基于plc船舶机舱监控系统设计正文.docx
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基于plc船舶机舱监控系统设计正文
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基于PLC船舶机舱监控系统设计
Xx
（浙江海洋学院机电工程学院，浙江舟山316000）
摘要
随着世界经济的飞速发展，全球一体化的日趋成熟，海航拥有着越来越重要的地位和作用，随着全世界船舶吨位的急剧增加，船舶作为水上交通工具，其特定环境决定了传播的安全、节能、环保是船舶工业技术的追求目标，尤其是对于安全，船舶机舱监控技术起到重要的保证作用。
随着人工智能，控制原理和数据处理等技术的飞速发展，计算机技术越来越广泛的运用与传播领域。
船舶机舱监控系统作为机舱自动化中的一项基本内容，其主要功能是对机舱中各种设备的工作状态和运行参数进行实施监控，并给以管理者和工作人员提示与警报，给你他们足够的时间来处理异常的状况，以保证船舶安全运行，以保障生命与财产的安全。
本文基于此，针对船舶机舱进行了一定的调查和研究，对监控警报系统进行了系统的设计。
先是对整个系统的总体结构进行规划设计，选取适合的应用主模块，设计出主要的系统流程。
然后针对警报信息的数据采集进行研究，分别是数据采集原理、误差分析和警报的具体功能进行说明。
然后针对机舱监控系统的设备进行具体分析选取，比如供电结构、电缆线、变压器等，使得整个系统的设计更加完整。
最后是基于PLC的温度监控程序的编写，针对MCGS软件的介绍。
完整地把整个系统流程勾画了出来。
宏观地来看船舶监控系统，当前高水平的船用监控系统产品基本被国外公司垄断，国内也有很多公司和研究所致力于船用监控系统产品的开发，但是实船应用和国外相比仍有差距，因此对船舶机舱监控系统技术的研究具有很重要的现实意义。
关键词：
船舶；机舱；PLC；数据采集；温度监控；MCGS
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftheworldeconomy,globalintegrationbecomesmature,withamoreandmoreimportanthnathestatusandrole,alongwiththerapidincreaseoftheworldship'stonnage,shipaswatertraffictools,thespecificcircumstancesofthespreadofsafety,energysavingandenvironmentalprotectionistheindustrialtechnologygoal,especiallyforsafety,Marineengineroommonitoringtechnologyhasplayedanimportantroleoftheguarantee.Withartificialintelligence,controlprincipleanddataprocessingtechnologyrapiddevelopment,thecomputertechnologyismoreandmoreextensiveuseofandcommunicationfield.Shipengineroommonitoringsystemasthecabinofabasiccontentautomation,themainfunctionofofallkindsofequipmentisintheengineroomoftheworkofthestateandoperationparametersforimplementingmonitoring,andgivenmanagersandworkerspromptandalarm,yougavethemenoughtimetodealwithabnormalcondition,toensurethesafeoperationoftheship,inordertoensurethesafetyoflifeandproperty.Thispaperbasedonthis,accordingtoacabinshipsurveyandresearch,tomonitoralarmsystemforthesystemdesign.Firstthegeneralstructureofthewholesysteminplanninganddesign,theselectionofmainmoduleforapplication,designthemajorsystemprocess.Thenforalarminformationdataacquisition,datacollectionprinciple,respectivelyiserroranalysisandwarningofthespecificfunctionspecification.Andtheninthecabinofthemonitorandcontrolsystemofaconcreteanalysisequipmentselection,suchaspowersupplystructure,cable,transformers,makethewholesystemdesignmorecomplete.ThelastisbasedonPLCtemperaturemonitoringprogramcompiling,andaccordingtotheintroductionofMCGSsoftware.Completethewholesystemflowsketchingout.Macrotoseeshippingmonitoringsystem,thecurrenthighlevelsofMarinemonitoringsystemofbasicbyforeigncompanyproductsmonopoly,homealsohasalotofcompaniesandresearchinstitutedevotedtoMarinemonitoringsystemofproductsdevelopment,buttheship'sapplicationandabroadarestillgapcompared,sototheshipengineroommonitoringsystemtechnologyresearchhasveryimportantpracticalsignificance.
Keywords:
Shipping;Thecabin;PLC;Datacollection;Temperaturemonitoring;MCGS
第一章概述
1.1引言
随着世界经济的飞速发展，全球一体化的日趋成熟，海航拥有着越来越重要的地位和作用，随着全世界船舶吨位的急剧增加，船舶作为水上交通工具，其特定环境决定了传播的安全、节能、环保是船舶工业技术的追求目标，尤其是对于安全，船舶机舱监控技术起到重要的保证作用。
随着人工智能，控制原理和数据处理等技术的飞速发展，计算机技术越来越广泛的运用与传播领域。
船舶机舱监控系统作为机舱自动化中的一项基本内容，其主要功能是对机舱中各种设备的工作状态和运行参数进行实施监控，并给以管理者和工作人员提示与警报，给你他们足够的时间来处理异常的状况，以保证船舶安全运行，以保障生命与财产的安全。
本文以此背景展开研究工作。
在本课题研究中，主要基于主流的PLC智能化模块，针对温度，压力等一些具体的测量指标来模拟对机舱中各种设备的监测，包括数据采集，光，声警报，警报数据打印，通过模拟，来体现整个机舱监控系统的运行，以便运用于船舱之中，给船舶管理工作带来帮助，减轻轮机员劳动强度，进一步推动无人机舱系统的发展。
当前高水平的船用监控系统产品基本被国外公司垄断，国内也有很多公司和研究所致力于船用监控系统产品的开发，但是实船应用和国外相比仍有差距，因此对船舶机舱监控系统技术的研究具有很重要的现实意义。
1.2船舶机舱监控系统的发展
“船舶自动化”的概念是在20世纪50年代提出来的，随着船舶自动化系统不断发展，机舱监控系统经历了单元装置自动化、集中监控系统、集散性监控系统、现场总线全分布系统四个阶段，使得设备越来越完善，越来越合理可靠。
（1）单元装置自动化
在20世纪50年代时，一些航运发达国家率先提出了“船舶自动化”概念，希望来降低其高昂的运输成本，来实现某些单独系统的自动化形势，如自动锅炉、柴油机压力自动调节、温度自动调节等。
但是因为这个时期还没有真正构成一个完整的集中控制系统，所以统称为单元装置自动化阶段。
（2）集中型监控系统
从60年代开始，丹麦、日本等国率先在机舱中设立了集中监控室。
在夜间船舶机舱无人值班时，可以对船舶机舱中的设备实施集中监视、控制和远程遥控。
由于那个时代的船舶机舱监控系统主要是采取模拟电子信号的自动化仪表和测量装置，所以这个监控系统称为模拟式监控系统。
在进入70年代后，随着微型计算机的广泛应用，船舱监控系统更是得到了进一步的完善。
一般该系统在主监控室中配置一台功能强大的计算机，使之充分发挥计算机控制能力和强大的运算能力，对船舶机舱设备进行巡回检测和调节控制，形成了所谓的计算机集中监控系统监控室中引入了所有需要监控的信号。
但是这样的系统也会出现一些问题，譬如为模拟信号传输，必须铺设昂贵的屏蔽电缆。
而以计算机为中心的系统，在计算机出现故障问题的时候，可能会导致整个系统的瘫痪。
集中性监控系统的主要代表是NORCONTRAL公司的DATACHIEF-III系统。
（3）集散型监控系统
到了80年代，随着计算机网络技术的快速发展，尤其一些微型处理器，在船舶自动化领域的应用也越来越广泛，因而出现了集散型微机监控系统，也被称为分布式多级微机控制系统。
世界第一套集散型控制系统TDC2000是由美国的霍尼韦尔公司推出的。
它是由可编程控制器（PLC）、数字调节器以及多个计算机递阶构成的分散、集中相结合的控制系统。
该系统采用了“操作站---控制站---现场仪表”3层结构，主要的特点是把以前由一台小型的计算机独自承担的监控任务合理的分成多个小型任务，并由多台微机或控制器分别实现并由各个子系统对各个任务进行的监测和控制。
同时，为了便于集中控制管理，还可以通过高速微机局域网将各个子系统的主控单元与监控主机互连在一起，实现控制信息的共享。
（4）现场总线式全分布系统
进入90年代，随着现场总线技术的日趋成熟，现场总线控制系统也被越来越多的应用于船舱监控领域。
现场总线式应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信系统，是一种用于现场仪表与控制系统之间的一种全分散、全数字化、双向、多占点开放式的通信网络。
而全分布式系统主要是以现场总线作为各个子系统的内部控制网络，并将监控系统大的功能进一步下放，利用I/O模块、智能变送器、执行器、数字传感器在现场一级实现了控制监控系统的组态，因此很大地提高了现场信息的可信度与利用度，增强了系统的可靠性和安全性。
应用现场总线通信协议，既可以实现船舶监控设备的互操作和互换，也可以使得船舶监控报警系统、主机遥控系统等系统之间形成相互的联结，为船舶综合监控系统的实现打下了基础[1]。
1.3国内外研究动态
船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体的监控系统，主要包括主动力系统，电力系统等多个子系统的监测和控制，例如主机遥控、机舱检测警报、电站管理、泵控制等。
机舱检测报警系统是船舶自动监控系统的一个重要组成部分，是实现“无人机舱”的关键。
该系统的主要功能是为实现对对主机,锅油,燃油,滑油等主要系统的工作状态和参数的监控，并进行指示、记录、打印等处理。
当系统监测到设备工作异常时，系统立即发生警报，提醒工作人员及时处理问题，并对相关设备进行操控，确保安全运行。
从20世纪50年代一些航运发达国家为了降低运输的成本而提出“船舶自动化”的概念开始，船舶自动化系统不断发展，机舱检测报警系统也在经历了一开始的常规仪表，气，电动与小规模集成电子模块，微型计算机为基础的集散性监控的三个阶段。
现在这个阶段的主流是现场总线型机舱监控报警系统，以PLC为代表的智能化模块将集散控制系统（DCS）和现场总线型分布式系统（FCS）有机结合。
目前应用的监控系统的大量功能是用软件实现的。
如今，国内外产品也随着技术发展，逐渐为满足应用的需要而开发研究。
在国内，主要是以研究所、企业、高校三类机构独立或者联合研究开发机舱检测报警系统。
比如天津斯莱顿电子有限公司联合中国科学院电子研究所和合天津大学电子系开发出了SLT-06A集中警报检测系统；上海三进科技发展有限公司基于CAN总线的CJBW3100系列船用警报系统；华东船舶工业学院和比太系统工程有限公司采用无线以太网技术合作开发的传播自动化监控系统；上海船舶运输科学研究所研制的基于LonWorks现场总线的STI-VC2100MA舰船监控警报系统等等。
国外，瑞士ABB集团，德国西门子公司，挪威的康士伯公司，日本的JRC公司，施耐德电器等厂商都有成熟技术的船用警报系统产品。
特别是挪威的KONGSBERG公司的自动化船用设备是这个领域的世界先进技术。
该公司推出的基于CAN总线技术的DATACHIEFC20综合控制系统和监测警报应用广泛，几年前又开发出了K-CHIEF500系统，使软硬件操作更加人性化，并占大量市场。
康士伯在最近推出了K-CHIEF700在性能上做了进一步改善，包括安全性、可靠性，功能上趋向综合监控，而且从工程实践的角度对产品的模块重新设计，各信号模块可以比较灵活的安装在设备附近，比如配电板内、阀门控制舱室内等，节省了大量接线工作，更是缩短调试和船舶建造周期[6]。
第二章船舶机舱监控系统总体结构设计
2.1机舱监控系统的功能与要求
2.1.1机舱监控系统的功能
船舶机舱监控系统是为了实现船舶安全稳定运行，对全船中重要自动化设备的运行的数据和安全的信息进行监控，提供警报，将异常的情况传达给工作人员，给各个系统和人员提供了安全。
对于PLC的设计在船舶机舱监控系统中，首先要知道该监控系统基本的功能和技术的要求，然后才根据实际需要选用适合的主控模块，进行总体方案设计。
1数据监控采集
船舶机舱集中了船上航行所需要的全部机械动力装置，可以说是整个船舶的心脏。
像主机排气温度,主机冷却水温度和压力,主机排气平均量,进出主机活塞冷却水温度,主机滑油进口温度和压力,主机燃油出口温度和压力这些指标数据都是表示整个船舶机舱是否正常应作。
对这些温度，压力的数据检测是实施船舶监控的首要环节。
2报警显示
报警显示共有种形式：
列表显示、报警弹出显示。
显示数据包括实时数据、报警数据和运行信息。
系统最主要的监控方式是列表显示，根据不同的功能又可分为自由显示、分组显示和历史显示。
列表显示主要包括测点编号、实时数据、测点名称、报警信息、模拟量限值等相关信息，就可以通过文字、颜色变化来显示报警的状态。
3报警打印
报警日志的打印，主要是将监控系统的检测点相关信息，报警状态等通过打印机打印输出，便于储存和查询。
可以按照监控主机上层软件的相关设置要求打印出不同的类型的日志。
一般记录内容有警报打印，异常时间，实时状态参数打印等。
4系统自检
对于系统本身的故障要能自动检测和报警显示，若系统内部出现各种故障：
传感器故障、电源故障、网络故障等，要能发出报警提示[1][19]。
2.1.2机舱监控系统的技术指标
对于应用于海船上的所有设备系统，必须依据一系列的标准，条件。
依据《钢制还穿入级与建造规范》和《船舶机舱监视警报装置技术条件》，摘录一下几条关键性要求：
①船舶报警装置的正常工作条件：
环境温度：
0~55℃；湿度：
当温度小于等于40℃时，相
对湿度应为95~100％，当温度大于40℃时，相对湿度为70％。
②如果驾驶室内的值班工作人员是船上唯一的值班人员，在控制站监测到机器发生故障的
情况下，作为报警系统就必须要使值班工作人员知道这个故障已经发生、发生的故障已被发现、此故障已被消除。
③如果警报已经被应答，并且在第一次故障还没有消除前又发生了第二次的故障，此时应
该再次发出听觉和视觉报警信号。
瞬时故障所发出的警报在被回应前应该得以保持。
④报警监视的数值的修改，必须是指定人员借助钥匙或者专用代码等方式才能进行。
⑤监视和报警系统用计算机系统应由独立的反馈电线供电。
当系统主电源供电出现故障时，
该系统应自动转接到计算机系统的备用电源，该备用电源的容量应至少保证不中断持续供电30min[6]。
2.2设计方案
该套监视系统包括对主机、消防柴油机、发电机的主要数据的采样，显示；对相关主机、辅机以及舵机等其它方面的参数进行检测报警，及其它设备的运行状态指示。
在报警信号处理方面，我们采用PLC处理，由PLC机舱开关量传感器采集到的信号后，经过内部逻辑处理后，用输出点去控制蜂鸣器、指示灯或控制阀，提醒值班的工作人员注意，并且进行实时地打印[24]。
以下是机舱监控原理图：
图2.1
2.3主模块的选用
2.3.1主模块配置选择
船舶机舱设备非常复杂，而且智能化水平高，加上各设备供应商提供的通信协议不同，导致信息数据交换困难，所以需要选用一种可靠性高的、扩展灵活的、安全性好的、组网简单的的设备。
西门子公司生产的S7系列，是基于PLC的系统，以其组成简单、价格低、组态灵活、开发周期短等优越性，尤其是利用其可灵活进行输入量接口扩展的特点，针对不同类型种类的船舶机舱监控警报系统可实现系统最低程度的冗余度。
综合考虑实际情况，我们选用S7-300型号，其属于中小型PLC，并且做多可以扩展到32个模块，可以充分满足系统需要。
选用CP340通信模块，可以灵活扩展。
下图是S7-300控制系统的主控模块配置。
表2.1
名称
型号
数量
CPU314
6ES7314-1AG13-OABO
1
存储卡128K
6ES7953-8LG11-OAAO
1
DI32×DC24V
6ES7321-1BL00-OAAO
3
DO32×DC24V
6ES7322-1BL00-OAAO
4
CP340通讯处理器
RS422/485
6ES7340-3CH02-OAEO
11
IM360
6ES7360-3AA00-OAAO
1
IM361
6ES7361-3AA00-OAAO
2
CP5611
6GK1561-1AAOO
1
AI8×PT100
6ES7331-7PF01-OABO
1
报警灯板
一
1
运行指示灯板
一
1
延伸报警器
一
1
西门子公司的PLC有专门的电源模块，其电源模块在2A到10A之间有不同的型号，输入电压为AC220V，并且可通过变压器变出DC24V的电源，供输入模块与输出模块使用。
该系统选用开关电源提供稳定的DC24来代替。
CPU314，RAM为24KB，最大扩展1024DI/DO，256AI/AO，带扩展内存卡槽，24V负载电源及MPI接口，最大传输速率为187.5Kbits，功率消耗2.5W。
DO32xDC24V/0.5A和DI32xDC24V分别为输出模块与输入模块。
CP340通讯器有三种不同传输接口，RS422/RS485（X.27）、RS232C、20Ma（TTY），可以实现3964（R）、ASCII和打印机通讯。
本系统采用RS232/485接口，采用CP340接受各设备的通讯数据，每个设备都单独配置一块CP340接受数据保证系统的可靠性，灵活性。
IM360和IM361作为连接模块应用在机架扩展。
2.3.2PLC的介绍
PLC也就是可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的储存器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并且通过数字、模拟输入输出控制各类型的机械或生产过程。
当可编程逻辑控制器投入运行之后，它的工作主要分为三个阶段：
输入采样、用户程序执行、输出刷新。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上面的三个阶段。
可编程逻辑控制器主要具有以下几个特点:
①系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为主；也能进行连续过程的PID回路控制；
并能与上位机构成复杂的控制系统，实现生产过程的自动化。
②使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图，系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，在不拆动硬件情况下改变控制方案。
③能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。
鉴于此，我们采用西门子的S7-300型号。
第三章计算机监测的基本原理
3.1警报信息的数据采集
3.1.1数据采集系统的结构
船舶机舱集中了船上航行所需要的动力装置和全部机械设备，换句话说，机舱就是船舶的核心。
现代化船舶的自动化水平已经非常高了，最典型的就是无人机舱，它主要包括了机舱集中监测系统、报警系统、主机遥控系统、电站自动控制系统以及各种装置的参数自动调节控制系统等。
这个系统几乎涉及到了船舶机舱的一切设备，所以这些系统中机舱监测报警系统是其中最重要也是最基本的系统，它可以集中监视和测量机舱设备的运行情况，是船员学习和了解各种设备重要参数变化的重要依据。
在早期机舱集中监测报警系统中系统主要是采用集中式结构，它的特点是需要把分布在船舶机舱每个角落的测量点所有的信号都引进集中控制室内的微机接口箱，这类结构使系统的可靠性全部都集中在微型计算机上，因为信号都来自于环境非常恶劣的船舶机舱现场，所以对计算机的要求非常的高，此外要把这些信号引进集控室就得铺设大量的电缆，同时船舶对电缆线的屏蔽性能的要求也非常高。
最近些年来随着现场总线技术（FCS）和分布式结构（DCS）的发展和应用，船舶机舱集中监测报警系统的结构已经有了非常大的进步。
列入图3一1是以前和现在的两种结构的简单示意图。
从图中我们可以看出在过去集中式结构是将所有变送器、传感器的信号引进计算机接口箱，而FCS和DCS新型系统结构就有以下的特点:
①系统结构简化，节约信号连接所需的大量屏蔽电缆，降低了成本，也是维护更加方便。
②数据采集及控制尽量分散在机旁，使危险分散，增加了其可靠性;
③数据间的传输采用了数字方式，通过计算机网络进行，避开模拟信号的传输，可靠性得到提高[7]。
图3.1
从20世纪90年代以来出现的现场总线控制系统（FCS），目前己成为生产过程自动化领域的新焦点。
但是无论是FCS还是DCS的结构都是为了使数据采集和控制的模块单元集成化、小型化。
这些基本的单元模块设置在现场机旁，近距离地接收被测的传感器输出来的参数信号，经过A/D转化后成为数字信号，再经过通信线路送到计算机。
近年来出现的数字传
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