船舶辅助机械自动化控制中PLC技术的应用分析

王啸雨 谭壬仁

中国船舶重工集团第七二三研究所 江苏 扬州 225000

引言

现代工业的持续发展，使得船舶辅机自动控制的重要性日益凸显。船舶辅机设备在航运中发挥着不可替代的作用，它们不仅为船舶提供必要的服务，而且还照顾着船舶的正常航行。船舶辅助设备在海运中发挥着重要作用。为船舶提供必要的服务是正常航运的重要保障。许多辅助设备具有独立的控制系统，并且还相互链接。为了突出船舶辅机自动控制的价值，有必要引入PLC技术[1]。对变频器进行编程和参数设置，形成相应的变频器控制系统，使其始终处于稳定的运行状态，促进现代造船业的发展。因此，有必要详细研究分析PLC技术在船舶辅机自动化控制中的应用，以不断提高船舶机械自动化领域的自动化程度。

1 PLC概述

PLC又称可编程程序控制，是一种具有普遍意义的工业控制。程序指令可以存储在PLC中，它是一种可编程存储器。用户可自行编写程序，对控制功能进行必要的设置，以满足受控生产的要求，有效替代继电器系统。可编程逻辑控制器也可以看作是一种数字电子仪器。在实践中，可以存储各种特殊功能，以控制机械系统和生产过程，以上是PLC的综合定义。综合考虑硬件，可编程控制器的功能主要是可编程存储器，主要包括非计算机结构和准计算机结构。可编程控制器虽然本质上是微机结构，但其软硬件也各有特点。目前，可编程控制器已从各国引入国内市场，并引进了多条生产线[2]。它们能够模仿可编程逻辑控制器，自主开发，消化国外技术。这一阶段，大型工程项目和引进项目中也经常使用PLC技术。随着PLC技术的发展，越来越多的工厂和科研机构开始重视PLC技术，并在一定程度上拓展其应用的可能性。此外，可编程逻辑控制器广泛应用于许多工业部门，特别是造船业，应用范围非常广泛，具有相当大的经济优势。为现有微处理器和单片机选择PLC编程语言相对简单。该系统不仅具有计时、计数和逻辑评估等功能，还可以控制模拟量。通过控制单个设备可以同时控制多个设备。每台设备实行群控，形成集中控制分散的本地控制网络。此外，PLC技术的灵活运用还可以适应工控场所特殊环境的需要，尤其是软硬件结构，具有高度的灵活性和可扩展性。

结合现代工业控制的基本特性和要求，开发的PLC也是基于微机技术和现有工业控制思想。在计算机分析方面，该计算机系统的控制要求不再是功能多样化，而是更加注重计算能力和逻辑功能。其主要目标是更有效地简化编程语言，提高特殊设备要求与工业环境的兼容性，提高抗干扰能力[3]。从控制设备来看，PLC也是一种通用的控制设备，采用内存程序控制，适应性强。此外，在模块化硬件结构的基础上，系统的灵活性可以不断优化，随着造船市场需求的显著扩大，相关成本和费用以及边际效用不断降低。在设计系统分析软件时，可以按照电气工程师使用PLC的习惯，以继电器梯形图符号语言为起点，不断提高用户编程的直观性。引入PLC后，现场控制只需布线和编程，支持了计算机技术的广泛应用，大大缩短了系统的开发周期。目前，PLC技术的开发和应用已日趋成熟，致力于超小型计算机的开发。多机并行处理技术的使用，充分优化了实时控制的速度和处理能力，加速了高级PLC语言的发展。PLC技术有效地将工业网络与生产计划管理的计算机系统连接起来，过程控制和生产计划的自动化特性变得越来越重要。

2 PLC工作流程

可编程逻辑控制器(PLC)是一种设计用于工业环境的电子控制系统[4]。本设备为通用工业控制设备。启动PLC系统后，首先进行初始化过程，检查I/O接口的连接是否符合设计图中的连接要求，检查电源状态，是否可靠接地等保护措施电源都到位，算法处理指令通过输出锁存器发送到I/O口，以刺激输出并控制外部负载。信号被I/O口捕获后，送到CPU寄存器区进行输入采样。

3 PLC技术在船舶辅机自动化控制中的具体应用

3.1 船舶辅机自动控制的基本要求

船舶辅机自动控制的基本原则是运行安全可靠，经济效益更加明显，有效节约能耗和维护成本。综合分析负荷变化，实现辅机的自动调整，主要目的是控制机械设备的蒸汽压力和温度，确保符合设备要求。还要控制机械设备的供油比，使燃油在适度的空气条件下完全燃烧，以达到节油的目的。这在环境问题日益严重的中国非常重要。

对于船舶辅机使用的锅炉，蒸汽质量不会太高，可以采用两级调节方式。因此，可以使用PLC进行功能调整，以保证质量调整的效果。对于锅炉系统给水的自动控制，需要结合锅炉功率、尺寸和质量控制的基本要求，科学合理地选择控制方法。选择模拟量控制功能强的PLC，无须增加新的控制单元即可达到定制化的目的，可有效降低成本，同时由于没有引入新的设备控制模块，整个系统系统的故障概率也减少了，进一步提高供水控制的有效性。值得注意的是，机舱内温度通常较高，振动特性明显。在航行条件下，干扰源很多，影响也更大。因此，对控制系统和内部组件提出了更高的要求。不断提高环保性能，同时明智地选择PLC型号，设计控制柜，在设计选型阶段充分考虑船舶未来的工作环境，将未来使用过程中出现问题的可能性降到最低。

3.2 实际操作功能

在传统的船用辅助机构自动化控制系统中，继电器主要用于控制断路器，以保证系统的安全运行[5]。但是，继电器中的连接点太多，很容易发生触电安全故障，对系统的安全构成极大的威胁，也损害了系统的可靠性。通过使用PLC，代替继电器，使用PLC来控制系统的开路，从而提高系统的安全性和可靠性。PLC在点控制中的使用大大简化了工作流程和操作员的工作量：操作员只需进行简单的PC端操作，PLC根据PC端输出相应的操作指令来控制点操作。在开关控制方面，采用PLC可以大大降低系统的故障率，为系统的安全可靠性提供有力保障。为数据支持编译船舶辅助机械的自动控制系统的故障排除。将PLC集成到船舶辅助机构的自动控制系统后，可以提高系统的智能化。PLC技术以计算机技术为基础，大大提高了船舶辅助机构自动控制系统的响应速度和效率。PLC主要利用系统软件以串行方式控制船舶的辅助机构。处理器是船舶辅助机构自动化控制系统的核心，它控制整个系统，可以根据处理器数据评估系统的运行状态。PLC的应用可以将用于评估系统运行状态的指标编入控制程序中，从而可以通过该技术直接评估系统的运行状态，而无需对系统处理器的数据进行采集和分析。大大简化了系统，评估工况的步骤也节省了大量的人力物力，随着PLC的应用，船舶辅助机构自动控制系统的智能化程度将逐步提高。

4 PLC在安全监控中的应用

本文通过船舶辅机PLC系统的应用研究，采取必要的保护措施，保证锅炉系统的安全运行。这个系统需要时间来初始化。通过分析系统初始化的输出功率曲线，可以得出系统在前6秒内没有功率的结论。但是，系统的监控功能在很大程度上依赖于PLC。如果PLC出现故障，不可避免地会导致很多问题。在设计软硬件时，应同时采用具有PLC自诊断功能和自诊断监控功能的相应PLC型号。它的组成包括一个脉冲发生器和一个比较器。当某个部位出现障碍物，系统可以重置重要起点，同时触发报警。在系统发生故障时，可以通过仿真来模拟模块内部状态的变化。

本文是通过两个标准脉冲串的比较原理实现的。PLC用户程序产生一个脉冲，根据程序设置发送到PLC系统的第一个模块，当连接到同一模块的输入点时，通过外部连接返回给PLC并输出脉冲使用用户程序设置到第二个模块。在这样反复的情况下，模块的基极输出点就可以从PLC软硬件中得到脉冲串，送到看门狗的输入端。有了充分的软硬件结合，I/O就可以有效地监控PLC系统。这种方法虽然在每个模块中使用两点建立硬件连接，但运行船舶辅机的成本并不明显。尽量避免看门狗中的脉冲发生器硬件出现故障；需要设计备用脉冲发生器并对其进行有效监控。调节锅炉供汽压力和燃料比重的基本原理：在锅炉系统启动前，预扫55s锅炉空气，防止点火时冷爆。55秒后点火。若在9.5秒内点火成功，锅炉将进入正常燃烧状态。在9.5秒内点火失败，锅炉将停止工作，同时发出声光报警信号，故障熄火指示灯亮，确保船用辅机的安全可靠运行，是实现其自动化的基础。与此同时，还可以节省能源，提高船舶运营的经济性，降低维修费用，满足系统控制要求。

4.3 安防监控应用

为保证船舶相关系统的安全运行，必须加强对系统的安全监控。通过分析系统的初始性能，可以得出系统在前4.5秒内没有性能的结论。诊断工具具有明显的独立性，是由比较器、脉冲发生器等组成的数字电路，软硬件有效结合，实现对PLC系统中微处理器、存储器和程序逻辑执行的实时监控。如果某个组件出现故障，请同时对系统进行复位，以确保起点的安全运行。本文针对船舶辅助电气常见故障诊断问题，开发了一套基于PLC的设备故障诊断系统。该系统分为三个主要部分：用户程序、辅助控制系统内核和PLC硬件。两个标准脉冲串主要用于实现系统的目的。第一个通道脉冲由PLC用户程序生成。程序设置好后，在每个模块中有两个用于创建硬件链接的通道。在船舶辅机的实际运行中起到监控与控制作用。为了有效控制设备的运行状态，需要开发后备脉冲发生器，以有效避免系统内部故障。

4.4 起重机三相异步电动机控制

本文介绍一种采用PLC技术实现三相异步电机控制的船用起重机。三相异步电机控制采用PLC技术，通过逻辑控制指令实现自动调速，电机控制开关正反转锁定。通过分析信号的特征向量，利用PLC的信号监测功能，对三相异步电动机的运行状态进行监测，及时诊断故障。

5 结束语

在船舶辅机的自动控制过程中，适当引入PLC技术可以使控制辅机的效果更加自动化、智能化。在突出PLC技术优势的同时，可全面提高辅机运行的安全性和控制精度，进一步提高大型船舶能效，降低单位航行能耗，满足国家节能减排要求目标。同时，可以进一步扩大PLC技术的应用范围，进一步推动现代造船业的发展。