基于PLC柴油主機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)的研制

1、基于 PLC 柴油主機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)的研制摘 要：介紹了一套以可編程邏輯控制器（programmable logical controller）為核心，適合于帶齒輪箱船舶中速柴油主機(jī)的推進(jìn)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操縱簡(jiǎn)單、可靠性高、功能擴(kuò)展容易及維修方便等特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，在主推進(jìn)控制系統(tǒng)中采用plc 控制技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞： 船舶；推進(jìn)控制系統(tǒng)；plc0 引言從六十年代起，無(wú)人機(jī)艙船舶獲得迅速發(fā)展，也就是在這個(gè)情況下，船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)獲得了重要的發(fā)展，世界主要造船國(guó)家船級(jí)社把推進(jìn)控制系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)艙的不可缺少的一部分，近年來(lái)推進(jìn)控制系統(tǒng)獲得了較快的發(fā)展。船舶推進(jìn)控制系

2、統(tǒng)必須具有簡(jiǎn)單實(shí)用的操縱方法和界面，做到絕對(duì)的安全可靠1。船舶推進(jìn)控制是指遠(yuǎn)離主機(jī)在集控室或駕駛室通過(guò)自動(dòng)控制設(shè)備操縱主機(jī)，須具有操縱簡(jiǎn)單、工作可靠和功能完善等特點(diǎn)?；谝陨弦螅兄屏艘惶滓詀bbplc 為控制核心的推進(jìn)控制系統(tǒng)。在多plc 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了整個(gè)plc 網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)和通訊方案,通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)啟停部分的自動(dòng)控制及安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)推進(jìn)控制系統(tǒng)采用三套abb plc 作為中央主控單元，三套plc 采用以太網(wǎng)通訊組成局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和交換。三套分別構(gòu)成：（1）報(bào)警系統(tǒng)：采集來(lái)自主機(jī)，齒輪箱，調(diào)速器中需要報(bào)警的溫度和壓力等信號(hào)，

3、在機(jī)旁、集控室、駕駛室三地均能進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)顯示和越限報(bào)警，并能通過(guò)modbus 協(xié)議將部分參數(shù)送給機(jī)艙綜合報(bào)警系統(tǒng)中。（2）安全系統(tǒng)：遙控操縱中為保護(hù)主機(jī)安全的運(yùn)行，在主機(jī)滑油壓力低、高溫水溫度高、超速、曲軸箱油霧濃度高、齒輪箱滑油壓力低，這些條件下柴油機(jī)能實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。本系統(tǒng)為提高可靠性采用冗余的方案，能實(shí)現(xiàn)繼電邏輯電路停機(jī)和通過(guò)plc 邏輯判斷輸出綜合停機(jī)信號(hào)，這兩種停機(jī)方案。（3）遙控系統(tǒng)：接收來(lái)自駕駛臺(tái)或是集控室發(fā)出的車鐘指令信號(hào)，還接收來(lái)自主機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路和齒輪箱工作狀態(tài)檢測(cè)電路的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)plc 的邏輯運(yùn)算和判斷，輸出控制信號(hào)給電子調(diào)速器和正車、倒車換向電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)主柴油機(jī)增

4、、減速和齒輪箱的脫、合排，換向等。2 主要功能設(shè)計(jì)2.1 啟動(dòng)功能主機(jī)只有在滿足啟動(dòng)條件的情況下才能算法研究啟動(dòng)，也就是沒(méi)有啟動(dòng)聯(lián)鎖的情況下。啟動(dòng)聯(lián)鎖的條件有：1.盤車機(jī)脫開(kāi)；2.應(yīng)急停車和自動(dòng)停車有效；3.主機(jī)滑油壓力正常；4.柴油機(jī)轉(zhuǎn)速必須低于正常啟動(dòng)轉(zhuǎn)速；5.增壓器滑油入口處滑油壓力正常；6.高溫水壓力正常。2.2 調(diào)速功能：2.2.1 加減速率控制主機(jī)通過(guò)遙控系統(tǒng)中操縱手柄給定信號(hào)改變主機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)根據(jù)給定的加速速率和減速速率進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，調(diào)速特性如曲線圖2。通過(guò)改變轉(zhuǎn)折點(diǎn)的速度設(shè)定值和加減速時(shí)間，便可改變各段范圍的設(shè)定和加減速速率的設(shè)定2。（1）full astern to stop

5、 ：倒車最大負(fù)荷只能達(dá)到柴油機(jī)滿功率的70%，主機(jī)從倒車最大負(fù)荷到怠速允許時(shí)間在10 秒到40 秒之間，調(diào)速速率在上圖陰影范圍之中即可。（2）stop to full astern：怠速到倒車最大負(fù)荷調(diào)速特性曲 上一頁(yè) 1 2 3 4 下一頁(yè)一條為正常加速速率曲線，正常加速時(shí)間允許最大是40 秒；另一條為應(yīng)急加速速率曲線，應(yīng)急的加速時(shí)間允許15 秒。（3）stop to full ahaed：怠速到正車最大負(fù)荷時(shí)有兩條加速速率曲線，一條為正常加速速率曲線分兩部分加速，從怠速加到60%的負(fù)荷時(shí)允許時(shí)間為30 秒，從60%的負(fù)荷加到滿負(fù)荷這時(shí)只需在上圖中陰影范圍即許可最長(zhǎng)時(shí)間為8 分鐘；另一條為應(yīng)

6、急加速速率曲線，加速到60%負(fù)荷允許15 秒，從60%的負(fù)荷加到滿負(fù)荷只需要在應(yīng)急加速范圍之間，最大許可時(shí)間為90 秒。（4）full ahead to stop：主機(jī)從最大負(fù)荷降到怠速，最低允許時(shí)間為15 秒從100%負(fù)荷到怠速，最大許可時(shí)間為40 秒。負(fù)荷的快速降低的情況下，渦輪增壓器可能開(kāi)始喘振，在實(shí)際的操縱過(guò)程中應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。2.2.2 轉(zhuǎn)速的限制控制系統(tǒng)中必須設(shè)定正車最大轉(zhuǎn)速限制和倒車最大轉(zhuǎn)速限制，車鐘處于任何最大位置時(shí)，車令輸給調(diào)速器的值都不會(huì)超過(guò)正車最大轉(zhuǎn)速和倒車最大轉(zhuǎn)速。限制值是通過(guò)人機(jī)界面由輪機(jī)長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)定。倒車最大轉(zhuǎn)速一般只有正車最大轉(zhuǎn)速的70%。2.3 換向控制對(duì)齒

7、輪箱離合器脫合排的控制加入了軟件主機(jī)轉(zhuǎn)速，尾軸轉(zhuǎn)速等聯(lián)鎖條件，并實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)聯(lián)鎖控制。在遙控狀態(tài)下，當(dāng)需要進(jìn)行換向操作時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速將降到設(shè)定的脫排轉(zhuǎn)速自動(dòng)脫排。脫排成功后，將主機(jī)轉(zhuǎn)速提升到設(shè)定的合排轉(zhuǎn)速，當(dāng)滿足合排條件的時(shí)候根據(jù)車令進(jìn)行正車合排或者倒車合排，換向邏輯流程如圖3。對(duì)于應(yīng)急換向則直接降低到最小油門進(jìn)行相應(yīng)的換向操作4。2.4 輔車鐘功能在機(jī)旁、駕控室與集控室三地之間設(shè)置一套主機(jī)用車通訊聯(lián)系的輔車鐘，通常用于傳遞備車、 完車、機(jī)旁操縱、集控室操縱、駕駛室操縱、車鐘復(fù)示共6 組信號(hào)。通訊原理為：當(dāng)一方按下某一按鈕，駕駛室、集控室和機(jī)艙相應(yīng)的指示燈閃光，并伴有聲響；待對(duì)方回應(yīng)（按下相應(yīng)按鈕

8、）后，閃光變平光，聲響消除，表明雙方一致了。備車時(shí)，一般請(qǐng)求令來(lái)自集控室和駕駛室，駕駛室請(qǐng)求，只能在集控室和機(jī)旁確認(rèn)；來(lái)自集控室請(qǐng)求，只能在駕駛室和機(jī)旁確認(rèn)；來(lái)自機(jī)旁請(qǐng)求，只能在駕駛室確認(rèn)。完車的邏輯和備車相同。車鐘復(fù)示指示燈顯示的是正在操縱手柄的車鐘轉(zhuǎn)速，是為了方便操縱人員在操縱權(quán)切換時(shí)知道異地手柄輸出轉(zhuǎn)速大致范圍。2.5 越控功能在駕駛室和集控室設(shè)有停機(jī)越控和降速越控按鈕，當(dāng)按下越控按鈕的時(shí)候，取消對(duì)主機(jī)的某些安全保護(hù)限制。但是主機(jī)超速，主機(jī)滑油壓力低，油霧濃度高這三種情況下不允許越控。2.6 安全保護(hù)及故障報(bào)警功能故障停車主要指在主機(jī)出現(xiàn)主機(jī)滑油壓力過(guò)低、主機(jī)超速、高溫水溫度高、曲軸箱油

9、霧濃度高、齒輪箱滑油壓力低時(shí)，由主機(jī)自帶的安全系統(tǒng)停油停機(jī)動(dòng)作。應(yīng)急停車按鈕用于特殊情況下，特別是遙控裝置失靈時(shí)應(yīng)急停油停車。按下停車越控按鈕，停車越控指示燈亮，取消故障減速和故障停車功能，按應(yīng)急加速和應(yīng)急換向程序運(yùn)行。2.7 通訊功能ac500 帶有一個(gè)以太網(wǎng)口和兩個(gè)集成的串行通訊口。利用交換機(jī)將三套plc 和hmi組成局域網(wǎng)，用于plc 之間的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)測(cè)參數(shù)的顯示。hmi 可以顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)及內(nèi)部設(shè)定的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，還能對(duì)三個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。cp420 文本顯示器通過(guò)串行通訊口與plc 相連，可以顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)，還能進(jìn)行越限報(bào)警。2.8 參數(shù)設(shè)定功能控制系統(tǒng)設(shè)有人機(jī)界面（hmi）

10、，用以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和主要的參數(shù)，另外，還可以通過(guò)人機(jī) 上一頁(yè) 1 2 3 4 下一頁(yè)面來(lái)整定控制系統(tǒng)加減速率和對(duì)有些特定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間進(jìn)行限制。下圖4 為參數(shù)設(shè)定界面。2.9 其他其他部分控制功能：（1）增壓器助噴功能：改善柴油機(jī)加速特性（起動(dòng)，加載等）；（2）增壓器旁通功能：通過(guò)打開(kāi)旁通氣門使部分增壓空氣改道至排氣總管，可以改善柴油機(jī)部分負(fù)荷性能；防止增壓器發(fā)生喘振；（3）增壓空氣溫度控制功能：通過(guò)溫控器保持高溫水溫工程在合適的范圍內(nèi)，改善柴油機(jī)低負(fù)荷功能；避免在空氣總管有大量的冷凝水聚集；（4）高溫水溫度控制功能：保證柴油機(jī)高溫水出機(jī)溫度恒定；（5）低溫水溫度控制功能：保證低溫水進(jìn)機(jī)溫度

11、恒定；3 系統(tǒng)故障自檢及處理3.1 轉(zhuǎn)速傳感器故障柴油機(jī)在飛輪處安裝五只轉(zhuǎn)速測(cè)速傳感器，兩只傳感器信號(hào)給調(diào)速器，一只信號(hào)送給安全系統(tǒng)，兩只傳感器信號(hào)送給遙控系統(tǒng)，推進(jìn)控制系統(tǒng)中最主要監(jiān)測(cè)的就是送給遙控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)被plc 高速計(jì)數(shù)通道采集，若兩個(gè)通道采集的脈沖數(shù)之差大于2%的額定值時(shí)，認(rèn)為測(cè)速故障報(bào)警。如果正常工作時(shí)，兩只傳感器測(cè)得的脈沖數(shù)均小于一定值時(shí)，則表明轉(zhuǎn)速測(cè)量失效。這時(shí)除給出傳感器故障報(bào)警外，還應(yīng)將裝置切換為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制。3.2 操縱手柄故障本系統(tǒng)中設(shè)置兩只手柄分別位于駕駛室和集控室。手柄的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)通過(guò)plc 模擬量通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另外手柄的正倒車操

12、縱開(kāi)關(guān)信號(hào)，而在空車狀態(tài)這兩個(gè)觸點(diǎn)均斷開(kāi)。plc接收到操縱器上述信號(hào)，如果模擬量小于某一設(shè)定值而有開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合信號(hào)，或者模擬量大于某一設(shè)定值而開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)沒(méi)有閉合，則可判定操縱器故障，plc 輸出驅(qū)動(dòng)遙控報(bào)警板上系統(tǒng)故障指示燈和人機(jī)界面上操縱手柄故障同時(shí)報(bào)警，提示輪機(jī)員處理5。3.3 系統(tǒng)故障當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)車鐘電位器斷線故障、傳感器斷線故障、跟蹤延時(shí)故障、plc 不能正常工作時(shí)，三地報(bào)警板同時(shí)會(huì)發(fā)出系統(tǒng)故障聲光報(bào)警。系統(tǒng)將自動(dòng)保持主機(jī)和齒輪箱狀態(tài)，并且進(jìn)入遙控閉鎖功能。此時(shí)，必須在機(jī)旁才能操縱主機(jī)，用確認(rèn)按鈕來(lái)消音、消閃，故障解除后報(bào)警燈熄滅，可以在人機(jī)界面查詢故障類型。3.4 斷線監(jiān)測(cè)在安全系統(tǒng)中，幾個(gè)特殊的位置點(diǎn)決定了其可靠性放在第一位。防止在需要停機(jī)的時(shí)候未停機(jī)，故在與停機(jī)相關(guān)的傳感器上及緊急停車上加裝斷線監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，接入斷線監(jiān)測(cè)線路上維持很低的電壓。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷線故障時(shí)，接入斷線監(jiān)測(cè)電路的電壓會(huì)突降，這時(shí)在斷線監(jiān)測(cè)面板上會(huì)出現(xiàn)燈光指示報(bào)警，安全系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)故障響鈴指示報(bào)警。需要輪機(jī)員排除故障之后，報(bào)警才會(huì)取消。3.5