基于PLC柴油主机推进控制系统的研制

1、基于 PLC 柴油主机推进控制系统的研制摘 要：介绍了一套以可编程逻辑控制器（programmable logical controller）为核心，适合于带齿轮箱船舶中速柴油主机的推进控制系统。该系统具有操纵简单、可靠性高、功能扩展容易及维修方便等特点。研究结果表明，在主推进控制系统中采用plc 控制技术具有明显的优点，具有广泛的应用前景。关键词： 船舶；推进控制系统；plc0 引言从六十年代起，无人机舱船舶获得迅速发展，也就是在这个情况下，船舶推进控制系统获得了重要的发展，世界主要造船国家船级社把推进控制系统作为无人机舱的不可缺少的一部分，近年来推进控制系统获得了较快的发展。船舶推进控制系

2、统必须具有简单实用的操纵方法和界面，做到绝对的安全可靠1。船舶推进控制是指远离主机在集控室或驾驶室通过自动控制设备操纵主机，须具有操纵简单、工作可靠和功能完善等特点。基于以上要求，研制了一套以abbplc 为控制核心的推进控制系统。在多plc 控制网络实现主机推进控制系统的基础上，本文设计了整个plc 网络的总体结构和通讯方案,通过通讯网络实现对主机启停部分的自动控制及安保系统设计。1 系统的结构推进控制系统采用三套abb plc 作为中央主控单元，三套plc 采用以太网通讯组成局域网进行数据的接收和交换。三套分别构成：（1）报警系统：采集来自主机，齿轮箱，调速器中需要报警的温度和压力等信号，

3、在机旁、集控室、驾驶室三地均能进行监测、数据显示和越限报警，并能通过modbus 协议将部分参数送给机舱综合报警系统中。（2）安全系统：遥控操纵中为保护主机安全的运行，在主机滑油压力低、高温水温度高、超速、曲轴箱油雾浓度高、齿轮箱滑油压力低，这些条件下柴油机能实现紧急停机。本系统为提高可靠性采用冗余的方案，能实现继电逻辑电路停机和通过plc 逻辑判断输出综合停机信号，这两种停机方案。（3）遥控系统：接收来自驾驶台或是集控室发出的车钟指令信号，还接收来自主机转速检测电路和齿轮箱工作状态检测电路的信号，然后经过plc 的逻辑运算和判断，输出控制信号给电子调速器和正车、倒车换向电磁阀来实现主柴油机增

4、、减速和齿轮箱的脱、合排，换向等。2 主要功能设计2.1 启动功能主机只有在满足启动条件的情况下才能算法研究启动，也就是没有启动联锁的情况下。启动联锁的条件有：1.盘车机脱开；2.应急停车和自动停车有效；3.主机滑油压力正常；4.柴油机转速必须低于正常启动转速；5.增压器滑油入口处滑油压力正常；6.高温水压力正常。2.2 调速功能：2.2.1 加减速率控制主机通过遥控系统中操纵手柄给定信号改变主机转速，系统根据给定的加速速率和减速速率进行转速控制，调速特性如曲线图2。通过改变转折点的速度设定值和加减速时间，便可改变各段范围的设定和加减速速率的设定2。（1）full astern to stop

5、 ：倒车最大负荷只能达到柴油机满功率的70%，主机从倒车最大负荷到怠速允许时间在10 秒到40 秒之间，调速速率在上图阴影范围之中即可。（2）stop to full astern：怠速到倒车最大负荷调速特性曲 上一页 1 2 3 4 下一页一条为正常加速速率曲线，正常加速时间允许最大是40 秒；另一条为应急加速速率曲线，应急的加速时间允许15 秒。（3）stop to full ahaed：怠速到正车最大负荷时有两条加速速率曲线，一条为正常加速速率曲线分两部分加速，从怠速加到60%的负荷时允许时间为30 秒，从60%的负荷加到满负荷这时只需在上图中阴影范围即许可最长时间为8 分钟；另一条为应

6、急加速速率曲线，加速到60%负荷允许15 秒，从60%的负荷加到满负荷只需要在应急加速范围之间，最大许可时间为90 秒。（4）full ahead to stop：主机从最大负荷降到怠速，最低允许时间为15 秒从100%负荷到怠速，最大许可时间为40 秒。负荷的快速降低的情况下，涡轮增压器可能开始喘振，在实际的操纵过程中应避免这种情况的发生。2.2.2 转速的限制控制系统中必须设定正车最大转速限制和倒车最大转速限制，车钟处于任何最大位置时，车令输给调速器的值都不会超过正车最大转速和倒车最大转速。限制值是通过人机界面由轮机长进行设定。倒车最大转速一般只有正车最大转速的70%。2.3 换向控制对齿

7、轮箱离合器脱合排的控制加入了软件主机转速，尾轴转速等联锁条件，并实现其自动联锁控制。在遥控状态下，当需要进行换向操作时，主机转速将降到设定的脱排转速自动脱排。脱排成功后，将主机转速提升到设定的合排转速，当满足合排条件的时候根据车令进行正车合排或者倒车合排，换向逻辑流程如图3。对于应急换向则直接降低到最小油门进行相应的换向操作4。2.4 辅车钟功能在机旁、驾控室与集控室三地之间设置一套主机用车通讯联系的辅车钟，通常用于传递备车、 完车、机旁操纵、集控室操纵、驾驶室操纵、车钟复示共6 组信号。通讯原理为：当一方按下某一按钮，驾驶室、集控室和机舱相应的指示灯闪光，并伴有声响；待对方回应（按下相应按钮

8、）后，闪光变平光，声响消除，表明双方一致了。备车时，一般请求令来自集控室和驾驶室，驾驶室请求，只能在集控室和机旁确认；来自集控室请求，只能在驾驶室和机旁确认；来自机旁请求，只能在驾驶室确认。完车的逻辑和备车相同。车钟复示指示灯显示的是正在操纵手柄的车钟转速，是为了方便操纵人员在操纵权切换时知道异地手柄输出转速大致范围。2.5 越控功能在驾驶室和集控室设有停机越控和降速越控按钮，当按下越控按钮的时候，取消对主机的某些安全保护限制。但是主机超速，主机滑油压力低，油雾浓度高这三种情况下不允许越控。2.6 安全保护及故障报警功能故障停车主要指在主机出现主机滑油压力过低、主机超速、高温水温度高、曲轴箱油

9、雾浓度高、齿轮箱滑油压力低时，由主机自带的安全系统停油停机动作。应急停车按钮用于特殊情况下，特别是遥控装置失灵时应急停油停车。按下停车越控按钮，停车越控指示灯亮，取消故障减速和故障停车功能，按应急加速和应急换向程序运行。2.7 通讯功能ac500 带有一个以太网口和两个集成的串行通讯口。利用交换机将三套plc 和hmi组成局域网，用于plc 之间的数据交换和监测参数的显示。hmi 可以显示监测参数及内部设定的系统状态参数，还能对三个系统中的设定参数进行调节。cp420 文本显示器通过串行通讯口与plc 相连，可以显示监测参数，还能进行越限报警。2.8 参数设定功能控制系统设有人机界面（hmi）

10、，用以显示系统运行状态和主要的参数，另外，还可以通过人机 上一页 1 2 3 4 下一页面来整定控制系统加减速率和对有些特定的转速和时间进行限制。下图4 为参数设定界面。2.9 其他其他部分控制功能：（1）增压器助喷功能：改善柴油机加速特性（起动，加载等）；（2）增压器旁通功能：通过打开旁通气门使部分增压空气改道至排气总管，可以改善柴油机部分负荷性能；防止增压器发生喘振；（3）增压空气温度控制功能：通过温控器保持高温水温工程在合适的范围内，改善柴油机低负荷功能；避免在空气总管有大量的冷凝水聚集；（4）高温水温度控制功能：保证柴油机高温水出机温度恒定；（5）低温水温度控制功能：保证低温水进机温度

11、恒定；3 系统故障自检及处理3.1 转速传感器故障柴油机在飞轮处安装五只转速测速传感器，两只传感器信号给调速器，一只信号送给安全系统，两只传感器信号送给遥控系统，推进控制系统中最主要监测的就是送给遥控系统中转速传感器信号。转速传感器转速信号被plc 高速计数通道采集，若两个通道采集的脉冲数之差大于2%的额定值时，认为测速故障报警。如果正常工作时，两只传感器测得的脉冲数均小于一定值时，则表明转速测量失效。这时除给出传感器故障报警外，还应将装置切换为转速开环控制。3.2 操纵手柄故障本系统中设置两只手柄分别位于驾驶室和集控室。手柄的转速设定信号通过plc 模拟量通道进行实时监测，另外手柄的正倒车操

12、纵开关信号，而在空车状态这两个触点均断开。plc接收到操纵器上述信号，如果模拟量小于某一设定值而有开关触点闭合信号，或者模拟量大于某一设定值而开关触点没有闭合，则可判定操纵器故障，plc 输出驱动遥控报警板上系统故障指示灯和人机界面上操纵手柄故障同时报警，提示轮机员处理5。3.3 系统故障当系统出现车钟电位器断线故障、传感器断线故障、跟踪延时故障、plc 不能正常工作时，三地报警板同时会发出系统故障声光报警。系统将自动保持主机和齿轮箱状态，并且进入遥控闭锁功能。此时，必须在机旁才能操纵主机，用确认按钮来消音、消闪，故障解除后报警灯熄灭，可以在人机界面查询故障类型。3.4 断线监测在安全系统中，几个特殊的位置点决定了其可靠性放在第一位。防止在需要停机的时候未停机，故在与停机相关的传感器上及紧急停车上加装断线监测。当传感器正常工作时，接入断线监测线路上维持很低的电压。当系统出现断线故障时，接入断线监测电路的电压会突降，这时在断线监测面板上会出现灯光指示报警，安全系统会出现系统故障响铃指示报警。需要轮机员排除故障之后，报警才会取消。3.5