基于PLC控制的船舶锅炉监控系统设计【毕业论文】.docx

1、本科毕业设计基于PLC控制的船舶锅炉监控系统设计摘要在远洋船队中，无论是蒸汽动力船舶上的主锅炉还是柴油机动力船舶上的辅助锅炉，其 工作过程均已全部或部分地实现了自动控制。尤其是柴油机动力装置船舶上的辅助锅炉，其 自动化技术的发展更为迅速，经过不断地变革和更新，日趋先进和完善，装置系统大多定型 化。船用锅炉的自动控制是实现无人机舱控制的重要组成部分。利用PLC控制系统来代替原 本一直以来的接触器控制系统，已经是成为目前的船舶锅炉自动化的发展方向。PLC的自动化, 解决了以前接触器控制系统的一些产生的毛病，如原本接线复杂，抗干扰能力差，容易造成 误动作的等缺点。船舶锅炉的任务是供应负荷设备所需要的

2、一定参数的蒸汽，如主机暖缸、 加热燃油、加热滑油、驱动其他辅助机械以及生活杂用等。同时保证本事运行的安全性和经 济性。可编程序控制器PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继 电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点， 充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯。本文利用PLC的控制技术对船舶锅炉的蒸汽压力系统、锅炉保护系统、水位系统、点火 时序系统、进行全方位的自动控制。关键字：船舶锅炉；自动控制；可编程序控制器PLCAbstractIn distant-water fleet. Both the main

3、boiler of steam-powered ships are diesel powered ship auxiliary boiler, its work has been to achieve automatic control in whole or in part. Especially diesel power plant on the ships auxiliary boiler, automation technologies develop faster, after constantly changes and updates that the increasingly

4、advanced and complete, appliance system most stereotyped.Marine boiler control is an important part to achieve unmanned engine room control. PLC control systems in place has been the contactor control system, has become the current marine boiler automatic direction of development. PLC automation sol

5、ved previously wrong with contactor control system, such as original wiring complexity, poor anti-jamming ability, can easily cause misoperation of such shortcomings. Ships mission is to supply the boiler steam load certain parameters of the equipment needed, such as host warming tank, heating oil,

6、heating oil, drive other auxiliary machines, such as zayong. At the same time guarantee the ability to run security and EconomicsAs the PLC control technology continues to mature, its functionality constantly perfecting and improving on the ship have an increasingly higher level of application. PLC

7、programmable logic controller is a computer technology combined with traditional relay contact control technology product of it overcame mechanical contact of relay contact control system wiring complexity, low power consumption and high reliability, versatility and flexibility, disadvantage of the

8、poor, full use of the advantages of microprocessors, and take care to electrical skills and habits of the operation and maintenance personnel, in particular, PLC programming, you do not need special knowledge of computer programming languages, instead of using a set of simple instructions to relay l

9、adder diagram based form so that the user program, intuitive, convenient and easy to learn, debugging and error checking is very easyThis use of PLC control technology on ship protection system of boiler steam pressure systems, boiler, water level, for all aspects of automatic control systems, ignit

10、ion timing system.Keywords: Marine boiler auxiliary boiler; control; the programmable controller PLC目录刖言1第1章船舶锅炉21. 1概要21.2船舶锅炉自动控制国内外现状21. 3本课题研究内容3第2章 可编程控制器介绍及型号选择42. 1可编程控制器介绍42.1.1可编程控制器(PLC)的定义42. 1.2可编程控制器(PLC)的特点42. 1.3可编程控制器(PLC)的 应用领域42.1.4可编程控制器(PLC)的发展现状52. 2可编程控制器的组成结构52. 2.1可编程控制器硬件组成5

11、2. 2.2可编程控制器软件组成72. 3三菱FX2N系列可编程控制器82. 3. 1 FX2N系列可编程控制器的结构组成82. 3. 2 FX2N型PLC的主要种类及型号92. 3. 3 FX2N型PLC的软元件10第3章 船舶锅炉控制123. 1船舶锅炉给水过程自动控制123. 2船舶锅炉燃烧过程自动控制123. 3船舶锅炉蒸汽压力自动控制123. 4船舶锅炉的自动安全保护和报警12第4章PLC自动控制的船舶锅炉硬件设计144. 1 FX2N-48MR 型 PLC 硬件 144. 1. 1 I/O 接 口模块144. 1. 2 CPU 模块 144. 2各子系统的控制设计164. 2.1给

12、水自动调节系统硬件设计164. 2. 2点火控制系统硬件设计174. 2.3蒸汽压力控制硬件设计184. 2.4安全保护系统硬件设计19第5章PLC自动控制的船舶锅炉软件设计205. 1系统流程图205. 2水位控制软件设计215. 3点火过程的软件设计215.4燃烧过程中蒸汽压力控制软件设计225. 5整体梯形图23结论26致谢错误！未定义书签。参考文献27刖s随着工业自动化产业的高速发展，作为电气自动化控制领域的重要组成部分的PLC问世 以来，引起了国内外电气行业的普遍关注，现己成为具有发展前景和影响力的一项高新技术 产品。现代PLC控制技术因其可靠性高、运用灵活，广泛地应用在自动化控制系

13、统领域。但 是日前我国的船舶锅炉控制系统上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用 接触器一一继电器系统，系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改善船舶工艺、提高 生产效率，采用PLC控制技术来实现锅炉的自动控制，具有广泛的市场前景。目前我国船舶（特 别在远洋渔船）上，无论是蒸汽动力船舶上的主锅炉还是柴油机动力船舶上的辅助锅炉，其工 作过程均已全部或部分地实现了 PLC自动控制，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基 本上是采用接触器一继电器系统，系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改造船舶设 备，改善船员劳动强度，提高生产效率，采用可编程序控制器来实现锅炉的自动控制，可以 使

14、线路简单、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。可编程序控制器控制系统的经 济性能比高于接触器一继电器控制系统。第1章船舶锅炉水蒸气是船舶动力装置中的重要能源之一。它的作用是：推动主、辅汽轮机运转；加热 燃油、润滑油和工作水，使之达到要求的温度；作为船员生活用的热源等等。锅炉装置的功 能是将燃料的化学能转化为热能，并且把水加热成预定参数的水蒸气。因此，船舶锅炉是船 舶动力装置中的重要组成部分。1.1概要实现船舶锅炉自动化之后，有以下几点收益(1) 能使锅炉在任何负荷下汽压和汽温的变化不超过规定值，提供较高质量的蒸汽，并 保持燃烧的经济性，提高了整个动力装置的效率。(2) 能及时发觉和消除不

15、正常工况，使锅炉工作安全可靠，减少发生事故的可能性。(3) 可减轻值班人员的劳动强度和紧缩人员编制，给操作和管理带来方便。当然，实现自动控制后也不是一劳永逸的，而要付出一定的维护工作量，对自动系统的 所有设施必须经常细心检查，使之处于良好的性能状态，才能得到预期的效果。此外，对挂 历人员的技术要求也比较高。所谓船舶锅炉自动控制，包括一下内容。(1) 自动调节。锅炉中工作过程的自动调节，是使有关的被调参数如蒸汽压力和温度以 及水位等在任何工况下均能自动维持所要求的规定值，或使它们按一定的规律变化。(2) 程序控制。在操作指令作用下，按照规定的操作程序自动完成某一操作过程，如锅 炉的启动过程其操作

16、步骤就是经常在程序控制下进行的(3) 安全保护和自动连锁。安全保护设施主要在锅炉的某个工作过程处于极度异常状态 并影响安全运行时，进行必要的操作措施，起到解危作用，一般总是停止燃烧是整个锅炉停 止运转，通常还同时发出相应的声光报警。自动连锁装置是用来当设备发生误操作或故障时, 自动阻止有关操作的进行或继续进行，避免导致事故的发生。如锅炉鼓风机停止工作时，燃 烧器喷油咽就会自动立即停止喷油。可见保护和连锁装置是全自动控制的锅炉中必不可少的 一个重要环节(4) 热工检测。为了随时掌握锅炉运行工况并鉴别其是否良好，必须不断地监视和测量 有关工作参数如蒸汽压力、温度、流量和水位以至水和蒸汽的含盐量等，

17、以了解热力过程的 动态，由此还可分析自动调节系统的效果。(5) 遥控。遥控就是借助于液压、压缩空气、电力或机械传动的配合，用手动控制位于 远处的阀门或其它执行机构。(6) 技术信号。技术信号在自动控制工作过程中起着使环节间取得联系、反映系统工况 和设备工作状态等作用，另外在调节系统中，则有冲量信号、指挥信号、执行信号和反馈信 号等，不过它们在工作范畴上不同于技术信号。当然，并不是每一台具有自动控制设施的船舶锅炉都包括以上全部内容，而是因锅炉的 蒸发量大小，参数高低、用途不同以及整个机舱自动化程度的高低而有所取舍，其中最主要 的是锅炉工作过程的自动调节。1. 2船舶锅炉自动控制国内外现状我国从6

18、0年代开始从事锅炉自动控制系统的研究工作，到70年代初研制成强制循环辅 助锅炉的全自动控制系统，直到90年代开始研制以编程控制器为核心的辅助锅炉燃烧控制装 置。但是国内仍有许多船舶使用传统的锅炉控制系统，其控制系统本身的局限性与缺点，不 仅实现不了锅炉控制的效率性和节能性，更会对船舶锅炉的工作安全造成影响，容易造成事 故。目前，国内外关于船舶锅炉控制系统的研究也主要集中在可编程控制器上面。2002年， 文献大型船用锅炉的PLC控制中采用了 PLC来实现船舶锅炉的控制，文中体现了 PLC在 实现船舶锅炉控制过程中的精确及优越性。2005年，文献组态控制软件在船舶锅炉的应用 中提出了以组态软件来实

19、现对船舶锅炉的控制，文中介绍了组态软件的优点，能够提供基于 Windows浏览器风格的数据库浏览窗口，可以直观地查询并在线修改数据库中的数据内容，能 显示实时动态画面、变量变化趋势、报表、批次控制、MES等。2008年，文献基于PLC与 组态软件的船舶锅炉控制系统中，结合PLC与组态软件进行对船舶锅炉的实时控制，具有 很了扩展性，可以把其他的机舱设备融入此控制系统，为实现无人机舱提供较有价值的理论依 据。总之，PLC应用于船舶锅炉的控制系统中，能够更为精确地实现对锅炉主要参数的控制、 报警及调试，使锅炉系统的运行效率效能。1.3本课题研究内容随着工业自动化产业的高速发展，作为电气自动化控制领域

20、的重要组成部分的PLC问世 以来，引起了国内外电气行业的普遍关注，现己成为具有发展前景和影响力的一项高新技术 产品。现代PLC控制技术因其可靠性高、运用灵活，广泛地应用在自动化控制系统领域。但 是日前我国的船舶锅炉控制系统上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用 接触器-继电器系统，系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改善船舶工艺、提高生产 效率，采用PLC控制技术来实现锅炉的自动控制，具有广泛的市场前景。本课题将对船舶锅炉使用的特殊性及其结构特点进行研究，对可编程控制器（PLC）进行 了解学习，拟定船舶锅炉控制系统结构的组成和控制方案，以船舶锅炉蒸汽压力自动控制， 燃烧程序的

21、自动控制，锅炉水位自动控制，保护与报警等环节为主，结合可编程控制器（PLC） 来实现船舶锅炉的自动控制及其控制系统。第2章 可编程控制器介绍及型号选择2. 1可编程控制器介绍2. 1. 1可编程控制器(PLC)的定义可编程控制器技术发展很快，给他下一个确切的定义和困难，因此，到目前为止，还未 能对其下一个最后的定义。可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，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，并通过数字式、莫伊式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应

22、按易于工业控制系统形 成一个整体，易于扩充功能的原则设计。定义强调了可编程控制器直接应用于工业环境，必 须具有很强的抗干扰能力广泛的适应能力和应用范围。2. 1. 2可编程控制器(PLC)的特点可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视, 发展也十分迅速。在工业自动控制系统中占有极其重要的地位，它有以下特点：(1) 可靠性高，抗干扰能力强可编程控制起的平均无故障时间长达3万h工业生产一般是在恶劣环境中进行的高强度 作业，这就要求其设备具有较高的可靠性和抗干扰能力。为了能够具有这样的可靠性，开发 PLC时，在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护隔离及模块结构

23、等措施来增加PLC的 可靠性，在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟WDT、信息保护和恢复等措施。此外，PLC采 用周期扫描、集中采样。集中输出的工作方式也极有的提高了自身的抗干扰能力。(2) 控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制功能时,PLC往往不必改变硬件设备，只 需要改变一下应用程序就可以达到目的。(3) 编程方便简单易学大多数的PLC编程采用的都是与继电控制电路相似的梯形图。形象直观，易学易懂，受 到了普遍欢迎。(4) 功能强，性能价格比高不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输 入输出处理功能、通信联网功能等。(5)

24、体积小，重量轻，能耗低由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对小，一台收音机大小的PLC具有相当于3 个1.8米高的继电器柜的功能，节电能达50%以上。2. 1. 3可编程控制器(PLC)的应用领域PLC的应用领域非常广泛，在钢铁、石油、化工、电力等各个行业都可以看到PLC的应用，PLC 即可以进行开关量的逻辑控制又可以进行模拟量的控制，只需要配备相应的I。模块和配套装 置即可。PLC主要的应用领域大致有如下几类。(1) 运动控制由于模拟量输入输出功能的实现，也由于PLC对数据处理功能的提高，PLC可以用于圆 周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传

25、 感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。(2) 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。通过PLC模拟量输入、输出模 块，实现模拟量和数值练之间的转换。并利用PID子程序或专用的智能PID模块对模拟量进 行闭环控制。PLC的模拟量PID控制已经广泛用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。(3) 数据处理现代的PLC不仅能进行数学运算、数据传送，而且能进行数据比较、数据转换和数据通 信等。一般说来，数据处理常用于较复杂的大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统等。(4) 通信及联网PLC的通信包括基本单元与远程I/O之间的通信、PLC之间的通信、PLC和智能设备之间 的

26、通信。2.1.4可编程控制器(PLC)的发展现状自从美国DEC公司1968年研制成世界上第一台可编程控制器到现在，PLC技术得到了飞 速的发展。在美国、日本、德国、法国等工业发达国家已发展成为重要的行业，PLC产品已成 为工业领域中占主导地位的基础自动化设备，在国际市场上成为倍受欢迎的畅销产品，用PLC 设计自动控制系统已成为一种世界潮流。目前，PLC的产品多达数百种，厂家遍布世界各地， 不同地域，不同厂家的产品在使用上相差甚远，甚至同一厂家不同系列的产品在编程语言和 编程方法上也有较大差异。PLC技术发展动向(1) 规模上大小两头发展(2) 编程语言向标准化靠拢(3) 输入输出模块智能化和专

27、用化(4) 网络通信功能标准化(5) 控制与管理功能一体化2. 2可编程控制器的组成结构2. 2. 1可编程控制器硬件组成可编程控制器硬件的主要由微处理器。存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外设接 口及编程器等组成。见图2.1所示（1）CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成，在可编程控制器系统中，CPU模块 相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输。存储器用 来储存程序和数据。（2）I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、 脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用接收和

28、采集输入信号，输入信号有两类: 一类是从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等开关量输入信号; 另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供连续变化的模拟量输入/输出信号 电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖锐电压和干扰噪声可能损坏CPU模 块中的元器件，或使用权可编程控制器不能正常工作。在I/O模块中，用光电耦合器，光电 可控硅、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号外，还有电平 转换与隔离的作用。根据锅炉工作过程来确定本设计的I/O输入和输出接口，在本文中主要 是以数字量信号为主。输入信号是传感器开关信号，输出基本是

29、继电器线圈信号。（3）编程器编程器可以连接在可编程控制器上，将编程取下来后系统也可以运行。一般只在程序逻 辑输入、调试和检修时使用编程器，一台编程器可供多台编程序控制器公用。编程器除了用 来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程控制器运行中各种编程元件的工作状态。（4）系统程序存储器它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的 调用管理程序，以及对应定义（I/O、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系 统）参数等功能。（5）用户存储器用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。PLC的用户存储器通常以字（16 位/字）为单位来表示存储容量。同时

30、，由于前面所说的系统程序直接关系到PLC的性能，不 能由用户直接存取。因而通常PLC产品资料中所指的存储器型式或存储方式及容量，是对用 11户程序存储器而言。（6）外部设备一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPROM写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统 等外部设备。（7）电源可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源。可编程控制器内部的直流稳压电源为 各模块内的电路供电，某些可编程控制器可以输入电路和外部电子检测装置（如接近开关） 提供24V真流电源，驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。2. 2. 2可编程控制器软件组成PLC除了硬件系统外，还需要有软件系统的支撑，两者缺一不可。

31、PLC的软件系统由系统 程序（又称系统软件）和用户程序（又称应用软件）两大部分组成。（1）系统程序系统程序由制造商设计的，由管理程序（操作和管理，生成用户组成，内部自我测试）， 用户的命令解释器，编辑器，功能子程序，并呼吁管理例程。它结合了 PLC的硬件系统，完 整的系统诊断，命令解释程序，子程序调用管理功能，逻辑运算，通讯和各种参数设置等功 能，提供了 PLC的运行平台（1）系统管理程序负责整个PLC系统管理运行的程序，因此是对核心管理计划最重要的部分管理过程包括 以下三个部分。 运行管理：运作和时间分配管理，即控制可编程控制器的输入，输出，计算和通信的 自我时间。 存储空间的分配管理：主要

32、用于存储空间管理，即生成用户环境，它提供了各种参数, 程序存储地址，用户数据参数转化为实际的数据格式和地址的物理存放地址。有限的资源， 就成了用户可直接使用的组件很容易. 系统自检程序：包括系统的误差测试，用户程序的语法测试，检验和短语品种，警告 时钟运行等。在根据整个PLC控制系统的管理程序，将能正常工作的要求。（2）用户指令解释程序（包含编辑程序）命令解释器的用户的主要任务是利用由机器到机器语言程序理解用户的PLC的编程语言。 梯形图程序将被转换成一个对应的机器语言之一，然后通过CPU的步骤来完成此功能。在实 践中，为了节省内存和提高速度的解释，用户程序代码存储在PLC中。用户将在这一步的形 式是通过代码程序的编辑程序，可以插入，删除，检查，排除故障，以方便用户程序调试。（3）标准模块和系