船舶輔助機(jī)械自動化控制中PLC技術(shù)的應(yīng)用分析

王嘯雨 譚壬仁

中國船舶重工集團(tuán)第七二三研究所 江蘇 揚州 225000

引言

現(xiàn)代工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，使得船舶輔機(jī)自動控制的重要性日益凸顯。船舶輔機(jī)設(shè)備在航運中發(fā)揮著不可替代的作用，它們不僅為船舶提供必要的服務(wù)，而且還照顧著船舶的正常航行。船舶輔助設(shè)備在海運中發(fā)揮著重要作用。為船舶提供必要的服務(wù)是正常航運的重要保障。許多輔助設(shè)備具有獨立的控制系統(tǒng)，并且還相互鏈接。為了突出船舶輔機(jī)自動控制的價值，有必要引入PLC技術(shù)[1]。對變頻器進(jìn)行編程和參數(shù)設(shè)置，形成相應(yīng)的變頻器控制系統(tǒng)，使其始終處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，促進(jìn)現(xiàn)代造船業(yè)的發(fā)展。因此，有必要詳細(xì)研究分析PLC技術(shù)在船舶輔機(jī)自動化控制中的應(yīng)用，以不斷提高船舶機(jī)械自動化領(lǐng)域的自動化程度。

1 PLC概述

PLC又稱可編程程序控制，是一種具有普遍意義的工業(yè)控制。程序指令可以存儲在PLC中，它是一種可編程存儲器。用戶可自行編寫程序，對控制功能進(jìn)行必要的設(shè)置，以滿足受控生產(chǎn)的要求，有效替代繼電器系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破饕部梢钥醋魇且环N數(shù)字電子儀器。在實踐中，可以存儲各種特殊功能，以控制機(jī)械系統(tǒng)和生產(chǎn)過程，以上是PLC的綜合定義。綜合考慮硬件，可編程控制器的功能主要是可編程存儲器，主要包括非計算機(jī)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)計算機(jī)結(jié)構(gòu)。可編程控制器雖然本質(zhì)上是微機(jī)結(jié)構(gòu)，但其軟硬件也各有特點。目前，可編程控制器已從各國引入國內(nèi)市場，并引進(jìn)了多條生產(chǎn)線[2]。它們能夠模仿可編程邏輯控制器，自主開發(fā)，消化國外技術(shù)。這一階段，大型工程項目和引進(jìn)項目中也經(jīng)常使用PLC技術(shù)。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工廠和科研機(jī)構(gòu)開始重視PLC技術(shù)，并在一定程度上拓展其應(yīng)用的可能性。此外，可編程邏輯控制器廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)部門，特別是造船業(yè)，應(yīng)用范圍非常廣泛，具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。為現(xiàn)有微處理器和單片機(jī)選擇PLC編程語言相對簡單。該系統(tǒng)不僅具有計時、計數(shù)和邏輯評估等功能，還可以控制模擬量。通過控制單個設(shè)備可以同時控制多個設(shè)備。每臺設(shè)備實行群控，形成集中控制分散的本地控制網(wǎng)絡(luò)。此外，PLC技術(shù)的靈活運用還可以適應(yīng)工控場所特殊環(huán)境的需要，尤其是軟硬件結(jié)構(gòu)，具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。

結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)控制的基本特性和要求，開發(fā)的PLC也是基于微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)有工業(yè)控制思想。在計算機(jī)分析方面，該計算機(jī)系統(tǒng)的控制要求不再是功能多樣化，而是更加注重計算能力和邏輯功能。其主要目標(biāo)是更有效地簡化編程語言，提高特殊設(shè)備要求與工業(yè)環(huán)境的兼容性，提高抗干擾能力[3]。從控制設(shè)備來看，PLC也是一種通用的控制設(shè)備，采用內(nèi)存程序控制，適應(yīng)性強(qiáng)。此外，在模塊化硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靈活性可以不斷優(yōu)化，隨著造船市場需求的顯著擴(kuò)大，相關(guān)成本和費用以及邊際效用不斷降低。在設(shè)計系統(tǒng)分析軟件時，可以按照電氣工程師使用PLC的習(xí)慣，以繼電器梯形圖符號語言為起點，不斷提高用戶編程的直觀性。引入PLC后，現(xiàn)場控制只需布線和編程，支持了計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。目前，PLC技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已日趨成熟，致力于超小型計算機(jī)的開發(fā)。多機(jī)并行處理技術(shù)的使用，充分優(yōu)化了實時控制的速度和處理能力，加速了高級PLC語言的發(fā)展。PLC技術(shù)有效地將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)計劃管理的計算機(jī)系統(tǒng)連接起來，過程控制和生產(chǎn)計劃的自動化特性變得越來越重要。

2 PLC工作流程

可編程邏輯控制器(PLC)是一種設(shè)計用于工業(yè)環(huán)境的電子控制系統(tǒng)[4]。本設(shè)備為通用工業(yè)控制設(shè)備。啟動PLC系統(tǒng)后，首先進(jìn)行初始化過程，檢查I/O接口的連接是否符合設(shè)計圖中的連接要求，檢查電源狀態(tài)，是否可靠接地等保護(hù)措施電源都到位，算法處理指令通過輸出鎖存器發(fā)送到I/O口，以刺激輸出并控制外部負(fù)載。信號被I/O口捕獲后，送到CPU寄存器區(qū)進(jìn)行輸入采樣。

3 PLC技術(shù)在船舶輔機(jī)自動化控制中的具體應(yīng)用

3.1 船舶輔機(jī)自動控制的基本要求

船舶輔機(jī)自動控制的基本原則是運行安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益更加明顯，有效節(jié)約能耗和維護(hù)成本。綜合分析負(fù)荷變化，實現(xiàn)輔機(jī)的自動調(diào)整，主要目的是控制機(jī)械設(shè)備的蒸汽壓力和溫度，確保符合設(shè)備要求。還要控制機(jī)械設(shè)備的供油比，使燃油在適度的空氣條件下完全燃燒，以達(dá)到節(jié)油的目的。這在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的中國非常重要。

對于船舶輔機(jī)使用的鍋爐，蒸汽質(zhì)量不會太高，可以采用兩級調(diào)節(jié)方式。因此，可以使用PLC進(jìn)行功能調(diào)整，以保證質(zhì)量調(diào)整的效果。對于鍋爐系統(tǒng)給水的自動控制，需要結(jié)合鍋爐功率、尺寸和質(zhì)量控制的基本要求，科學(xué)合理地選擇控制方法。選擇模擬量控制功能強(qiáng)的PLC，無須增加新的控制單元即可達(dá)到定制化的目的，可有效降低成本，同時由于沒有引入新的設(shè)備控制模塊，整個系統(tǒng)系統(tǒng)的故障概率也減少了，進(jìn)一步提高供水控制的有效性。值得注意的是，機(jī)艙內(nèi)溫度通常較高，振動特性明顯。在航行條件下，干擾源很多，影響也更大。因此，對控制系統(tǒng)和內(nèi)部組件提出了更高的要求。不斷提高環(huán)保性能，同時明智地選擇PLC型號，設(shè)計控制柜，在設(shè)計選型階段充分考慮船舶未來的工作環(huán)境，將未來使用過程中出現(xiàn)問題的可能性降到最低。

3.2 實際操作功能

在傳統(tǒng)的船用輔助機(jī)構(gòu)自動化控制系統(tǒng)中，繼電器主要用于控制斷路器，以保證系統(tǒng)的安全運行[5]。但是，繼電器中的連接點太多，很容易發(fā)生觸電安全故障，對系統(tǒng)的安全構(gòu)成極大的威脅，也損害了系統(tǒng)的可靠性。通過使用PLC，代替繼電器，使用PLC來控制系統(tǒng)的開路，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。PLC在點控制中的使用大大簡化了工作流程和操作員的工作量：操作員只需進(jìn)行簡單的PC端操作，PLC根據(jù)PC端輸出相應(yīng)的操作指令來控制點操作。在開關(guān)控制方面，采用PLC可以大大降低系統(tǒng)的故障率，為系統(tǒng)的安全可靠性提供有力保障。為數(shù)據(jù)支持編譯船舶輔助機(jī)械的自動控制系統(tǒng)的故障排除。將PLC集成到船舶輔助機(jī)構(gòu)的自動控制系統(tǒng)后，可以提高系統(tǒng)的智能化。PLC技術(shù)以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，大大提高了船舶輔助機(jī)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和效率。PLC主要利用系統(tǒng)軟件以串行方式控制船舶的輔助機(jī)構(gòu)。處理器是船舶輔助機(jī)構(gòu)自動化控制系統(tǒng)的核心，它控制整個系統(tǒng)，可以根據(jù)處理器數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)的運行狀態(tài)。PLC的應(yīng)用可以將用于評估系統(tǒng)運行狀態(tài)的指標(biāo)編入控制程序中，從而可以通過該技術(shù)直接評估系統(tǒng)的運行狀態(tài)，而無需對系統(tǒng)處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。大大簡化了系統(tǒng)，評估工況的步驟也節(jié)省了大量的人力物力，隨著PLC的應(yīng)用，船舶輔助機(jī)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的智能化程度將逐步提高。

4 PLC在安全監(jiān)控中的應(yīng)用

本文通過船舶輔機(jī)PLC系統(tǒng)的應(yīng)用研究，采取必要的保護(hù)措施，保證鍋爐系統(tǒng)的安全運行。這個系統(tǒng)需要時間來初始化。通過分析系統(tǒng)初始化的輸出功率曲線，可以得出系統(tǒng)在前6秒內(nèi)沒有功率的結(jié)論。但是，系統(tǒng)的監(jiān)控功能在很大程度上依賴于PLC。如果PLC出現(xiàn)故障，不可避免地會導(dǎo)致很多問題。在設(shè)計軟硬件時，應(yīng)同時采用具有PLC自診斷功能和自診斷監(jiān)控功能的相應(yīng)PLC型號。它的組成包括一個脈沖發(fā)生器和一個比較器。當(dāng)某個部位出現(xiàn)障礙物，系統(tǒng)可以重置重要起點，同時觸發(fā)報警。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以通過仿真來模擬模塊內(nèi)部狀態(tài)的變化。

本文是通過兩個標(biāo)準(zhǔn)脈沖串的比較原理實現(xiàn)的。PLC用戶程序產(chǎn)生一個脈沖，根據(jù)程序設(shè)置發(fā)送到PLC系統(tǒng)的第一個模塊，當(dāng)連接到同一模塊的輸入點時，通過外部連接返回給PLC并輸出脈沖使用用戶程序設(shè)置到第二個模塊。在這樣反復(fù)的情況下，模塊的基極輸出點就可以從PLC軟硬件中得到脈沖串，送到看門狗的輸入端。有了充分的軟硬件結(jié)合，I/O就可以有效地監(jiān)控PLC系統(tǒng)。這種方法雖然在每個模塊中使用兩點建立硬件連接，但運行船舶輔機(jī)的成本并不明顯。盡量避免看門狗中的脈沖發(fā)生器硬件出現(xiàn)故障；需要設(shè)計備用脈沖發(fā)生器并對其進(jìn)行有效監(jiān)控。調(diào)節(jié)鍋爐供汽壓力和燃料比重的基本原理：在鍋爐系統(tǒng)啟動前，預(yù)掃55s鍋爐空氣，防止點火時冷爆。55秒后點火。若在9.5秒內(nèi)點火成功，鍋爐將進(jìn)入正常燃燒狀態(tài)。在9.5秒內(nèi)點火失敗，鍋爐將停止工作，同時發(fā)出聲光報警信號，故障熄火指示燈亮，確保船用輔機(jī)的安全可靠運行，是實現(xiàn)其自動化的基礎(chǔ)。與此同時，還可以節(jié)省能源，提高船舶運營的經(jīng)濟(jì)性，降低維修費用，滿足系統(tǒng)控制要求。

4.3 安防監(jiān)控應(yīng)用

為保證船舶相關(guān)系統(tǒng)的安全運行，必須加強(qiáng)對系統(tǒng)的安全監(jiān)控。通過分析系統(tǒng)的初始性能，可以得出系統(tǒng)在前4.5秒內(nèi)沒有性能的結(jié)論。診斷工具具有明顯的獨立性，是由比較器、脈沖發(fā)生器等組成的數(shù)字電路，軟硬件有效結(jié)合，實現(xiàn)對PLC系統(tǒng)中微處理器、存儲器和程序邏輯執(zhí)行的實時監(jiān)控。如果某個組件出現(xiàn)故障，請同時對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，以確保起點的安全運行。本文針對船舶輔助電氣常見故障診斷問題，開發(fā)了一套基于PLC的設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為三個主要部分：用戶程序、輔助控制系統(tǒng)內(nèi)核和PLC硬件。兩個標(biāo)準(zhǔn)脈沖串主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的目的。第一個通道脈沖由PLC用戶程序生成。程序設(shè)置好后，在每個模塊中有兩個用于創(chuàng)建硬件鏈接的通道。在船舶輔機(jī)的實際運行中起到監(jiān)控與控制作用。為了有效控制設(shè)備的運行狀態(tài)，需要開發(fā)后備脈沖發(fā)生器，以有效避免系統(tǒng)內(nèi)部故障。

4.4 起重機(jī)三相異步電動機(jī)控制

本文介紹一種采用PLC技術(shù)實現(xiàn)三相異步電機(jī)控制的船用起重機(jī)。三相異步電機(jī)控制采用PLC技術(shù)，通過邏輯控制指令實現(xiàn)自動調(diào)速，電機(jī)控制開關(guān)正反轉(zhuǎn)鎖定。通過分析信號的特征向量，利用PLC的信號監(jiān)測功能，對三相異步電動機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時診斷故障。

5 結(jié)束語

在船舶輔機(jī)的自動控制過程中，適當(dāng)引入PLC技術(shù)可以使控制輔機(jī)的效果更加自動化、智能化。在突出PLC技術(shù)優(yōu)勢的同時，可全面提高輔機(jī)運行的安全性和控制精度，進(jìn)一步提高大型船舶能效，降低單位航行能耗，滿足國家節(jié)能減排要求目標(biāo)。同時，可以進(jìn)一步擴(kuò)大PLC技術(shù)的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步推動現(xiàn)代造船業(yè)的發(fā)展。