基于PLC的船用柴油发电机控制系统的设计.pdf

自动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 5 基于 P L C的船用柴油发电机控制系统的设计 柯诚诚 ，王向军 ，高申德 ，张素廷 1 ． 海军工程大学，湖北武汉4 3 0 0 0 0 ；2 ． 安庆中船柴油机有限公司， 安徽安庆 2 4 6 0 0 5 摘要随着海洋运输业的发展， 柴油发电机的使用越来越普遍 ， 但柴油机本身的一些问题会引起输出电压不稳定，因此有必要对 柴油机运行过程进行监控 。而可编程序控制器 P L c 因其众多优越性得到 了广泛运用 。利用 S 7 2 0 0 软件编制一套 P L C程序， 旨 在对柴油发电机的各个主要环节进行控制。结果表明 ，通过对起 动、运行中各个环节的监控 ，柴油发电机的不稳定性显著降低 。 关键词船舶柴油发电机； 数学模型； s 7 2 0 0 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9～9 4 9 2 2 0 1 5 0 2 0 0 1 60 3 Th e De s i g n o f t he M a r i n e Di e s e l Ge n e r a t o r Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC K E C h e n g c h e n g ～，WA N G X i a n g - j u n ，G A O S h e n - d e ，Z H A N G S u - t i n g 1 ． Na v a l Un i v e r s i t y o f En g i n e e r i n g Wu h a n 4 3 0 0 0 0，Ch i n a ； 2 ． A n q i n g C S S C D i e s e l E n g i n e C o ． ，L t d ． ，A n q i n g 2 4 6 0 0 5 ，C h i n a Abs t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e ma r i n e t r a ns p o r t a t i o n ， t h e u s e o f d i e s e l g e n e r a t o r s i s b e c o mi n g mo r e C O n l mo n ． Bu t s o me p r o b l e ms o f d i e s e l e n g i n e i t s e l f wi l l c a u s e t h e o u t p u t v o l t a g e u n s t a b l e． s i t i s n e c e s s a r y t o mo n i t o r t h e mo v e me n t p r o c e s s o f t he g e n e r a t o r ． Th e p r o g r a mma b l e c o n t r o l l e r h a s b e e n wi d e l y u s e d b e c a u s e o f i t s ma n y s u p e r i o r i t y ．I n t h i s p a p e r ，a P LC p r o g r a m wa s de s i g n e d b y u s e o f S 7 2 0 0 a i me d a t d e t e c t e a c h ma i n l i n k o f d i e s e l g e n e r a t o r ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h r o u g h d e t e c t e a c h l i n k o f s t a r t i ng a n d r u n n i n g t h e i n s t a b i l i t y o f d i e s e l g e n e r a t o r s s i g n i fic a n t l y r e d u c e d ． Ke y wo r d s s h i p S s e r v i c e di e s e l g e n e r a t o r ； ma t h e ma t i c a l mo d e l ； S 7 2 0 0 1 绪论 自动化程度 的提高和电子技术的发展 ，促进 了船舶 自动化程度 的提高。本文以船舶柴油发电 机为控制对象 ，研究并设计 了船舶柴油发 电机控 制系统 ，并利用 P L C 设计 出一套基本的柴油机控 制程序。 1 ． 1 研究背景、目的和意义 柴 油发 电机组 是 目前被 广泛 使用 的供 电设 备 。但柴油发 电机仍然面临着许 多问题 ，其 中最 常 见的就是 由主机转速变化所引起 的输 出电压不 稳定 ，更有甚者会 出现缺相 的问题 。随着柴油价 格 的上涨 ，越来 越 多的柴 油发 电机 开始燃 烧重 油 ，重油的使用或多或少会影响功率 的输 出。同 时 ，任何机械不可能永远不出现故障 ，但是如何 对故障进行预判以及出故障之后能否进行 自修复 最起码能报警停车诸B 是需要关心的问题 。运行 过程中冷却水温度过高，滑油压力不足都可能引 起绕组烧毁 ，发 电机不同于主推进装置 ，主推进 装置可 以故障停车 ，甚 至还可 以飘在海上进行简 单的维修 ，但是柴油发电机不能 ，尤其是在应急 发电机也损坏的情况下，不可能靠蓄电池支持船 体所有 的电能。因此 ，要保证柴油机乃至船舶 的 安全运行 ，对发 电机 的运行过程进行严格控制是 非常有必要的 ” 。 要实现柴油机组智能控制 ，良好控制器 的选 择成 为关键 环节 。由于可编程逻 辑控制器 P r o g r a m ma b l e L o g i c C o n t r o l l e r ，P L C 是一种专 用于 工 业控制 的计算 机 ，它采用一类可编程 的存储器 ， 可 以将控制指令随时加载进 内存 ，用于完成各种 复杂程度不同的工业控制功能 。 收稿 日期 2 0 1 41 1 1 7 [二] 丑 柯诚诚 等基才P L C 的 船用柴油发电 机控制系 统的设计 壬业自 1 ． 2国内外发展及研究现状 站在现在的角度看，我国与某些发达国家在 柴油机方面的差距正在逐年缩小，尤其是在柴油机 的控制上 ，国内学术机构中清华大学 、大连海事大 学 、武汉理工大学 、上海海事大学 、解放军海军 工程大学等单位都有研究者分别对柴油发电机组 的控制系统的相关问题作了不同角度 的分析研究 。 船舶 电力 系统稳定性是船舶 电力系统安全运 行 的保障 ，这正是对船舶 电力系统稳定性的研究 的意义所在。优化船舶 电力系统控制器或者提出 新颖的控制理论 、控制方式等都是船舶电力系统 控制的发展方 向。 2船舶柴油发 电机控制 系统软件设计 2 ． 1 系统软件的设计 要点 整个系统工作的主要目的是使 自动化柴油发 电机组能够安全 、可靠 、经济地供 电，保证供 电 的连续性 。需要 根据 负载 的情况 ，迅速 启／ 停机 组 ，随时改变运行工作状况 ，保证频率和 电压等 参数的稳定 ，准确而及时地处理各种机电故障。 系统软件设计作为控制系统 的核心部分 ，本 文利用 P L C进行程序设计 。 2 ． 2 P L C编程软件 S 7 2 0 0 使 用的编程语 言是 S T E P 7 ，它是一款 S 7系列可用于 P L C编程 、调试的软件 ，它使用的 国标是 I E C 1 1 3 1 - 3 ，可 以用 S T L、L A D、C S F等编 程 。这是 一种 可 以运 行 于通用 微机 中 ，在 Wi n ． d o w s 环境下进行编程 的语言 。将 它通过计算机的 串 口和 一 根 P C ／ P P I 转 接 电缆 与 P L C的 P P I口相 连 ，即可以进行相互间的通信 。 本 系统 的软 件是 在 S I E M E N S公 司提供 的 S T E P 7 MI C R O WI N操作平台上编制完成 的。本课 题 中选用 的编程软件 S E T P 7 一 Mi c r o ／ WI N可应用 于 s 7 2 0 0 系列 ，可通过梯形 图语言 、指令表语言和 功能块图语言来创建程序 ，而且它们可互相转换 。 3 程序 设计 在 本系统 中，P L C程 序 的作 用主要 有两个 第一个作用 是接收来 自各传感器 的信号 ，然后根 据程序设定 去控制相应的阀件 ；第二个作用是根 据实际要求控制整个发电机组的运行。 本设计采用 以转换 为中心 的顺序控制梯形 图 设 计方 法 来将 顺 序 功 能 图转换 为 梯形 图程 序 。 P L C程序设计主要包括以下几部分 系统初始化 ； 热备用控制程序 ；自动启动程序 ；系统报警程 序 ；系统停机处理程序 ；手动启动程序 ；模拟信 号的处理程序；蓄电池充电子程序。 根 据程序流程 ，编写船舶柴油发电机控制程 序 ，下面列 出主要控制程序。 图 1 中，可编程序控制器接收启动指令 ，检 查燃油 、滑油液位 、启动空气压力 、联锁开关是 否脱开 ，当柴油机处于可启动状态时 ，启动空气 和控制空气通人 ，达到最低起动转速后 ，P L C得 到供油 指令 ，控制燃 油泵 起动 ，燃油 电磁 阀给 油 ，如油位 、油压低 ，则控制报警启 动 ，停止供 油，柴油机停车，故障排除后重新执行该操作。 ～ 图 1燃油泵起 动控制 图 2中 ，正常运行 的转速一般是柴油机额定 转速的7 0 ％到 8 0 ％ 通常被认为是经济转速，各 机 型有 小的差异 ，当主机转速超过额定 转速的 1 0 ％后 ，出现超速报警 ，紧急停 车 ，经检查排除 故 障后方可再次起动柴油机 ，否者柴油机不能启 动 特殊情况下，如弃机保船除外 。P L C 时刻监 测各处水温，当缸套水或者冷却器水二者之一温 度达 到临界值 ，控制器则控 制旁 通阀开度变化 ， 如旁通 阀到达极 限位置仍不能让水温 回到正常范 围 ，则控制器转而控制冷却水泵 ，改变水泵 的流 图2 转速水温控制 M1 24 M1 26 自动化 量 ，如还不能让冷却水温 回到正常范 围，柴油机 报 警停 车 ，待 故 障排 除后方 可再 次 起 动 。图 3 中，运行过程如 出现油压过低 ，控制器 自动读取 燃油滤器压差度数 ，如压差过大则让燃油滤器进 行反冲洗，清洗程序由燃油滤器 自动控制，如油 压过低不是滤器原因则需检查油箱液位 ，然后控 制驳油泵从其他仓泵油过来 ，到船体达到新的平 衡位置 。如有 必要 ，执行报警停车指令 ，排除故 障。程序还提供了诸如过负荷停车，油位低停车 停车指令在程序中以复位形式表现 出来 。 转 毹 T 孳 ‘ H卜 __ 卜_ _ l ， 卜 -r _ ， 卜 _ _ l M 1 3 ． l } - - {l _ - _ J 翁 住 2 卜 卜 _ _ r { ， 卜 _ L 豫 乙 l 油 静- ● 1 1 掘 精 售 q 6 “ I f l u1 日豫 H B豫 H _ [ } 住 一 运行 过程 如负载过低 ，为了充分利用资源 ， 同时也为了避免发电机低负荷运转下伤害柴油机 ， 低负荷运转下给备用蓄电池充电，如图4 所示 。如 蓄电池满电则先放完蓄电池电能 ，然后重新给蓄电 池充 电。在应急情况或者全船失电演习时使用蓄电 池 ，长时间靠岸或者船舶维修期间则接岸电，此时 可对柴油机进行检修 ，找出安全隐患。 二 _ 二 _ 二二 _ _ - - _ ． _一 警毫池充电 。1 图4 蓄电池充 电 本文设计的控制系统不仅要求轮机管理人员 能够远程直接启动和停止柴油发电机 ，修改控制程 序 ，还可以远程检测发电机的运行情况 ，包括发电 机的速度和功率 、水温 、油压等报警参数。当然 ， 现场操作站也可以启动、停止每台柴油发电机组 。 4 ． 2并辘指示 1 0 0 ，卜 _ _ M2 ． 3 S M2 ． 1 R 。 图5 运行和报警控制 中未给出所有 的传感器 ，也没有对传感器与可编 程序控制器 ，执行器连接作详细介绍。 4 结束语 本文 虽然 设计 出 了柴 油发 电机 自动 控制 系 统 ，但 由于不能确定其与其他 自动控制 系统兼容 情况 ，还有一些需要改进和完善的地方 。 1 本课题仅是对一 台柴油发电机进行 了研 究 ，没有考虑多台机组并联运行 的情况 。考虑到 机组并 网运行 的需要 ，以后 的研 究内容应该包括 机组间的 自动切换以及 自动调节各机组间无功功率 的分配 ；在多机组通信控制方面 ，利用 R S 一 4 8 5 总 线的优势保证在恶劣环境下机组问通信的可靠性。 2 本课 题 只是 初步 完成 了系统 的部 分功 能 ，离一套功能齐全完善现代化 、高度智能化 的 柴油发电机 监控系统还有很大的距离 ，还没完全 实现系统的整体调试试验 ，今后仍然需要继续深 入进行相关的研究工作 。 参考 文献 [ 1 ]G B 1 2 7 8 6 2 9 1 ．自动化 柴 油发 电机组 通 用技 术 条件 [ S ]． [ 2 ]龚运 新 ，赵 厚玉 ，戚 本志． P L C技 术及 应 用 基 于 西门子s 7 2 0 0[ M]． 北京清华大学出版社，2 0 0 9 ． [ 3 ]汪海燕． S 7 2 0 0 P L C在溢流染色机控制 系统中的应用 [ J ]． 机电工程 ，2 0 1 3 o 1 9 0 9 2 ． [ 4 ]范鲲． 基 于西 门子 变频 器的 P L C控 制 程序 设计[ J ]． 精 密制造与 自动化 ，2 0 0 9 2 1 - 2 ． 第一作者简介柯诚诚，男，1 9 8 0 年生，安徽安庆人 ，硕 士研究生，助理工程师。研究领域电气丁程 。 由于本文研究重点在控制系统上 ，所 以程序 编辑 阮毅 囊 ii萋 塞 ] 1 8 rI J