船舶輔助機械自動化控制中PLC技術的應用分析

王嘯雨 譚壬仁

中國船舶重工集團第七二三研究所 江蘇 揚州 225000

引言

現代工業的持續發展，使得船舶輔機自動控制的重要性日益凸顯。船舶輔機設備在航運中發揮著不可替代的作用，它們不僅為船舶提供必要的服務，而且還照顧著船舶的正常航行。船舶輔助設備在海運中發揮著重要作用。為船舶提供必要的服務是正常航運的重要保障。許多輔助設備具有獨立的控制系統，并且還相互鏈接。為了突出船舶輔機自動控制的價值，有必要引入PLC技術[1]。對變頻器進行編程和參數設置，形成相應的變頻器控制系統，使其始終處于穩定的運行狀態，促進現代造船業的發展。因此，有必要詳細研究分析PLC技術在船舶輔機自動化控制中的應用，以不斷提高船舶機械自動化領域的自動化程度。

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，對控制功能進行必要的設置，以滿足受控生產的要求，有效替代繼電器系統。可編程邏輯控制器也可以看作是一種數字電子儀器。在實踐中，可以存儲各種特殊功能，以控制機械系統和生產過程，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，主要包括非計算機結構和準計算機結構。可編程控制器雖然本質上是微機結構，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市場，并引進了多條生產線[2]。它們能夠模仿可編程邏輯控制器，自主開發，消化國外技術。這一階段，大型工程項目和引進項目中也經常使用PLC技術。隨著PLC技術的發展，越來越多的工廠和科研機構開始重視PLC技術，并在一定程度上拓展其應用的可能性。此外，可編程邏輯控制器廣泛應用于許多工業部門，特別是造船業，應用范圍非常廣泛，具有相當大的經濟優勢。為現有微處理器和單片機選擇PLC編程語言相對簡單。該系統不僅具有計時、計數和邏輯評估等功能，還可以控制模擬量。通過控制單個設備可以同時控制多個設備。每臺設備實行群控，形成集中控制分散的本地控制網絡。此外，PLC技術的靈活運用還可以適應工控場所特殊環境的需要，尤其是軟硬件結構，具有高度的靈活性和可擴展性。

結合現代工業控制的基本特性和要求，開發的PLC也是基于微機技術和現有工業控制思想。在計算機分析方面，該計算機系統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。其主要目標是更有效地簡化編程語言，提高特殊設備要求與工業環境的兼容性，提高抗干擾能力[3]。從控制設備來看，PLC也是一種通用的控制設備，采用內存程序控制，適應性強。此外，在模塊化硬件結構的基礎上，系統的靈活性可以不斷優化，隨著造船市場需求的顯著擴大，相關成本和費用以及邊際效用不斷降低。在設計系統分析軟件時，可以按照電氣工程師使用PLC的習慣，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，現場控制只需布線和編程，支持了計算機技術的廣泛應用，大大縮短了系統的開發周期。目前，PLC技術的開發和應用已日趨成熟，致力于超小型計算機的開發。多機并行處理技術的使用，充分優化了實時控制的速度和處理能力，加速了高級PLC語言的發展。PLC技術有效地將工業網絡與生產計劃管理的計算機系統連接起來，過程控制和生產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)是一種設計用于工業環境的電子控制系統[4]。本設備為通用工業控制設備。啟動PLC系統后，首先進行初始化過程，檢查I/O接口的連接是否符合設計圖中的連接要求，檢查電源狀態，是否可靠接地等保護措施電源都到位，算法處理指令通過輸出鎖存器發送到I/O口，以刺激輸出并控制外部負載。信號被I/O口捕獲后，送到CPU寄存器區進行輸入采樣。

3 PLC技術在船舶輔機自動化控制中的具體應用

3.1 船舶輔機自動控制的基本要求

船舶輔機自動控制的基本原則是運行安全可靠，經濟效益更加明顯，有效節約能耗和維護成本。綜合分析負荷變化，實現輔機的自動調整，主要目的是控制機械設備的蒸汽壓力和溫度，確保符合設備要求。還要控制機械設備的供油比，使燃油在適度的空氣條件下完全燃燒，以達到節油的目的。這在環境問題日益嚴重的中國非常重要。

對于船舶輔機使用的鍋爐，蒸汽質量不會太高，可以采用兩級調節方式。因此，可以使用PLC進行功能調整，以保證質量調整的效果。對于鍋爐系統給水的自動控制，需要結合鍋爐功率、尺寸和質量控制的基本要求，科學合理地選擇控制方法。選擇模擬量控制功能強的PLC，無須增加新的控制單元即可達到定制化的目的，可有效降低成本，同時由于沒有引入新的設備控制模塊，整個系統系統的故障概率也減少了，進一步提高供水控制的有效性。值得注意的是，機艙內溫度通常較高，振動特性明顯。在航行條件下，干擾源很多，影響也更大。因此，對控制系統和內部組件提出了更高的要求。不斷提高環保性能，同時明智地選擇PLC型號，設計控制柜，在設計選型階段充分考慮船舶未來的工作環境，將未來使用過程中出現問題的可能性降到最低。

3.2 實際操作功能

在傳統的船用輔助機構自動化控制系統中，繼電器主要用于控制斷路器，以保證系統的安全運行[5]。但是，繼電器中的連接點太多，很容易發生觸電安全故障，對系統的安全構成極大的威脅，也損害了系統的可靠性。通過使用PLC，代替繼電器，使用PLC來控制系統的開路，從而提高系統的安全性和可靠性。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：操作員只需進行簡單的PC端操作，PLC根據PC端輸出相應的操作指令來控制點操作。在開關控制方面，采用PLC可以大大降低系統的故障率，為系統的安全可靠性提供有力保障。為數據支持編譯船舶輔助機械的自動控制系統的故障排除。將PLC集成到船舶輔助機構的自動控制系統后，可以提高系統的智能化。PLC技術以計算機技術為基礎，大大提高了船舶輔助機構自動控制系統的響應速度和效率。PLC主要利用系統軟件以串行方式控制船舶的輔助機構。處理器是船舶輔助機構自動化控制系統的核心，它控制整個系統，可以根據處理器數據評估系統的運行狀態。PLC的應用可以將用于評估系統運行狀態的指標編入控制程序中，從而可以通過該技術直接評估系統的運行狀態，而無需對系統處理器的數據進行采集和分析。大大簡化了系統，評估工況的步驟也節省了大量的人力物力，隨著PLC的應用，船舶輔助機構自動控制系統的智能化程度將逐步提高。

4 PLC在安全監控中的應用

本文通過船舶輔機PLC系統的應用研究，采取必要的保護措施，保證鍋爐系統的安全運行。這個系統需要時間來初始化。通過分析系統初始化的輸出功率曲線，可以得出系統在前6秒內沒有功率的結論。但是，系統的監控功能在很大程度上依賴于PLC。如果PLC出現故障，不可避免地會導致很多問題。在設計軟硬件時，應同時采用具有PLC自診斷功能和自診斷監控功能的相應PLC型號。它的組成包括一個脈沖發生器和一個比較器。當某個部位出現障礙物，系統可以重置重要起點，同時觸發報警。在系統發生故障時，可以通過仿真來模擬模塊內部狀態的變化。

本文是通過兩個標準脈沖串的比較原理實現的。PLC用戶程序產生一個脈沖，根據程序設置發送到PLC系統的第一個模塊，當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置到第二個模塊。在這樣反復的情況下，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合，I/O就可以有效地監控PLC系統。這種方法雖然在每個模塊中使用兩點建立硬件連接，但運行船舶輔機的成本并不明顯。盡量避免看門狗中的脈沖發生器硬件出現故障；需要設計備用脈沖發生器并對其進行有效監控。調節鍋爐供汽壓力和燃料比重的基本原理：在鍋爐系統啟動前，預掃55s鍋爐空氣，防止點火時冷爆。55秒后點火。若在9.5秒內點火成功，鍋爐將進入正常燃燒狀態。在9.5秒內點火失敗，鍋爐將停止工作，同時發出聲光報警信號，故障熄火指示燈亮，確保船用輔機的安全可靠運行，是實現其自動化的基礎。與此同時，還可以節省能源，提高船舶運營的經濟性，降低維修費用，滿足系統控制要求。

4.3 安防監控應用

為保證船舶相關系統的安全運行，必須加強對系統的安全監控。通過分析系統的初始性能，可以得出系統在前4.5秒內沒有性能的結論。診斷工具具有明顯的獨立性，是由比較器、脈沖發生器等組成的數字電路，軟硬件有效結合，實現對PLC系統中微處理器、存儲器和程序邏輯執行的實時監控。如果某個組件出現故障，請同時對系統進行復位，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，開發了一套基于PLC的設備故障診斷系統。該系統分為三個主要部分：用戶程序、輔助控制系統內核和PLC硬件。兩個標準脈沖串主要用于實現系統的目的。第一個通道脈沖由PLC用戶程序生成。程序設置好后，在每個模塊中有兩個用于創建硬件鏈接的通道。在船舶輔機的實際運行中起到監控與控制作用。為了有效控制設備的運行狀態，需要開發后備脈沖發生器，以有效避免系統內部故障。

4.4 起重機三相異步電動機控制

本文介紹一種采用PLC技術實現三相異步電機控制的船用起重機。三相異步電機控制采用PLC技術，通過邏輯控制指令實現自動調速，電機控制開關正反轉鎖定。通過分析信號的特征向量，利用PLC的信號監測功能，對三相異步電動機的運行狀態進行監測，及時診斷故障。

5 結束語

在船舶輔機的自動控制過程中，適當引入PLC技術可以使控制輔機的效果更加自動化、智能化。在突出PLC技術優勢的同時，可全面提高輔機運行的安全性和控制精度，進一步提高大型船舶能效，降低單位航行能耗，滿足國家節能減排要求目標。同時，可以進一步擴大PLC技術的應用范圍，進一步推動現代造船業的發展。