课题名称：船舶辅助机械的PLC控制系统设计

文献综述
引言
船舶辅助机械是保证船舶正常航行的重要设备，它种类繁多，各有其工作特性，通过电子、电器组成了若干个自动控制系统。比如辅助锅炉的自动控制系统，船舶起货机的自动控制系统，各种泵的自动切换，制冷设备的自动控制等。而目前许多船舶上的辅助机械的自动控制系统都是以继电器接触器为主要控制元件，鉴于如下因素有必要采用PLC技术来取代传统的继电器接触器控制技术。[1]-[2]
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4—8对触点。因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。因此灵活性和扩展性都很好。[3]
电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十ms 数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在哪数量级，且不会出现抖动。
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.0015 到若干天或更长。用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统，这可从维修费用减少中得到补偿。因此，研究基于PLC技术的船舶辅助机械自动控制系统很有必要。[4]-[6]
可编程控制技术
可编程序控制器，是一种集成化的综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品,完全具备微机的逻辑运算、数据处理和传输等功能。目前已广泛应用在工业生产的流水线、自动化控制系统以及远洋船舶的电站、信号报警系统和拖动控制系统中。在目前的船舶建造中,利用这种数字控制技术正在全部或部分取代传统的模拟控制电路板或简单的数字电路板,通过PLC可以将设备和机控室及驾驶台紧密地连接起来,使船舶具有明显的数字化特征,船员可从上层控制台进行检测、读数、打开阀门加油加水、操纵船舶航行等业务。船舶操作简便易行,效率得到了很大提高。
世界上第一台可编程序控制器诞生于1969年,是由当时美国数字设备公司为通用汽车公司研制开发并成功应用于汽车生产线上的。设想通过编程的方式使用程序逻辑代替原有的继电器硬接线逻辑,以适应由于汽车改型而引起的流水线上的继电器和开关重新布置的需要,减少装置和维修工作量。有效地减少了继电器的重新设计和安装。进入20世纪80年代以来，由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大地推动了可编程序控制器的发展，使其功能日益增强，更新换代明显加快。目前一台PLC是一部硬件和软件齐全的电子计算机,硬件是由中央处理单元(CPU) 、内存储器、输入/输出单元( I/O单元) 、电源、编程器等组成。软件系统由主板上集成的操作系统和各种输入输出管理程序组成。将编制好的程序拷贝进PLC的存储器中, 起动运行开关则程序就会在操作系统控制下反复执行。PLC工作方式是采用循环扫描工作方式,即每一次状态变化需一个扫描周期, PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分,把从输入端得到的信号经过加工变换后送到输出端,指挥设备工作。[7]-[8]
1、 可编程控制技术国外发展状况[9]-[11]
    目前世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
美国PLC产品
美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。
A-B公司产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。该系列为模块式结构，CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25时，属于中型PLC，I/O点配置范围为256～1024点；当CPU模块为PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5/40L、PLC-5/60L时，属于大型PLC，I/O点最多可配置到3072点。该系列中PLC-5/250功能最强，最多可配置到4096个I/O点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机PLC-3最多可配置到8096个I/O点。GE公司的代表产品是：小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，除GE-1/J外，均采用模块结构。德州仪器（TI）公司的小型PLC新产品有510、520和TI100等，中型PLC新产品有TI300、5TI等，大型PLC产品有PM550、530、560、565等系列。除TI100和TI300无联网功能外，其它PLC都可实现通信，构成分布式控制系统。
    欧洲PLC产品
    德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。西门子PLC主要产品是S5、S7系列。在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台SS－115U组成的双机冗余系统。
日本PLC产品
日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。
三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。
2、可编程控制技术国内发展状况[12]-[13]
我国有许多厂家、科研院所从事PLC的研制与开发，如中国科学院自动化研究所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，上海起重电器厂的CF-40MR/ER，苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A，原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10、SR-20/21等。
从1982年以来，先后有天津、厦门、大连、上海等地相关企业与国外著名PLC制造厂商进行合资或引进技术、生产线等，这将促进我国的PLC技术在赶超世界先进水平的道路上快速发展。
3、可编程控制技术在船舶上的实际成果
20世纪70年代，国外海上自动航行系统，即初期的综合船桥系统（IBS）问世了。目前，世界上先进国家已研制推出第3代、第4代不同类型的综合船桥系统（IBS），其中应用了大量的PLC自动控制技术，对船上轮机监控、自动监测、自动报警、锅炉等功能实施控制，以最少的人力、最低的燃料消耗，实现船舶自动化航行。[15]-[16]
总结
本论文拟从以下几个方面研究PLC在船舶辅助机械自动控制系统中的应用。即PLC在船舶辅助锅炉自动控制系统中的应用，交流三速变极调速起货机的PLC控制， PLC在三相异步电动机控制中的应用，船舶组合起动屏的PLC控制系统，PLC在船舶机舱监视系统中的应用。通过各个典型的船舶辅助机械采用PLC技术所构成的自动控制系统的研究，说明船舶辅助机械采用PLC技术的必要性、可行性和优越性。[17]-[20]




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