发出起动指令
(2)换向结束,即凸轮轴位置与车令一致
(3)盘车机必须脱开
(4)开始起动时油门必须关闭
(5)船舶主机转速必须低于正常起动速度
(6)无三次起动失败或者说在允许的起动时间内
(7)主机转向正确,即主机运转方向与车令一致
重复起动:车钟手柄扳到起动位置后,由于某种原因,可能使主机第一次起动不成
功,这时系统应能自动的进行多次起动。有的遥控系统允许三次起动,有的允许四次起
动。在三次或四次起动失败后,系统不能在进行起动操作,发出报警信号,待查明原因
或故障排除后,才可以重新起动。
慢转控制:如果主机停车时间较长(一般指超过 30min),则在下次起动主机时,应
首先使主机低速旋转一圈,然后再转入正常起动,或者电源切断后恢复供电,也应该先
低速慢转一圈,其目的是对主机进行润滑和故障检测。这种使主机以低速旋转一圈的运
动,叫做慢转。在应急操作情况下,可以取消慢转控制
[2]
。
1.3 船舶主机的转速控制
电子调速器主要是由 P1 调节器组成,因其输入、输出都是电压信号,所以电子调
速器输入部分的设定值发送器、设定值限速器以及加速限制器等均用电路来实现,而其
输出则必须通过执行器去控制主机的供油量,如图 1.1。
王凯:基于 PLC 的船舶主机遥控系统的设计
4
图 1.1 电子调速系统框图
Fig.1.1 the principle chart of electronic timing system
1.4 遥控系统中的限制环节
船舶主机遥控系统中的限制环节主要包括以下几个方面:
1.临界转速限制
在主机遥控系统中,当车令转速落在临界转速时,应避开临界转速区。方法主要有
二种,本系统运用当前最为广泛的一种。当车令转速落在临界转速范围内靠近下限时,
将主机转速限制在临界转速下限以下;当车令转速落在临界转速范围内靠近上限时,以
最快上升速率将速度通过临界转速区限制在上限以上不变,如图 1.2。
图 1.2 临界转速控制
Fig.1.2 acceleration limited curve figure
n
H
100%
70%
65%
t
转速指令
避让后的指令
临界转速
I/P
变换
器
S
测速
装置
设定
值限
定器
加速
度限
制器
PI
调节
器
UI
变换
器
电液
执行
器
E
主机
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2.最大、最小转速限制
正车最大限制转速是额定转速。当车钟指令大于正车最大转速时,就受到正车最大
转速电位器的限制。紧急操作指令通过逻辑电路解除最大转速限制,直接由电位器控制。
3.故障减速和故障停车
为了保护主机安全运行,避免损坏,根据主机发生的故障情况,分别采取减速或者
停车措施进行处理。当发生滑油温度高、气缸和活塞冷却水温度高、废气透平温度高、
曲柄箱油雾浓度大、废气锅炉有故障等不正常情况时,应发出故障减速信号。当故障排
除后,利用集控室操纵台上的复位按钮复位,即可以解除故障减速限制。当发生滑油压
力低或气缸、气缸冷却水低于允许值时,不允许主机继续运行,应由故障停车电路经短
时间延时,使转速给定值降到零,主机便断油停车。
4.负荷程序限制
负荷程序限制的限制值从 80%n
H
增加到 100%n
H
。如图 1.3 为负荷限制器程序曲线
图:
图 1.3 负荷限制程序曲线图
Fig.1.3 load limited program curve chart
5.加速速度限制器
加速度限制器应满足以下要求:
(1)把车钟指令信号变成斜坡信号。
(2)根据主机不同工况不同热负荷要求用不同的速率发送。
图 1.4 为加速限制曲线:
n%
100
80
40
非负荷限制区
负荷限制区
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黑色的迷迭香
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