基于PLC的机舱监测与报警系统.docx

1、基于PLC的机舱监测与报警系统基于PLC的机舱监测与报警系统摘 要伴随着时代的不断进步与发展，机舱各种仪表设备的功能也越来越复杂，对监测报警系统的要求也越来越高。随着船舶制造工艺的飞速发展，对于机舱监测报警系统的深入研究具有重大的现实意义。本文旨在设计一套基于PLC（Programmable logic controller）的机舱监测报警系统，采用西门子S7-200PLC作为控制器，结合梯形图和STL语言语言进行程序编辑，并由程序进行报警处理，运用了EM231拓展模块解决了隔离信息干扰的问题。使用模拟量对监测点的运行状态实时检测，极大地提高了船员的工作效率。通过打印机功能将报警内容、报警时间

2、直观的显示，方便了船员的维修管理工作;模块化设计思想，提高了PLC的可拓展性,使船舶机舱检测与报警系统对运行状态的监测更加准确、可靠。关键词：PLC,机舱监测系统，报警系统AbstractWith the continuous progress and development of The Times, various instruments in the engine room are becoming more and more complex, and the requirements for monitoring and alarming are becoming higher and

3、 higher. With the rapid development of shipbuilding technology, the study and research of engine room monitoring and control system has a more crucial practical significance. This paper aims to design a set of engine room monitoring and alarm system based on PLC (Programmable logic controller). This

4、 system uses Siemens S7-200 PLC as the controller, combined the ladder diagram and the statement table language to carry on the program editing, using the program carries on the processing to the alarm. The EM231 extension module is used to solve the problem of isolating information interference. Th

5、e use of simulation to real-time detection of the monitoring point operation state greatly improves the crews work efficiency. Through the function of printer, the alarm content and alarm time are displayed intuitively, which facilitates the maintenance and management of crew members. The design of

6、modular improves the expansibility of PLC; Programmed system procedures improve the stability of the control. It makes the ship engine room monitoring and alarm system more accurate and reliable.Key words: PLC,Engine room monitoring system, alarm system第一章 绪论1.1课题研究的背景与意义船舶作为一个不可或缺的交通工具，其安全运行对物流运输具有

7、重要影响，船舶的控制管理系统直接决定着船舶的运行安全1。伴随现代造船业和航运业的蓬勃发展，船舶吨位越来越大，管理程度越来越复杂，使得轮机操作人员对机船监测报警分析系统的自动化程度提出了更高的要求2，船舶机舱监视与报警系统是随着控制理论和电子技术的发展而发展起来的，是实现船舶自动化必不可少的条件之一3。船舶监控报警系统的安全性和可靠性对船舶安全运行的可靠性和经济性，船员运行和管理的效率，保证船舶和船上全体人员的安全至关重要，在一些自动化程度比较高的船舶上，机舱报警系统还可具有报警记录打印，参数和状态的显示等功能4。随着机舱自动化的不断发展，机舱报警系统还延伸到驾驶台、公共场所、轮机长房间及其他轮

8、机船员的住所5。机舱监测报警系统不仅提高船舶工作人员的生活条件，缓解工作强度，同时也推动了船舶自动化的发展6。因此，船舶监测报警系统是实现无人机舱的必备条件之一7。在现代自动化船舶机舱中，所有船舶设备的运行状态、参数和故障状态都会被收集到控制室设置的屏幕上8。机舱监测报警系统具有较高的精度，能够对机舱内驾驶员的各种状态进行监控，反映驾驶员在机舱内的运行情况9。同时为了保证船舶的正常运行，必须对船舶机舱内运行状态进行实时监测10。一旦发生故障，可以发出声音和视觉报警，同时将其记录到数据库中。机舱监测与报警系统可以定期自动地将运行状态和参数写入数据库，节省了大量的维护时间，改善了设备的工作状态，保

9、证了设备的可靠性。在有自动要求的船舶上，机舱报警监控系统将报警扩展到W/H、公共场所、C/E舱和值班人员。总之，机舱报警监控系统是船舶自动化的重要组成部分11。1.2机舱监测与报警系统的国内外现状国外起步较早，并且在上世纪90年代便出现了基于现场总线的控制系统，采用了网络化结构14。德国的SIEMENZ公司、挪威的Kongsberg公司、日本的JRCS公司在机舱监测报警领域已经有了较为先进的技术，其中Kongsberg公司已经成为该领域的先进代表，比如该公司的DateChief C20（）系统，DC C20采用了CAN 总线以及以太网相结合的网络结构形式15。我国监测与报警系统起步于60年代末

10、期，通过学习研究国外类似产品，结合大量自我创新，各种功能不断完善较之以前已经有了长足的进步，但总体来说与国外仍有较大的差距12。目前国内企业、研究所研发的主要产品有天津斯莱顿电子有限公司和中国科学院以及天津大学合作研发的基于CAN(Controll Area Network)总线的STI-06A型报警系统、上海三进科技有限公司开发的的CJBW3100系列船用监测与报警系统13。最近几年，随着我国科研能力的逐步提升，工作人员对监测与报警系统的要求越来越高，这就促使了火灾报警系统计算在我国得到巨大发展17。但在实际使用中，船舶机舱监测与报警系统并未像国外那样先进，许多技术存在落后现象。由于我国发展

11、此技术起步较晚，船舶智能化程度较低，使得我国目前集成程度较低，系统仍处在单独监控的现状18。随着科技的发展，船舶机舱报警系统的全数字化，智能性和网络化程度不断提升，系统结构更加灵活16。计算机监测强大的计算能力为系统的准确性和可靠性作出了巨大贡献。目前，机舱监测报警系统正朝着智能化、网络化、集成化发展。由于船舶需要监测的设备功能越来越复杂，数量越来越巨大，监测处理应融入更多、更先进、更可靠的智能算法，提高系统的准确性和可靠性。第二章 S7-200PLC简介2.1 西门子S7-200PLC组成PLC是一种专用的机器控制计算机，用于读取各种传感器的数字和模拟输入，执行用户定义的逻辑程序，并将产生的

12、数字和模拟输出值写入各种输出元件，如液压和气动执行器、指示灯、电磁阀线圈等23。早期的PLC是为了取代继电器逻辑系统而设计的。这些PLC是在“阶梯逻辑”中编写的，非常类似于继电器逻辑的示意图。选择这种程序符号是为了减少对现有技术人员的培训需求。其他早期的PLC使用了一种基于堆栈逻辑求解器的指令列表编程形式。PLC有输入线，其中感应器连接以通知事件(例如高于或低于某一水平的温度、达到的液位等)和输出线，其中致动器连接到影响或信号反应进入事件(如启动发动机，打开/关闭阀门等)。该系统是用户可编程的。它使用了一种名为“中继梯”或RLL(中继梯形逻辑)的语言。这种语言的名称意味着早期的控制逻辑(由继电

13、器构建)正在被模拟24。使用的其他一些语言包括：顺序函数图、功能框图、结构化文本、指令列表、连续函数图。图2.1 PLC硬件结构图Fig 2.1 Hardware structure diagram of PLC目前性能较为卓越的PLC品牌有德国的西门子、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB、施耐德等公司，根据性价比的选择以及工艺、扫描速度等方面考虑，本设计采用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列是一种可以控制多种自动化应用的微型可编程逻辑控制器。紧凑的设计、廉价的成本、强大的指令集使得S7-200成为了一个完美的解决方案。各种各样的S7-200模块和基于Windows的编程工具为用户的使

14、用提供了解决自动化问题可能，便于维护的系统使得控制系统的可靠性大大提高25。柔性化的控制系统使得节点计数器、继电器、传感器、定时器等硬件与PLC融为一体并方便了系统配置。西门子的理念是全集成自动化，信息化管理的生产，这种理念极大地提高了制造业的效率和产能26。基本实现生产、包装、物流供应的自动化的西门子公司俨然使PLC现代自动化工业的三大支柱之一。西门子S7-200共有5种型号的CPU分别为CPU221、CPU222、CPU223、CPU224、CPU226。CPU模块包括CPU、存储器、输入/输出点和功能拓展模块等。(1)中央处理器(CPU)CPU主要通过它的处理器和内存系统来控制所有的系统

15、活动。CPU由微处理器、存储芯片等集成电路组成，用于控制逻辑、监控和通信。CPU有不同的工作模式。在编程模式下，CPU将接受从PC上下载的逻辑更改。当CPU处于运行模式时，它将执行程序并运行进程。从连接的现场设备(如开关、传感器等)输入数据被处理，然后CPU执行存储在其内存系统中的控制程序。由于PLC是一个专用控制器，它将一次又一次地处理这个程序。一个周期所花费的时间称为扫描时间，并且CPU中的内存存储程序处理得非常快，同时保持I/O的状态，并提供存储值。(2)存储器所有PLC都有一个内存映射。根据微PLC的型号和型号，内存可以从2K到16K不等。存储器分为三部分:程序寄存器、字寄存器和离散寄

16、存器。程序(梯形逻辑)和字寄存器通常存储在闪存中，而离散寄存器则存储在RAM中。离散存储区用于输入、输出和控制继电器。不过，还可以从离散寄存器访问位数据类型。（3）输入和输出接口来自传感器的输入信号和执行机构所需的输出信号可以是:模拟信号，一种其大小与被感知量的大小有关的信号；离散信号，本质上只是一个开/关信号；数字信号，一系列脉冲。CPU必须有特定大小的数字信号输入，通常为0到5V。CPU的输出也是数字的，通常是0到5V。因此，通常需要对输入和输出信号进行操作，使它们具有所需的形式。PLC的输入/输出(I/O)单元的设计使输入信号的范围可以转换为5V数字信号，使输出的范围可以驱动外部设备。正

17、是这种内置的功能使PLC易于使用，能够处理一系列输入和输出。（4）功能拓展模块EM231是模拟量输入模块，输入信号与PLC有隔离，可以是电压也可以是电流。规定S7-200模拟量输入时输入020mA的电流经过AD转换器将转换为PLC能够接受的数字量。新的EM231 TC模拟扩展模块SIMATIC S7-200与8个模拟输入热电偶已经发布。尺寸与现有EM231 TC模拟扩展模块相同。新的模拟扩展模块占用CPU中一个扩展模块的插槽，允许更多的模拟通道。EM231模拟量输入拓展模块仅有模拟量输入功能，点数为4输入，具有12位的分辨率，内部有数模转换器、放大器等多个功能电路，抗干扰能力较强，可用于多种场

18、合，可由选择选择多个模拟量输入范围。2.2 PLC扫描工作原理CPU在运行过程中完成三个过程:(1)通过输入接口从字段设备读取或接收输入数据;(2)执行或执行存储在内存系统中的控制程序;(3)通过输出接口写入或更新输出设备。顺序读取输入、在内存中执行程序和更新输出的过程称为扫描。具体细节在制造商之间各不相同，但大多数PLC采用“扫描周期”格式。PLC从上到下，从左到右扫描程序。(1)输入扫描将输入卡中存在的数字和模拟值的“快照”保存到输入存储器表中。(2)逻辑执行用户程序被逐个元素扫描，然后逐级执行，直到程序结束，并将结果值写入输出内存表。诊断与沟通用于许多不同的学科，在逻辑、分析和经验的使用

19、上有差异，以确定“因果”。在系统工程和计算机科学中，它通常用于确定症状、缓解和解决方案的原因。它与输入模块通信，并就任何不正确的数据文件变体向输出模块发送消息。(3)输出扫描结果输出内存表中的值被写入输出模块。一旦输出扫描完成，这个过程就会重复，直到PLC关闭为止。完成扫描周期所需的时间是足够合适的“扫描周期时间”，从数百毫秒(在较旧的PLC上具有非常复杂程序的PLC)到较新的PLC上仅几毫秒，PLC执行简短的简单代码。第三章 机舱监测报警系统简介3.1 机舱监测与报警系统的组成如图3.1所示，船舶的机舱监测报警系统主要由三大部分组成:(1)分布在机舱各个监视地点的传感器(2)系统的控制模块和

20、监视表盘或者显示屏幕(3)安装在驾驶台、公共场所、轮机长房间和其他场所的机舱延伸报警系统19。图3.1 机舱监测报警系统组成Fig.3.1 Composition of cabin monitoring and alarming system3.2 机舱监测与报警系统的功能不同类型船舶在功能上表现出差别，同时在硬件、软件以及网络上也表现出一些不同。但基本都要求具备以下几个方面：(1)参数监测功能当船舶正常运行时候通过显示屏以及各种表盘显示船舶当前运行状况供工作人员进行参考。状态显示通过各种警报、指示灯显示设备运行状态。一般来说，绿色灯光表示船舶在正常运行状态，红色灯光代表状态异常。(2)机舱监

21、控报警系统故障警报当船舶运行异常或者某一监测点参数达到报警限制且无闭锁，系统会发出警报，一般报警信号为声光报警，需要人员进行报警确认后并进行相关处理后才可消除。对于某些设备，可先进行备用机切换，使参数异常短时间内消失，此类称为短时报警。(3)机舱监控报警闭锁船舶在不同运行状态下参数的参考值不同，因此有必要对于某些点进行报警闭锁，如船舶停泊时，船舶冷却系统、燃油系统等均会出现异常，但该状态下却无需发出报警信号，故需要对相关监测点进行报警闭锁。(4)机舱监控报警数据打印功能监测报警系统可以对监测点参数进行打印记录，分为两种，一种是船舶根据系统时间定时进行数据打印，另一种根据需要如船舶运行发生异常时

22、，系统自动将相关状态如报警时间，异常地点，报警内容进行打印20。(5)机舱监控的延伸报警系统在船舶工作人员等的房间和特定公共场所有必要对重要参数设置显示和报警提示，即为延伸报警装置，延伸报警装置种类较多，如通过触摸屏进行数值显示或者通过指示灯进行灯光显示。(6)机舱监控报警延时报警某些监测点由于允许参数瞬时越限而可能出现误报警状态因此在这些点可以设置延时报警环节21。延时报警分为2-30秒和0.5秒两种，2-30秒延时用于如船舶液位监视因为船舶摇晃造成虚假越限，0.5秒报警用于某些设备开关量出现瞬时接通状况。(7)机舱监控报警值班呼叫船舶工作人员进行值班交换时，值班人员与下一位值班人员进行联络

23、，呼叫时，值班人员只要将值班选择指向换班人员，相关设备即可发出呼叫信号，指示灯闪光，等待换班人员作出应答，解除报警22。(8)机舱监控和报警回差某些点由于特殊工作状态会在报警点附近不断波动，造成系统频繁报警，为避免此类问题，系统会在报警灯附近正常范围内设置一段差值，只有当监测数值处于回差范围外正常范围内时，报警才会消失。(9)机舱监控自检报警功能报警系统为能够正常监测船舶运行状态，需使自身保持在正常工作状态，为此必须设置自检功能，对自身相关重要设备，设置自我监测功能，对异常环节就行报警处理。3.3机舱监测报警系统技术方案本文采用西门子S7-200PLC来控制船舶机舱监测与报警系统，机舱监测与报

24、警系统系统的功能有对包括主机、发电机在内的各个监测点的采样与显示；对主机相关的模块、辅机以及舵机等其它方面的运行状态进行监测与报警，及对其它设备的运行参数表示。在报警信号处理方面，我们采用S7-200PLC进行处理，模拟量传感器采集到信号后，经过EM231模块转换为数字量并发送给PLC，经过内部逻辑处理后，通过输出点去控制声音、灯光与打印机或显示屏，提醒正在值班的船舶轮机人员注意，并且进行打印。结合以上内容，大致工作可分为以下三个阶段：（1）首先分析船舶机舱监控系统的控制对象，并确定输入输出设备，详细分析被控对象的正常工作范围与工作特点，了解系统内所有设备的连接关系、控制关系。确定输入设备与输

25、出设备之间的关系。（2）根据系统各个方便的性能要求，选择合适的PLC机型、IO分配、拓展模块等。（3）程序设计，根据所获得的相关知识，选择合适的编程程序来设计可编程逻辑控制器的控制程序，并对程序进行运行监测、报警处理和显示等程序，另外对程序进行模拟运行。3.3.1 EM231模块选择使用EM231模拟量拓展模块，可选择电压单极性、双极性、电流三种。可由DIP开关的1、2、3选择模拟量输入范围。EM231选择模拟量输入范围如图3.2所示。图3.2EM231选择模拟量范围输入范围开关表Fig 3.2 EM231 Select Analog Range Input Range Switch Tabl

26、e模拟量输入模块的分辨率通常以数模转换后的二进制数数字量的位数来表示，模拟量输入模块的输入信号经数模转换后的数字量数据是十二位数。其中最高位为符号位：0为正值数据字，1为负值数据字。单极性数据格式：如图3.3所示，对于单极性数据，最低3位均为0。使得ADC计数数值每变化一位，数据字以8为单位变化。如图3.2所示，这12位数据字的最大值应为32000。双极性数据字格式：对于双极性数据，最高有效位为符号位，最低4位均为0，所以计数数值每变化一位，数据字以16为单位进行变化。双极性数据字格式的全量程范围为-32000+32000。图3.2 EM231输入数据字格式Fig 3.2 EM231 Inpu

27、t Data Word Format船舶机舱模拟量传感器经过模数转换（ADC）将模拟量转换成数字量仍需要线性变换才能获得机舱相关人员所需要的实际物理值。模拟量输入模块的接线方式可由电流型输入信号和电压型输入信号进行区分，以电流型信号接线方式为例，分为四线制、三线制、二线制接线法。(1)四线制-电流型信号接法四线制一般用于信号设备本身外接电源且两根信号线输出，将信号+连接于RC与C+,信号-连接C-与M，供电电源可有220V交流与24V直流。(2)三线制接法-电流型信号接法三线制信号用于本身外接供电电源但只有一根信号线输出，一般为共负端，信号接RC与C+，如若设备的供电电源与EM231的电源不是

28、同事同一个电源，为了使两者工作在同一电位，电源负极接线C-与M。(3)二线制-电流型信号接法二线制一般用于信号设备只有两根外接线，则设备的电源有信号线连接，即一根外接电源，一根接信号输出。第四章 机舱监测报警系统程序设计4.1 监测点信号采集与处理机舱中需要监测的一般有模拟量、开关量两种，需要通过信息采集将数据传输到PLC并进行处理16。模拟量作为一种连续变量，对模拟量进行采集与处理是必不可少的。如图4.1所示，对于EM231模块不需要单独的编程将模拟量转化成数字量，只需要将读取到的数字量转化成实数，并转成所需的实际物理值。图4.1数据采集与处理流程图Fig 4.1 Flow chart of

29、 data acquisition and processing而写出具体程序，不仅需要明确大体原理，还需要知道模拟量与输出量的转换公式，假设模拟量标准电信号为Xo-Xm，模数转换后数值为No-Nm，而物理上限值与下限值为a、b。则实际物理值如果所选为单极性输入，则Do与Dm为-32000、32000；如果所选为双极性输入，则Do与Dm为0，32000。模拟量输入范围可由DIP开关的1、2、3所选择。例如图4.2程序测量船舶柴油机冷却水温度程序所表示的关系，温度量程为0-100度，输出电流范围4-20mA，选择电流输入，即将0-20mA转换成0-32000的数字量，IN代表采样值，则温度图4.

30、2信息采集与处理程序图Fig 4.2 Information Acquisition and Processing Diagram4.2报警处理与打印监测报警系统的主要任务便是进行报警提示，对需要监测的点进行逻辑判断，如图4.3所示，当船舶运行异常或者某一监测点参数达到报警限制且无闭锁，系统会发出警报，一般报警信号为声光报警，需要人员进行报警确认后并进行相关处理后才可消除。对于某些设备，可先进行备用机切换，使参数异常短时间内消失，此类称为短时报警。图4.3 机舱报警处理流程图Fig 4.3 Flow chart of cabin alarm processing报警处理程序采用结构化编程方式，

31、如图4.4及4.5程序所示，将处理后的数据进行比较，如对于数字量，当采样大于等于85，仪器报警，但采样小于85，不会立刻停止报警，直到采样值小于80后，仪器才会停止报警，当发生报警且没有发生闭锁时，控制蜂鸣器进行报警，同时指示灯快闪，同时再次监测是否继续报警，若无继续报警，指示灯转为慢闪，但工作人员不进行报警确认时，蜂鸣器将继续工作，工作人员确认后，指示灯平光，蜂鸣器关闭，故障排除后，进行故障排除打印，同时可以再次进行报警。这样的设计避免了重复报警的可能性，工作人员可以避免在一次故障中多次确认报警，提高了报警的准确可靠性。报警信号输出分为两种模式，一种输出数字量来表示各种指示灯，报警灯；另一种

32、为模拟量输出信号，进行表盘显示，模拟量也可以通过模拟量处理模块转化为数值，再进行屏幕显示等。图4.4 报警处理图Fig 4.4 Alarm Processing Diagram图4.5 机舱灯光报警图Fig 4.5 Aircraft cabin light alarm chart机舱出现参数异常后，等待相关工作人员确认打印，打印机将报警信息打印出来以便准确掌握船舶异常情况，可以使用S7-200PLC的自由通信口连接打印机。S7-200PLC可通过自由口通信协议访问PC机，条形码阅读器，打印机等。由于其通信端口为半双工通信口，所以不能同时发送和接收。S7-200支持多种通讯模式，如点点接口(PPI)、多点接口(MPI)、Rrofibus DP等。PPI等通讯协议主要用于西门子系列产品之间通讯以及对PLC编程。自由口模式下，可由用户控制串行通讯接口，