電氣工程及其自動化畢業(yè)設計船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p>　　船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學生姓名 學號

2、 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　船舶柴油機冷卻水的溫度是影響柴油機性能的重要參數(shù)，過高或過低都對柴油

3、機的正常工作有不利影響。研究柴油機冷卻水的溫控系統(tǒng)有利于精確控制柴油機冷卻水的溫度，有利于柴油機的正常工作。</p><p>　　本設計共分為六大章節(jié)。緒論部分主要介紹本課題的背景和意義，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；第二章節(jié)是船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)的概述，包括其分類、組成以及工作原理；第三章節(jié)是船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的總體設計；第四章節(jié)是對系統(tǒng)的核心控制器—PLC的簡介與選型；第五章節(jié)是本設計的重點部分，整個系統(tǒng)的硬件設

4、計。本設計對硬件部分進行了詳細設計。整個硬件設計采用模塊化，按不同的功能分為不同的模塊。第六章節(jié)是系統(tǒng)的軟件設計部分。</p><p>　　本設計成功實現(xiàn)了對船舶柴油機冷卻水溫度的控制，具有良好的控制效果。但由于個人能力與實驗條件有限，也存在不完善的地方，有待改進。</p><p>　　[關鍵詞]：船舶柴油機；冷卻水；溫度控制；PLC</p><p><b&g

5、t;　　Abstract</b></p><p>　　Marine diesel engine cooling water temperature is the important parameters affect the engine performance is too high or too low, the normal work of diesel engine has adverse i

6、mpact. Study the cooling water temperature control system for diesel engine cooling water temperature precise control for diesel engine, the normal work.</p><p>　　This design is divided into six chapters. Th

7、e introduction of the main introduces the background and meaning of this topic, and domestic and foreign research situation; The second section is an overview of diesel engine cooling water system, including its classifi

8、cation, composition and working principle; The third section is Marine diesel engine cooling water temperature control design of the whole system; The fourth chapter is to the core of the system controller - PLC profile

9、and selection; T</p><p>　　The design for the successful implementation of diesel engine cooling water temperature control, has excellent control effect. But thanks to personal ability and the experimental co

10、nditions are limited, there are also drawbacks, needs to be improved.</p><p>　　Keywords: Marine Diesel Engine; Cooling Water; Temperature Control; PLC</p><p><b>　　目錄</b></p>&

11、lt;p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　第1章 緒 論2</b></p><p>　　1.1研究本課題的背景和意義2</p><p

12、>　　1.2國內(nèi)外船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　第2章 船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)概述4</p><p>　　2.1船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)的分類4</p><p>　　2.2船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)的組成4</p><p>　　2.3船舶柴油機中央冷卻水系統(tǒng)工作原理6</p><p>　

13、　第3章 船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的總體框架8</p><p>　　第4章 PLC的簡介與選型10</p><p>　　4.1 PLC簡介10</p><p>　　4.1.1 PLC的特點10</p><p>　　4.1.2 PLC的應用領域10</p><p>　　4.1.3 PLC的分類10</p

14、><p>　　4.1.4 PLC的硬件組成11</p><p>　　4.2 PLC的選型12</p><p>　　第5章 船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)硬件設計13</p><p>　　5.1系統(tǒng)電路原理圖13</p><p>　　5.2 溫度測量電路13</p><p>　　5.2.1溫度傳感

15、器的選擇13</p><p>　　5.2.2測溫電路14</p><p>　　5.3 A/D轉換及D/A轉換模塊14</p><p>　　5.4 通信電路15</p><p>　　5.5 報警電路16</p><p>　　5.6 執(zhí)行電路16</p><p>　　5.7 PLC的外圍

16、接線圖17</p><p>　　第6章 船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的軟件設計19</p><p><b>　　結論24</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　附錄2

17、6</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　船舶柴油機冷卻水的溫度是影響船舶柴油機正常工作的重要參數(shù)。冷卻水溫度過高或過低對其正常工作都有不利影響。柴油機冷卻水溫度過高會加速零件磨損，使得零件配合間隙被破壞，強度下降，還會使得氣缸內(nèi)充氣量減小，功率降低。柴油機冷卻水溫度過低也會加速零件磨損，導致輸出功率減少；使得熱損失增加，導

18、致燃料消耗量增大；還會使得汽缸溫度過低，使得汽缸壁受到腐蝕；同時會導致燃燒惡化，致使柴油機整機性能變壞。綜上可知，保證柴油機冷卻水的溫度在最佳工作范圍有利于提高柴油機的動力、減少廢氣產(chǎn)生、減少燃料消耗。因此，精確控制冷卻水的溫度具有重要意義。</p><p>　　船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)在20世紀取得了飛速發(fā)展，經(jīng)歷了直接作用式、氣動式、電動式和電子式的發(fā)展歷程。直接作用式方式是利用溫壓元件，將溫度信號轉換成壓力

19、信號，用壓力信號來控制冷卻水的溫度。該方式對溫壓元件的密封性要求很高。氣動式方式是利用感溫元件和溫度變送器將溫度信號轉轉為氣壓信號，然后用氣壓信號去控制冷卻水溫度。這種方式對運送和儲存氣體的管道的密閉性也有很高要求。電動式方式是利用感溫元件作為分壓器分壓，將溫度信號轉換為電壓信號，經(jīng)整定得出偏差信號，再經(jīng)過比例微分，輸出控制信號，進而控制冷卻水的溫度。這種方式采用的控制規(guī)律較為簡單。如使用PI控制，由于控制對象的慣性大，會出現(xiàn)較大超調(diào)量

20、，存在滯后，而采用PD控制，會出現(xiàn)較大靜態(tài)誤差。使系統(tǒng)長期偏離最佳工作點工作。同時，一旦系統(tǒng)的測控部分的電子元器件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的控制效果就會大打折扣。電子式方式是使用模擬儀表，經(jīng)過邏輯運算輸出控制信號，驅動繼電器，控制電動機轉向，從而控制冷卻水溫度。該方式采用的電子器件落后，電路復雜，性能不好。綜上可知，這些控制方式都已經(jīng)不能滿足日益提高的控制要求，必須采用新的控制方式。</p><p>　　由于基于PLC的控

21、制系統(tǒng)具有實時性、高可靠性、系統(tǒng)配置簡單靈活、控制系統(tǒng)采用模塊化結構、質(zhì)優(yōu)價廉、性價比高、安裝簡單、維修方便、可以在各種環(huán)境下直接運行等優(yōu)點，所以決定設計基于PLC的船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)。</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1研究本課題的背景和意義</p><p>　　21世紀是海洋的世紀，舟山是我

22、國唯一的群島型地級市，區(qū)域條件優(yōu)越，海洋資源豐富。并且，“十二五”提出重點推進浙江舟山群島新區(qū)等區(qū)域發(fā)展。舟山的發(fā)展機遇已經(jīng)來臨。舟山，必將發(fā)揮港口和海洋資源優(yōu)勢，建設以臨港工業(yè)、港口物流、海洋漁業(yè)等為重點的海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地。舟山海洋經(jīng)濟必將飛速發(fā)展。</p><p>　　而這一切都將依賴于不可或缺的交通工具——船舶。而柴油機作為船舶的的動力系統(tǒng)的主要構成部件，其性能就是重中之重。船舶柴油機冷卻水的溫度是影響船舶

23、柴油機正常工作的重要參數(shù)。冷卻水溫度過高或過低對其正常工作都有不利影響。所以控制冷卻水的溫度就顯得尤為重要。</p><p>　　隨著時代的變遷，技術的發(fā)展，人們對船舶的要求越來越高，隨之而來的，人們對柴油機的性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的柴油機冷卻水溫控技術已經(jīng)越來越無法滿足要求。研究出更高效的溫控技術已經(jīng)迫在眉睫。</p><p>　　隨著電子技術的不斷發(fā)展，自動控制技術開始出現(xiàn)并迅速發(fā)展

24、，日新月異，而且很快的被廣泛應用于人們生活的方方面面。這為船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的自動化和智能化提供了技術前提。</p><p>　　本課題以中央冷卻水系統(tǒng)為模型，主要研究基于PLC的船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)主要包括智能控制。智能控制使得系統(tǒng)工作更為快速、高效。冷卻水溫控系統(tǒng)的智能控制是船舶智能控制的重要組成部分。研究冷卻水溫控系統(tǒng)的智能控制對于實現(xiàn)更安全高效的船舶智能控制有著重要意義。有利于船舶的

25、安全、穩(wěn)定運行。</p><p>　　1.2國內(nèi)外船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　船舶柴油機冷卻水的溫控技術在20世紀時得到了飛速的發(fā)展，其發(fā)展歷程如下：</p><p>　　1．直接作用式控制方式</p><p>　　20世紀50年代末，船舶柴油機冷卻水的溫控系統(tǒng)采用直接作用式控制方式。它是一種早期的反饋式控制方式。

26、直接作用式控制方式是將測控元件安裝在冷卻水管路中，在測控元件內(nèi)部充注工作介質(zhì)，該介質(zhì)隨溫度的變化成比例的產(chǎn)生壓力，再由這個力來驅動三通調(diào)節(jié)閥，改變淡水流量，實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，所以直接作用方式不需要外加能源。 </p><p>　　但是這種方式存在很大缺陷，由于整個控制系統(tǒng)的最重要環(huán)節(jié)就是介質(zhì)產(chǎn)生壓力，所以對測控元件的密封性要求很高，一旦測控元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)發(fā)生泄漏，那么工作介質(zhì)的壓力就不能正常的隨溫度的變化而變化

27、，無法正?？刂评鋮s水溫度。而且該控制方式的控制精度低，不能對冷卻水溫度進行精確的控制和調(diào)節(jié)，會對柴油機的正常運行產(chǎn)生不利的影響。</p><p><b>　　2．氣動式控制方式</b></p><p>　　20世紀70年代末，船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)采用氣動式控制方式。這種控制方式利用感溫元件采集冷卻水的溫度信號，再通過溫度變送器將溫度信號的變化成比例地轉換成氣壓信號

28、的變化送至調(diào)節(jié)器，與整定的信號進行對比，得出偏差信號，經(jīng)過調(diào)節(jié)作用規(guī)律運算，成為調(diào)節(jié)器輸出的控制氣壓信號去調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。</p><p>　　這種控制方式仍然存在缺陷，系統(tǒng)對氣體的壓力和密封性有很高要求，一旦控制氣壓信號出現(xiàn)損失，控制精度就會降低，效果變差。因此，這種控制方式現(xiàn)在也很少采用了。 </p><p><b>　　3．電動式控制方式</b></p&

29、gt;<p>　　20世紀80年代中期，船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)采用電動式作用方式。這也是現(xiàn)今遠洋船舶上主要采用的溫控方式。它的作用方法是，利用安裝在船舶柴油機氣缸冷卻水進、出口的感溫元件——通常采用電阻數(shù)值與溫度變化在一定范圍內(nèi)成線性變化的熱敏電阻作為測溫元件，經(jīng)分壓器分壓把冷卻水溫度成比例地轉換為電壓信號，這個電壓信號與給定的電壓信號相比較得到偏差信號，再經(jīng)過比例微分作用，輸出一個控制信號，并將此控制信號送至脈沖寬度調(diào)

30、制器，將連續(xù)的控制信號變成斷續(xù)的脈沖信號去調(diào)節(jié)冷卻水溫度。</p><p>　　采用電動式控制方式的冷卻水溫控系統(tǒng)的控制精度和效果可以在一定程度上滿足現(xiàn)今遠洋船舶的要求，但是它仍然存在缺陷。首先，這類冷卻水溫控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用的是較為簡單的比例微分（PD）控制規(guī)律或者比例積分（PI）控制規(guī)律。若采用PI控制，由于冷卻水溫度具有較大慣性，會因為缺乏超前的控制作用而產(chǎn)生較大的超調(diào)量，使得系統(tǒng)的動態(tài)特性較差。而且在改變

31、三通閥門的開度以后，冷卻水的流量隨之改變，溫度也隨之改變，但溫度傳感器不能迅速做出反映，不能及時反映出調(diào)節(jié)的結果，存在滯后性，很難得到滿意的控制效果；若采用PD控制則會出現(xiàn)靜態(tài)誤差，使得系統(tǒng)長時間偏離最佳工作點。其次，這種控制系統(tǒng)的測控部分，大多是采用一些電子元器件進行邏輯運算和輸出，一旦邏輯輸出部分的機械部件出現(xiàn)故障，如電路板損壞，甚至是一個電阻或電容等小的元件出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)就會出現(xiàn)故障，導致船舶柴油機冷卻的效果變差。無法達到理

32、想的控制效果。 </p><p>　　第2章 船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)概述</p><p>　　船舶冷卻系統(tǒng)的作用就是利用海水或者淡水冷卻船舶主機、副機系統(tǒng)做功后產(chǎn)生過多熱量，防止設備因為溫度過高導致不能工作或者損壞的一個管系。</p><p>　　2.1船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)的分類</p><p>　　船舶冷卻系統(tǒng)作為船舶重要的動力系統(tǒng)之一，隨著

33、材料、工藝以及控制技術的進步，發(fā)展過程大體上經(jīng)過以下三個階段：</p><p>　　1.開式海水冷卻系統(tǒng)</p><p>　　開式海水冷卻系統(tǒng)是利用海水來冷卻需要冷卻的設備的系統(tǒng)。因為海水的腐蝕性很大，如果直接進入設備會減少設備的使用壽命，所以一般的船舶都是采用熱交換的方式，即先用海水冷卻淡水，再用淡水冷卻需要冷卻的設備，通過這種方法達到冷卻需要冷卻的設備的目的。</p>&

34、lt;p>　　2.閉式淡水冷卻系統(tǒng)</p><p>　　閉式淡水冷卻系統(tǒng)是利用船舶淡水艙或設備自備的淡水來冷卻需要冷卻的設備的管系。它的優(yōu)點是腐蝕性小，管路清潔；缺點是遠洋船舶的淡水儲備有時候不夠用，所以有時候要和海水冷卻系統(tǒng)結合交替工作。</p><p><b>　　3.中央冷卻水系統(tǒng)</b></p><p>　　中央冷卻系統(tǒng)的海水管路

35、和淡水管路是分開的。淡水管路的腐蝕性小，而且管路清潔，管理成本低，系統(tǒng)的工作可靠性強；高、低溫淡水回路被分別用于冷卻不同的船舶設備，增強了系統(tǒng)的適應性，提高了設備的工作性能。由于以上的突出優(yōu)點，當前新造的船舶大多采用中央冷卻水系統(tǒng)。</p><p>　　船舶冷卻水溫控系統(tǒng)的主要任務是保證冷卻水的溫度穩(wěn)定。由于熱負荷在不斷變化，因此要求控制系統(tǒng)能自動控制執(zhí)行機構的運轉，以保證冷卻水溫度的穩(wěn)定。目前，船舶冷卻水溫控系

36、統(tǒng)普遍存在兩個問題：1）能耗大；2）由于執(zhí)行機構的頻繁動作，導致磨損大，而且溫度不穩(wěn)定。控制系統(tǒng)首先檢測海水、淡水的溫度變化，然后通過比例積分來控制調(diào)節(jié)閥的動作，從而改變流經(jīng)中央冷卻器的旁通量，進而實現(xiàn)對低溫淡水冷卻水的溫度控制。系統(tǒng)設置了四種海水流量，而實際的海水流量由控制系統(tǒng)在這四種之間選擇。其目的是控制進入系統(tǒng)的海水水量，使其不至于過剩，從而保證中央冷卻器的熱交換效率，最大程度的節(jié)約能源，并且實現(xiàn)海水流量的優(yōu)化控制。</p&

37、gt;<p>　　2.2船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)的組成</p><p>　　根據(jù)冷卻水是淡水還是海水，冷卻系統(tǒng)分為3種，其分類和系統(tǒng)組成如下：</p><p>　　1.海水冷卻系統(tǒng)：海水冷卻系統(tǒng)由海底閥門、海水總管、海水泵、海水輸送管、控制閥門、機帶海水泵、排舷外管組成。 </p><p>　　2.淡水冷卻系統(tǒng)：淡水冷卻系統(tǒng)由淡水艙、淡水泵、淡水輸送管、控

38、制閥門、機帶淡水泵、排舷外管組成。 </p><p>　　3.中央冷卻系統(tǒng)：中央冷卻系統(tǒng)由海水管路、淡水管路、調(diào)節(jié)閥、中央冷卻器組成。</p><p>　　由于本設計主要研究基于中央冷卻系統(tǒng)的冷卻水溫控系統(tǒng)，下面將對中央冷卻系統(tǒng)進行詳細介紹。</p><p>　　目前，船舶中央冷卻系統(tǒng)有兩種基本方式被廣泛應用，它們分別是：混流式中央冷卻系統(tǒng)(如圖2.1)和獨立式中央

39、冷卻系統(tǒng)(如圖2. 2)。</p><p>　　圖2. 1混流式中央冷卻水系統(tǒng)</p><p>　　圖2. 2獨立式中央冷卻水系統(tǒng)</p><p>　　混流式冷卻水系統(tǒng)采用低溫水和高溫水混合的方式來調(diào)節(jié)參數(shù)。該冷卻方式通過混合閥將低溫淡水和高溫淡水聯(lián)通?；旌祥y通過控制進入高溫淡水系統(tǒng)的低溫淡水的流量來滿足高溫淡水的溫度要求，然后混合后的淡水與海水在中央冷卻器中進行熱

40、交換，中央冷卻器中的海水將淡水的熱量帶走。因此，混流式中央冷卻水系統(tǒng)僅有一個和海水直接接觸的冷卻器。</p><p>　　獨立式中央冷卻水系統(tǒng)中的海水和高溫淡水的熱交換場所是缸套水冷卻器，海水和低溫淡水的熱交換場所是中央冷卻器。每套系統(tǒng)包含兩套用海水冷卻的獨立的冷卻器。在獨立式中央冷卻水系統(tǒng)中，可以用低溫淡水冷卻高溫淡水熱交換器，也可以用海水冷卻高溫淡水熱交換器。</p><p>　　2.

41、3船舶柴油機中央冷卻水系統(tǒng)工作原理</p><p>　　現(xiàn)代遠洋船舶大多采用中央冷卻系統(tǒng)，絕大多數(shù)是通過船舷外的海水泵輸入海水進入中央冷卻系統(tǒng)，用來冷卻低溫回路中的低溫淡水。冷卻后的海水被排除舷外，而被冷卻后的淡水再通過淡水泵進入淡水冷卻器，與用來冷卻船舶主柴油機氣缸套和氣缸蓋的高溫淡水進行熱交換。該冷卻系統(tǒng)有兩個冷卻水回路：一個是低溫回路，就是由舷外海水來冷卻低溫淡水的回路；另一個是高溫回路，就是由低溫回路中冷

42、卻后的淡水來冷卻高溫淡水的回路。船舶中央冷卻系統(tǒng)簡化框圖如圖2.3所示。在這種柴油機中央冷卻系統(tǒng)中，由于海水不直接接觸船舶柴油機的各種零部件，避免了海水腐蝕，提高了設備和系統(tǒng)的可靠性、安全性以及設備使用壽命。本設計主要研究高溫冷卻水回路的溫控系統(tǒng)，由于低溫冷卻水回路的溫控系統(tǒng)與高溫冷卻水回路的溫控系統(tǒng)基本相似，故不再作介紹。</p><p>　　圖2.3船舶中央冷卻系統(tǒng)簡化框圖</p><p&

43、gt;　　第3章 船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的總體框架</p><p>　　船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)組成部分包括：計算機（上位機）、打印機、PLC控制器（下位機）、溫度傳感器，以及執(zhí)行機構等。系統(tǒng)的整體結構簡圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1系統(tǒng)的整體結構簡圖</p><p>　　整個控制系統(tǒng)由溫度傳感器測量，采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉換，輸入PLC控制器

44、，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出控制信號控制執(zhí)行機構，控制冷卻水的溫度。與此同時，PLC將數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳給上位機，用于記錄，監(jiān)控。</p><p>　　下面對系統(tǒng)的各部分進行簡單的介紹：</p><p><b>　　1.PLC控制器</b></p><p>　　PLC控制器是控制系統(tǒng)的核心組成部分，通過內(nèi)置的控制模塊，獲取由溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，

45、經(jīng)過處理，輸出控制信號，控制執(zhí)行機構，進而控制冷卻水的溫度。</p><p><b>　　2.溫度傳感器</b></p><p>　　溫度傳感器是系統(tǒng)的又一重要組成部分，要實現(xiàn)對冷卻水溫度的精確控制，就要保證對冷卻水溫度的精確測量。本系統(tǒng)采用具有良好性能的鉑熱電阻Pt100作為測溫元件，用來測量冷卻水的溫度。溫度傳感器主要安裝在柴油機主機冷卻水的進口以及中央冷卻系統(tǒng)海

46、水冷卻水的進口。PLC采集的是這兩個點的冷卻水溫度的實際數(shù)值，然后與該點的設定溫度數(shù)值進行比較，再輸出控制信號。</p><p>　　3.計算機控制中心（上位機）和打印機</p><p>　　計算機控制中心和打印機主要是對PLC上傳的數(shù)據(jù)進行備份，分析，并對PLC的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。</p><p><b>　　4.執(zhí)行機構</b></p

47、><p>　　執(zhí)行機構主要包括控制繼電器、三相交流電機、水泵和閥門，整個執(zhí)行過程是利用繼電器接受PLC發(fā)出的控制指令，控制三相伺服交流電動機的運轉，帶動三通閥門的轉動，改變?nèi)ㄩy門的開度，調(diào)節(jié)冷卻水的流量，進而調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。</p><p>　　上述是系統(tǒng)的各主要部分，還有一些其他相關情況介紹如下。</p><p><b>　　1.測量點的選擇</b

48、></p><p>　　在實際工作中，冷卻水回路中各個點的溫度不可能一致，也不可能對各個點的溫度進行精確控制，所以只能選擇重要的點的溫度作為參考點，進行精確控制。本系統(tǒng)選取了柴油機主機冷卻水進口的冷卻水溫度作為高溫淡水冷卻回路的控制對象，海水冷卻水進口的水溫作為低溫淡水冷卻回路的控制對象。</p><p><b>　　2.信號的轉換</b></p>

49、<p>　　由溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的模擬信號，而PLC只能處理數(shù)字信號，因此，需要對溫度信號進行模數(shù)轉換。本系統(tǒng)使用的是PLC自帶的A/D轉換模塊。</p><p><b>　　3.報警功能</b></p><p>　　本系統(tǒng)設定了一個冷卻水溫度的正常波動范圍，一旦冷卻水溫度高于所設定的冷去水溫度的上限或低于所設定的冷卻水溫度的下限，系統(tǒng)就會

50、報警，方便工作人員進行處理。</p><p>　　第4章 PLC的簡介與選型</p><p>　　PLC是一種電子系統(tǒng)，通過數(shù)字運算來操作，被設計來應用于工業(yè)控制。它采用一類可編程的存儲器，在存儲器內(nèi)部可以存儲程序以及各種指令，通過模擬式或者數(shù)字式的輸入和輸出來控制負載，從而控制整個生產(chǎn)過程。</p><p><b>　　4.1 PLC簡介</b&g

51、t;</p><p>　　4.1.1 PLC的特點</p><p>　　PLC在工業(yè)控制中占有極其重要的作用。與現(xiàn)有的控制方式相比，它具有以下優(yōu)點：</p><p><b>　　1.可靠性高</b></p><p>　　2.控制程序可變，具有很好的柔性</p><p>　　3.編程方法簡單易學&l

52、t;/p><p>　　4.功能強，性價比高</p><p>　　5.體積小，重量輕，能耗低</p><p>　　4.1.2 PLC的應用領域</p><p>　　由于上述優(yōu)點，PLC在工業(yè)中廣泛應用，其主要的應用領域如下：</p><p><b>　　1.開關量邏輯控制</b></p>

53、<p><b>　　2.運動控制</b></p><p><b>　　3.過程控制</b></p><p><b>　　4.數(shù)據(jù)處理</b></p><p><b>　　5.通信聯(lián)網(wǎng)</b></p><p>　　4.1.3 PLC的分類</

54、p><p>　　1.按I/O點數(shù)和存儲器容量分類</p><p>　　（1）小型PLC。I/O點數(shù)在256點以下，用戶程序存儲器容量在2K步以下。</p><p>　?。?）中型PLC。I/O點數(shù)在256～2048點之間，用戶程序存儲器容量在2～8K步之間。</p><p>　?。?）大型PLC。I/O點數(shù)在2048點以上，用戶程序存儲器容量在8

55、K步以上。</p><p><b>　　2.按結構形式分類</b></p><p>　　（1）整體式PLC，又稱單元式或箱體式PLC，是使用最普遍的一種形式的PLC。他將電</p><p>　　源、CPU、I/O模塊以及寄存器都集中在一個機殼內(nèi)，通常稱之為基本單元。它結構緊湊，體積小，價格低。小型PLC多采用這種結構。</p>&

56、lt;p>　?。?）模塊式PLC，又稱積木式PLC。它將PLC的各個組成部分按功能不同分為不同的模塊，然后安裝在同一塊基板或框架上。它配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。中型PLC多采用這種結構。</p><p>　　（3）疊裝式PLC，它將整體式結構緊湊和模塊式配置靈活的特點結合起來，模塊與模塊之間用電纜連接，各模塊可以一層一層的疊裝。</p><p><b>　　3.按

57、功能分類</b></p><p>　　（1）低檔機，具有邏輯運算、計時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，主要用于順序控制、邏輯控制或少量模擬量控制。</p><p>　　（2）中檔機，除具有低檔機的功能外，還具有較強的模擬量處理、數(shù)值運算、數(shù)值的比較與傳送、遠程I/O及聯(lián)網(wǎng)通信等功能。有些還新增中斷控制，PID控制等功能，適用于復雜的控制系統(tǒng)。</p>&l

58、t;p>　?。?）高檔機，除具有中檔機的功能外，增設有帶符號的算術運算，矩陣運算、位邏輯運算及其他特殊運算功能。高檔機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于遠程大規(guī)模過程控制，構成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。</p><p>　　4.1.4 PLC的硬件組成</p><p>　　PLC的硬件組成由CPU、存儲器、I/O接口電路、電源、擴展接口、外設接口及編程器組成。如圖4.1所示為P

59、LC的硬件框圖。</p><p>　　圖4.1 PLC的硬件框圖</p><p><b>　　1.微處理器</b></p><p>　　CPU是PLC的核心組成部分，他通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器、I/O接</p><p>　　口等連接，起到神經(jīng)中樞的作用，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。</p><p&g

60、t;<b>　　2.存儲器</b></p><p>　　PLC的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器用來存儲系統(tǒng)工作程序，決定PLC的基本功能。用戶程序存儲器用來存儲從編程器或計算機寫入的數(shù)據(jù)和用戶程序。</p><p><b>　　3.I/O接口電路</b></p><p>　?。?）輸入接口電路。該

61、電路是用來和輸入設備連接，保證外部數(shù)據(jù)正常輸入。其內(nèi)部</p><p>　　電路分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路。</p><p>　　（2）輸出接口電路。該電路是用來與負載相連接，從而控制負載運行。其輸出方式有</p><p>　　繼電器輸出方式，晶體管輸出方式和晶閘管輸出方式。</p><p><b>　　4.電源

62、</b></p><p>　　根據(jù)型號不同，PLC采用交流和直流兩種電源。交流一般為單相220V，直流一般為24V，</p><p>　　其波動范圍為-15%～+10%。</p><p><b>　　5.編程器</b></p><p>　　編程器由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關以及外存插口組成，是PLC的重要

63、外部設備。分為簡易編程器和圖形編程器。簡易編程器只能編寫指令程序，圖形編程器可以編寫梯形圖程序，并監(jiān)控程序的運行狀況。 </p><p>　　4.2 PLC的選型</p><p>　　本設計中PLC的主要功能是分析并處理獲得的溫度數(shù)據(jù)，并驅動執(zhí)行機構，控制冷卻水溫度。在完成這一功能的過程中，需要涉及到模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換以及數(shù)字信號與模擬信號之間的轉換，還有PLC與計算機之間的通信

64、，以及報警，顯示冷卻水溫度。為了完成這些功能，達到控制目的，選擇合適的PLC就尤為重要。</p><p>　　基于以上原因，本設計選取了三菱公司的FX2N系列PLC。該系列指令執(zhí)行時間為8us；具有27條基本指令、2條步進指令以及128種功能指令；有3072點輔助繼電器、1000點狀態(tài)繼電器、256點定時器、235點計數(shù)器、8000多點16位數(shù)據(jù)寄存器、128點跳步指針和15點中斷指針；內(nèi)附8K步RAM，最大可達

65、16K步，最大可擴展256個I/O點。同時具有大量的擴展單元和擴展模塊。完全可以完成本設計的諸多功能。</p><p>　　第5章 船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　在船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的硬件設計部分，采用了模塊化的設計方式，將整個硬件部分按照各自不同的功能，將其分為不同的模塊，然后再連接起來，構成一個整體，最終形成整個硬件系統(tǒng)。</p><p

66、>　　5.1系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　溫控系統(tǒng)電路結構原理圖如圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1 電路結構原理圖</p><p>　　5.2 溫度測量電路</p><p>　　5.2.1溫度傳感器的選擇</p><p>　　本設計采用的溫度傳感器是熱電阻Pt100，它的阻值跟溫度的變化成正比。

67、它的工業(yè)原理是：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長。Pt100是一種被廣泛應用的測溫元件，在-50～650℃范圍內(nèi)具有其他測溫元件無可比擬的優(yōu)勢，包括精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。Pt100電阻的阻值與溫度變化的關系可近似用下式表示為：</p><p><b>　　（5-1）</b></p><p>　　式中R0、

68、Rt分別為0℃和t℃時的電阻值，系數(shù)A=3.90802×10-3/℃，B=-5.082×10-7/℃。</p><p>　　除此之外，它還具有以下特點：</p><p>　　1.有足夠高而且足夠穩(wěn)定的溫度系數(shù)以及足夠大的電阻率，提高了測量的靈敏度，同時也保證了測量的精確度；</p><p>　　2.具有良好的輸出特性，即電阻值近似的隨溫度的變化而

69、線性變化；</p><p>　　3.在一定的溫度范圍內(nèi)，它的物理特性和化學特性能夠保持穩(wěn)定；</p><p>　　4.工藝性良好，生產(chǎn)方便，價格也便宜，性價比高。</p><p><b>　　5.2.2測溫電路</b></p><p>　　由于PT100的各種優(yōu)點，設計了以它為傳感器的測溫電路。但是在實際應用中，由于導線

70、電阻和環(huán)境溫度都會影響測量的精度，為了彌補這個缺陷，采用了“三線制”接法。由熱電阻Pt100作為溫度傳感器，和相應的電阻一起構成電橋，再與運算放大器相結合構成測量電路，再經(jīng)過整流后輸出測量結果。其電路結構如圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 溫度測量電路</p><p>　　在上圖中，由電阻RS作為限流電阻，保證電流不會太大。再采用穩(wěn)壓二極管TL431和可調(diào)電阻VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生的參

71、考電壓。采用R1、R2、VR2、Pt100構成測量電橋（其中R1=R2，VR2為精密電阻），當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相同時，電橋輸出一個壓差信號。運算放大器LM324先對這個壓差信號放大，然后輸出一個我們希望的輸出信號，這個信號是模擬信號，它直接通過A/D轉換模塊轉換成PLC可以處理的數(shù)字信號。差動放大電路中R3=R4、R5=R6、放大倍數(shù)為R5/R3。運算放大器采用單一5V電源供電。</p><p&g

72、t;　　理論上，運算放大器的輸出電壓=輸入的壓差信號×放大倍數(shù)，但是，在實際的工作電路中，實際的壓差信號小于其理論值，因此，實際的輸出信號的大小為：</p><p><b>　　（5-2）</b></p><p>　　式5-2中U1：實際的輸出電壓，U2：參考電壓。電阻值以電路工作時量取的電阻值為準。</p><p>　　5.3 A/

73、D轉換及D/A轉換模塊</p><p>　　本設計使用的A/D轉換模塊是PT-100型溫度傳感器專用模擬量輸入模塊FX2N-4AD-PT。該模塊供三線式鉑電阻PT-100用，有12位4通道，它里面有溫度變送器和模擬量輸入電路，對傳感器的非線性進行了校正。額定溫度范圍為-100～+600℃.本設計中用它將來自溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)放大，并轉換成12位的可讀數(shù)據(jù)，攝氏溫度和華氏溫度數(shù)據(jù)都可讀取。所有數(shù)據(jù)和參數(shù)設置都可以

74、用軟件來調(diào)整。占用8個輸入輸出點。其性能指標如表5.1所示：</p><p><b>　　表5.1性能指標</b></p><p>　　D/A轉換模塊采用的是FX2N-4DA.該模塊有12位4通道，輸出量程為DC-10V～+10V和4～20mA.本設計通過它將數(shù)字量轉換成模擬量來控制伺服電動機。</p><p><b>　　5.4 通

75、信電路</b></p><p>　　為了保證系統(tǒng)正常工作，通信電路的選擇必須滿足以下要求：</p><p>　　1．可靠性?？煽啃允谴型ㄐ抛罨尽⒁彩亲钪匾脑瓌t之一。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令不允許有誤是串行通信最基本的要求。</p><p>　　2．通信速度及通信距離。</p><p>　　3．通道的抗干擾能力。</p>

76、<p>　　基于以上要求，本設計選擇了RS-232C通信模塊來完成PLC與計算機之間的通信。RS-232C的傳輸距離為15m，最大傳輸速率為19200bit/s，同時具有很好的可靠性和抗干擾能力，完全滿足要求。其性能指標入表5.2所示：</p><p>　　表5.2通信模塊的行能指標</p><p><b>　　5.5 報警電路</b></p>

77、<p>　　為了確保系統(tǒng)的安全運行，本系統(tǒng)設定了一個冷卻水溫度的正常波動范圍，一旦冷卻水溫度高于所設定的冷卻水溫度得上限或低于所設定的冷卻水溫度的下限，系統(tǒng)就會報警。方便工作人員進行處理。如圖5.3所示：</p><p>　　圖5.3 上、下限報警判斷</p><p>　　本系統(tǒng)設定的冷卻水溫度標準值為T標=60℃，正常波動范圍為±5℃，即溫度上限T上=T標+5=6

78、5℃，溫度下限T下=T標-5=55℃。當實際溫度值高于上限值或者低于下限值系統(tǒng)就會自動報警。</p><p><b>　　5.6 執(zhí)行電路</b></p><p>　　本設計的執(zhí)行電路是用三相交流電動機帶動閥門，當電動機正轉時，閥門開度增大，冷卻水流量增大，溫度降低；當電動機反轉時，閥門開度減小，冷卻水流量減小，溫度升高。電動機的正、反轉電路圖如圖5.4所示。<

79、/p><p>　　在正常工作時，先閉合低壓斷路器QF，繼電器KM3的常閉觸點閉合。當冷卻水的實際溫度值高于設定的溫度時，PLC控制繼電器KM1常開觸點閉合，繼電器KM2常開觸點斷開，電路接通，電動機正傳，閥門開度增大，冷卻水流量增大，溫度降低；當實際溫度低于設定溫度時，PLC控制繼電器KM1常開觸點斷開，繼電器KM2常開觸點閉合，電路接通，電動機反轉，閥門開度減小，冷卻水流量減小，溫度升高。當實際溫度值等于設定溫度時

80、，PLC控制繼電器KM3常閉觸點斷開，電路斷電，電動機停止，閥門開度不變，冷卻水流量不變，溫度恒定。圖中低壓斷路器QF和熱繼電器FR起保護作用。</p><p>　　圖5.4 電動機正、反轉主電路圖</p><p>　　5.7 PLC的外圍接線圖</p><p>　　本次設計一共使用了8個I/O點，包括3個輸入點和5個輸出點，其分配表如表5.3所示：</p&g

81、t;<p>　　表5.3 I/O分配表</p><p>　　圖5.5 PLC的外圍接線圖</p><p>　　如圖所示：系統(tǒng)工作時，溫度傳感器測得溫度數(shù)據(jù)，進過模擬量輸入模塊FX2N-4AD-PT轉換為數(shù)字信號，再經(jīng)由輸入端子X0和X1分別輸入PLC，經(jīng)過PLC處理、比較判斷后，經(jīng)過輸出端子Y0、Y1、Y2分別控制繼電器KM1、KM2、KM3，使執(zhí)行機構分別執(zhí)行相應的動作，控

82、制冷卻水的溫度。如果冷卻水的溫度超過設定的上、下限，PLC將通過輸出端子Y3、Y4分別控制指示燈和蜂鳴器同時進行聲光報警。當工作人員按下按鈕SB1后，通過輸入端子X2輸入信號，經(jīng)PLC處理，再次通過輸出端子Y3、Y4分別控制指示燈和蜂鳴器，解除聲光報警。</p><p>　　第6章 船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的軟件設計部分與硬件部分一樣

83、，同樣采用了模塊化設計，分為主程序模塊，參數(shù)設置程序模塊以及運行程序模塊。其框圖分別如下：</p><p>　　圖6.1 主程序模塊框圖</p><p>　　圖6.2 參數(shù)設置程序模塊框圖</p><p>　　圖6.3運行程序模塊框圖</p><p>　　由圖6.1可知，主程序流程為：</p><p>　　1.判斷系統(tǒng)

84、是否啟動。檢測啟/停開關M0.0是否為1。若是，則控制系統(tǒng)啟動。若不是，控制系統(tǒng)不啟動。</p><p>　　2.系統(tǒng)初始化。整個系統(tǒng)進行初始化，導入初始數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.進入?yún)?shù)設置頁面，在此頁面中進行參數(shù)設置。</p><p>　　4.系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)。此狀態(tài)下，系統(tǒng)按要求進行自動控制，保證船舶柴油機冷缺水溫控系統(tǒng)正常運行。其流程圖如下：<

85、;/p><p>　　圖6.4 主程序流程圖</p><p>　　由圖6.3可知：運行子程序流程為：</p><p><b>　　1.獲取溫度數(shù)據(jù)。</b></p><p>　　2對數(shù)據(jù)進行處理，運算。</p><p>　　3.將數(shù)據(jù)轉換為溫度值，輸出。</p><p>　　4.

86、將實際溫度與設定溫度比較，是否越限。不是，測繼續(xù)運行。是，則報警。驅動執(zhí)行機構。其流程圖如圖6.5所示。</p><p>　　圖6.5 運行子程序流程圖</p><p>　　測量主柴油機冷卻水溫度的傳感器和測量低溫淡水冷卻水溫度的傳感器分別測量兩處的冷卻水溫度，然后分別經(jīng)過輸入端子X0和X1輸入PLC，經(jīng)過PLC處理后，分別存在計數(shù)器C10、定時器T1和計數(shù)器C11、定時器T2。然后，這些

87、數(shù)據(jù)分別與 設定的標準溫度比較，控制電動機運轉；同時也與設定的上、下限溫度比較，控制指示燈和蜂鳴器。其程序如下所示：</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本人在閱讀了大量的有關船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的資料后，再結合自己對該系統(tǒng)的認知，對船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)進行了研究和設計?；仡櫿麄€設計歷程，主要研究內(nèi)容和收獲如下：</p>

88、<p>　　1.清楚了研究船舶柴油機冷卻水溫控系統(tǒng)的重要意義。了解了國內(nèi)外的研究動態(tài)，詳細介紹了船舶柴油機冷卻水溫控技術的發(fā)展歷程，各個不同時期所采用的溫控方式以及他們的優(yōu)點和缺陷。</p><p>　　2.掌握了船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，特別是中央冷卻水系統(tǒng)的基本工作原理。了解了船舶柴油機冷卻水溫度對柴油機正常工作的影響。</p><p>　　3.對本設計中的最核心的P

89、LC控制器有了較為全面的了解。</p><p>　　4.對系統(tǒng)的軟硬件部分進行了仔細的研究和設計。</p><p>　　但由于個人能力有限，本設計仍然有許多不完善的地方，主要有：</p><p>　　1.在測溫電路中雖然采用了三線式接法，并且使用了FX2N-4AD-PT模數(shù)轉換模塊，對測量數(shù)據(jù)進行了偏差補償，但測量結果仍然不夠精確，存在誤差。</p>

90、<p>　　2.由于實驗條件有限，研究和設計都停留在理論層面，沒能通過實踐找出存在的不完善的地方。</p><p>　　3.整個硬件系統(tǒng)的設計也有不完善的的地方，只是單一的實現(xiàn)了冷卻水溫度的控制，還有一些可能影響到控制效果的其他因素沒有來的及研究。</p><p>　　4.軟件設計部分也有不完善之處，有很多功能沒有涉及到。還需要更多的研究使整個系統(tǒng)更完善。</p>

91、<p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1]WU Gui-tao, YIN Feng, SUN Pei-ting.Study on the Methods of Fulfilling Variable Flow Rate of Cooling water for Low Speed Diesel Engine.現(xiàn)代船機維修技術，2005；285-289<

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