PLC与船舶自动化的应用

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1、PLC 与船舶自动化的应用摘要本文重点介绍 PLC 在船舶自动化的应用，近年来， PLC 在国内 已得到了迅速推广普及。 它正改变船舶自动控制的面貌， 对传统产业 的技术改造， 发展新型工业具有重大的实际意义 。在现代船舶中越 来越讲究自动化，然而可编程控制器（PLC ）在船舶自动化中是必不 可少的。本文将重点介绍可编程控制器（PLC）在船舶各种设备中的 具体应用。针对老式船舶中存在的问题从而提出了一种采用可编程控制器（PLC）和数字显示仪表结合组成，这样不且提高了生产效率，还提 高了生产速度和船舶的反应能力从而更安全更可靠。同时也节约费 用。目录OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO可编

2、程控制器的组成与工作OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO三 采用可编程控制器（PLC）对应急发电机的自动启动控1#OOOOOOOOOOOOOOOOO1 电 路 设计及器件#OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO#2PLC)2 可 编 程 控 制 器ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo3.采用可编程控制器(PLC)和数字仪表结合组成的应急发电机自动控制的优点。四.结论OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO可编程控制器的概序

3、可编程控制器是 60 年代末美国首先出现的，当时叫可编程逻 辑控制器PLC (pro-grammable logic controllet)目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断。计时，计数等训序控制功能。提出 PLC概念的是美国通用汽车公司。 当时，根据汽车制造生产线的需要， 希望用电子化的新型控制器替代继电器控制柜，以减少汽车改型 时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。通用汽车公司对 新型控制器提出 10 点具体要求。1 编程简单，可现场修改程序。2 维护方便，采用插件式结构3 可靠性高于继电器控制柜4 体积小于继电器控制柜5 成本可与继电器控制柜竞争6 可将数据直接输入计算机7 可直接

4、用 115V 交流输入8输出采用115V,能直接驱动电磁阀，交流接触器等;9 通用性能强，扩展很方便；10程序要能存储，存储容量可扩展到 4K 字节。这 10 点要求几乎成为当时各个自动化仪表厂商生产 PLC 的基 本规范。概够起来， PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善， 灵活。通用等优点和继电器控制系统的简单易懂。操作方便。价 格便宜等优点结合起来。控制器的硬件的标准的通用的。根据实 际应用对象，将控制内容编程软件写入控制器的用户程序存储器 里。控制器和被控制对象连接起来。随着半导体技术尤其是微型计算机技术的发展， 到七十年代中 期以后， PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处里器，输

5、入输出 模块和外围电路也都采用了中。 大规模甚至超大规模的集成电路， 这时的 PLC 已不再是只有逻辑判断功能，还同时具有数据处理。 PID 调节和数据通信功能。国际电工委员会（ IEC ）颁布的可编程控制器标准草案中对可 编程控制器作如下的定义；可编程控制器是一种数字运算操作的 电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的 存储器，要来在其内部存储器执行逻辑运算，训序控制，定时。 计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关 外围设备，易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩冲其功能 的设计。可编程控制器对用户来

6、说是一种无触点设备， 改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施 阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂 商角度看，在制造阶段不需要根据用户的定货要求专门设计控制 器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快 受到工业控制界的欢迎，并得带迅速的发展。目前，可编程控制 器已成为工厂自动化的强有力工具， 得到了广泛的普及推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多 明显的特点；可靠性高，抗干扰能力强 ;可编程控制器是专为工业控制而设计的。 除了对器件的严格涮选和老化外， 在硬件和软件俩个方面还采用了屏 蔽，隔离。故障论断和

7、自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的 抗干扰能力，使其平均无故障时间达到（ 35）X10h 以上。编程简单。直观。 可编程控制器是面向用户。面向现场，考虑 到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，它没有采用微 机控制中常用的汇编语言，而采用了一种面向控制过程的梯形图 语言,梯形图语言与继电器语言相似，形象直观，易学易懂，电气 工程师和具有一定知识的电工。工艺人员都可以在短时间学会， 使用起来得心应手，计算机技术和传统的继电器控制技术之间的 隔阂在可编程控制器上完全不存在，世界上许多国家的公司生产 的可编程控制器把梯形图语言作为第一用户语言。适应性好，可编程控制器是通过程序实现控制的，

8、当控制要求 发生改变时，只要修改程序即可，由于可编程控制器产品已标准 化，系统化，模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规 模不同，功能不同的控制系统，适应能力特别强，故既可控制一 台单机，或是一条生产线，又可控制一个复杂的控制系统，既可 现场控制又可远距离控制。功能完善，接口功能强，目前的 可编程控制器具有数字量和模 拟量的输入和输出，逻辑和算术运算，定时，计数，训序控制， 通信，人机对话，自检，记录和显示等功能，使设备控制水平大 大提高，接口功率驱动极大地方便了用户，常用的数字量输入输 出接口，就电源而言有 110V 220V 交流和 5V 24V 48V 地直流； 负载能力可在（0.

9、55A）的范围内变化，模拟量的输入和输出有 多种规格。由于 PLC 具有以上特点 ，他把计算机技术与继电器技术很好 的融合在一起，最新发展的 PLC 产品，还把 DDC （直接数字控 制）技术加进去了，并具有与监控计算机上连网的功能，因而它 的应用几乎覆盖了所以工业企业，既能改造传统机械产品成为机 电一体化的新一代产品，又适应于生产过程控制，实现工业生产 的优质，高产，节能与降低成本。总之， PLC 技术代表了当前电气程序控制 的先进水平， PLC 与数控技术和工业控制已成为机械工业自动化的三大支柱。可编程控制器的应用PLC 的应用范围通常可分为五大类.1）训序控制，这是今天 PLC 最广泛应

10、用的领域。它取代传 统的继电器应用于单机控制 .多机控制 .生产自动线控制。2）.运动控制。 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服 电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下， PLC 把描述目 标位置的数据送给模块，摸快移动一轴或数轴的目标位置。当每 个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动 平滑。3）.过程控制。 PLC 能控制大量的物理参数， 例如温度，压力， 速度和流量。 PLC 模块的提供使 PLC 具有了闭环控制的功能， 即 一个具有有PID可用控制能力的PLC可要于过程控制。当由于控 制过程中变量出现偏差时， PID 控制算法会计算出正确的输出， 把变量保

11、持在一定直上4）.数据处理。在机械加工中，出现了把支持训序控制的 PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋势。预计今后几年CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统。5）.通信。为了适应国外近几年兴起的工厂自动化（FA）系统 发展的需要，必须发展 PLC 之间和上级计算机之间的通信功能， 作为实时控制系统， PLC 数据通信速度要求高，而且要考虑出现 停电，故障时的对策等。 I/O 模块按功能各自放置在生产现场分散 控制，然后采用网络联结构集中管理信息的分布式网络系统。可编程控制器组成及工作过程PLC 实质上是一种专用于工业控制的计算机，他的硬件结构 基本上与微型计算机（PC

12、）相同，但其工作过程与（PC）有些差 别。可编程控制器构成的基本控制系统硬件简化图， 其中可编程控 制器的基本组成由虚图。1) .中央处理器(CPU)它是可编程控制器的神经中枢。是系 统的运算，控制中心，他按照系统程序所给予的功能，完成以下 任务；A接收并存储用户程序和数据B用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据C判断电源，PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法 错误D完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务E更新有关标志位的状态寄存器的内容， 实现输出控制，制表 打印或数据通信等功能。2) 存储器。存储器用来存储数据和程序，它包够随即存取的存储器RAM和在工作过程中只能读出，不能写入

13、的EPROMRAM中的用户程序可以用 EPROM写入器写入到EPROM心片 中，写入了用户程序的EPROM又可以通过外部接口与主机连接， 然后让主机按EPROM中的程序运行。EPROM是可擦可读的只 读的存储器，如果存储的内容不需要时，可以用紫外线擦除，重新写入新的程序3) I/O模块。I/O模块是CPU与现场I/O装置或其它外部设 备之间的连接部件，PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O 组建，供用户选用。4) 电源。PLC配有开关式稳压电源模块，用来对 PLC的 内部电路供电。PLC采用集中采样，集中输出的工作方式，减少了外界干扰 的影响，PLC的工作过程分为三个阶段进行，即输入采样阶

14、段， 程序执行阶段，如图；1) 输入采样阶段，PLC以扫描工作方式，按训序将所有 信号读入到寄存输入状态的输入映象区中的存储， 在本 工作周期内，这个采样结果的内容不会改变。2) 程序执行阶段，PLC按训序对程序进行扫描，分别从 输入映象区和输出映象区中得到所需要的数据进行运 算。处理。再将程序执行的结果写入输出映象区中储存， 但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出 借口上去。3）输出刷新阶段。在执行完用户所有程序后， PLC 将映象寄存器中的内容送入到输出锁存器中， 再去驱动用户 设备。PLC 重复执行以上三个阶段，每一次重复的时间为一个扫描周期。在PLC中常采用一种为：“看门狗”（

15、watch dog的 定时监视器来监视 PLC 的实际工作周期是不是超时，以避免 PLC 在执行程序过程中进入死循环，或执行了非预定的程序 而造成系统瘫痪。采用可编程控制器（PLC）的应急发电机的自动启动控制 采用可编程控制器（PLC）和数字显示仪表结合组成的应急发 电机组的自动启动控制器，能适应不同电压等极及频率的应急发 电机组，能自动检测主电网的欠压，自动启动应急发电机组，自 动合闸供电，并能发出启动成功或启动失败的报警信号，和适应 但台发电机的自动启动控制。1. 电路设计和器件选择电路设计主要分为主电路及 PLC 控制电路俩大部份组成 主电路包括控制 400V 配电屏向应急负载供电的自动

16、空气开关 ACB1 和控制应急发电机组向应急负载供电的自动空气开关 ACB2。 ACB1 和 ACB2 选用可以自动合闸和分闸的 DW914 或其它合适的型号， 这 一部分原理较为简单，就不加介绍了。自动控制电路以 PLC 为中心，加上提供输入信号的数字电压表，数字频率表和电压继电器，以及作为输出执行 功能的一组中间继电器组成。其电路如图 这部分是整个应急发电机组自动控制器的核心，主要 分为信号变换及输入部分， 输出执行部分和程序控制部分。 总体工作如下； 400V 主汇流排电压下降到 310V 以下，延 时 5 秒，即发出欠压信号， PLC 控制 ACB1 分闸，主开关 欠压保护，同时发出应

17、急发电机组启动信号，应急发电机 组开始启动，电压逐渐上升，转速加快，逐渐接近额定转 速，通过数字电压表和数字频率表测量应急发电机组的电 压和频率，并将俩表的 BCD 码数字信号送入 PLC 进行比 较，运算。在启动后 15 秒内应急发电机组电压达到 370V390V 频率达到 4852HZ 即认为启动成功， 向 ACB2 发出合闸信号，如果 15 秒内没有达到 370V390V 频率达 到 4852HZ 即认为第一次启动失败， PLC 发出第二次启 动信号。如果三次启动都失败， （共 45 秒）则向中央控制 室发出报警信号，同时向应急发电机组发出停止信号程序 终止，应急发电机组启动成功后，如

18、400V 配电扳恢复供 电，则向应急发电机组发出停机信号， 同时使 ACB2 分闸， ACB1 合闸，2. 输入部分 数字电压表和数字频率表内部的工作原理基本相同，主心 片都采用 MC14433 弹片 A/D 转换器 MC14433 的主要特点 之一除了在 LED 数码显示管上显示测量值外， 还具有 BCD 码输出， 可送入 PLC 内进行数据处理比较， 并且控制程序 流向，另外 MC14433的转换速率为310次/S,远远大于 PLC 扫描周期，所以程序的读取非常稳定。但是 PLC 输 入一般只能接收频率小于 25HZ 脉冲，而对于 50HZ 左右 的频率脉冲将不能被 PLC 直接处理， 必

19、须要用 PLC 的特 殊功能指令调整滤波时间指令( REFF )来加以解决。 我们必须注意到 PLC 的输入电路是采用的负逻辑方式， 即 ON 的状态是 X 输入口与 COM 口间为高阻状态，而 MC14433DD 的 BCD 码和为选通信号均为正逻辑脉冲， 因 此必须对这些输入脉冲信号进行倒处理，为此，在数字表 输出口和 PLC 输入口之间增加了由 BG1BG3 和 R1R8 组成的反向器。其它一些输入信号，如配电屏电压检测 /主开关状态检测 等均为继电器触电输入方式。3输出部分PLC 的输出部分比较简单，采用 HH62P 型小型中间继 电器作为输出驱动元件，完成相应的分闸和合闸和报警功 能

20、。4.程序设计要点；1 ) 控制流程应急发电机组自动控图图 52) 内部元件定义A 输入继电器X0X3 数字电压表 BCD 码输出信号 （Q0Q3）X4X6 数字电压表个位 十位 百位 选 通信号（ DS4 DS3 DS2）X7 数字频率表频率脉冲信号（ PP）X10 400V 主汇流排电压信号，接通为失 压，断开为有点X11ACB1 已合闸X12ACB2 已合闸X13外部复位信号B 输出继电器Y0发电机启动Y1ACB2 已分闸Y2ACB2 已合闸Y3发电机停止Y4启动失败Y6ACB1 已分闸Y7ACB2 已合闸Y13发出启动信号指示Y14电压符合设定值指示Y15频率符合设定值指示C 辅助继电

21、器M100 应急发电机运行中 主汇流排有电M101 主汇流排失电M102 启动信号M103 启动失败报警M104 启动成功信号M120M122 储存电压比较结果M124M126 储存频率比较结果D 定时器T1T6 模拟操作开关点动时间继电器T11 启动时间 15 秒T12 检测时间 3 秒T14T15 报警闪光定时 0.5 秒E 计数器C10 在检测周期内测得电压符合标准值 的次数， 10 次C11 在检测周期内测得频率符合标准值 的次数， 3 秒C12 启动未成功次数 三次C13 报警闪光次数， 300 次3) 检测程序介绍在整个系统的运行过程中，对电压和频率的检测结 果判断应急发电机组是否

22、启动成功的关键， 也是程序 设计的重点所在，对 PLC 可编程控制器用上它进行 步进训控即位置控制方面的应用比较简单。 方便。即 便是作为过程控制，对于各种物理量的控制运算往往 也要采用专门扩展模块来加以解决。 我们在本项目中 为了简化系统， 减低成本， 采用数字式仪表经过转换 的数字信号（已转换为 BCD 码），利用 BIN 指令将 电压数据个位 十位 百位 的 BCD 码移位后存入三 个寄存器中， 再用 SMOV 指令将十位 百位 的 BCD 码移位后存入个位寄存器中，原来存入个位 BCD 码 的寄存器中就存有三个位数字组合成的一组 BCD 码。这三位数即为测得的电压值。 再后，再使用 Z

23、CP 指令将这组 BCD 码与希望达到的电压标准值的上下 限比较（这里的上 下限为 390370），在这一区间内 检测到的次数将被 C10 计数。 PLC 反复快速地进行 检测，如果在这一和检测周期内（三秒）有 10 次正 确被 C10 计数，则认为电压已达到与预定值。频率 的检测过程与上述过程类似。采用可编程控制器（PLC）和数字仪表结合组成的应急发电机自动 控制的优点。1.采用可编程控制器（PLC）和数字仪表结合组成的应急发电机自动控制器，能适应不同电压等级及频率的应急发电机组，能自动检测主电网的欠压，自动启动应急发电机组，自动合闸供电，并能发出启动成功或失败的报警信号， 和适合单台应急发电机组的自动启动控制。结论通过这次学习，使我学到了许多书本上所没有的东西，强了对知识的巩固理解，提高了对理论实践的认识。由于能力有限，论文有写得不好地方还请各位老师指出 谢14#国4 ?. R吒15