计算机控制第六章课件.ppt

1、6.1 锅炉控制系统锅炉控制系统6.2 船舶可调螺距螺旋桨控制系统船舶可调螺距螺旋桨控制系统6.3 大型耙吸式挖泥船集成控制系统大型耙吸式挖泥船集成控制系统6.4 船舶综合计算机控制系统船舶综合计算机控制系统第第6章章 计算机控制系统的设计与应用实例计算机控制系统的设计与应用实例水泵和给水调节阀水泵和给水调节阀将水送入蒸汽发生将水送入蒸汽发生系统的汽包。系统的汽包。冷空冷空气经气经过空过空气预气预热器热器加热加热后变后变为热为热空气。空气。热空气和热空气和燃气按一燃气按一定比例送定比例送入燃烧室入燃烧室燃烧，生燃烧，生成的热量成的热量传递给蒸传递给蒸汽发生系汽发生系统，产生统，产生饱和蒸汽。饱

2、和蒸汽。饱和蒸汽经过过热器，形成一定温饱和蒸汽经过过热器，形成一定温度的过热蒸汽度的过热蒸汽 D，汇集至蒸汽母管。，汇集至蒸汽母管。压力为压力为 P 的过热蒸汽经负荷设备调的过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷设备使用。节阀供给生产负荷设备使用。6.1 锅炉控制系统锅炉控制系统6.1.1 锅炉工艺流程锅炉工艺流程控制要求：控制要求：1）提供的蒸汽流量能够满足负荷变化或保持给定负荷的需求；）提供的蒸汽流量能够满足负荷变化或保持给定负荷的需求；2）供给负荷设备使用的蒸汽压力应保持在一定的范围内；）供给负荷设备使用的蒸汽压力应保持在一定的范围内；3）过热蒸汽温度应保持在一定的范围内；）过热蒸汽温度应

3、保持在一定的范围内；4）汽包中的水位应保持在一定的范围内；）汽包中的水位应保持在一定的范围内；5）锅炉燃烧运行应保持经济和安全；）锅炉燃烧运行应保持经济和安全；6）炉膛负压应保持在一定的范围内。）炉膛负压应保持在一定的范围内。6.1.2 锅炉控制对象分析锅炉控制对象分析锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位控制锅炉燃烧控制锅炉燃烧控制过热蒸汽控制过热蒸汽控制 （1）锅炉汽包水位控制）锅炉汽包水位控制：使给水量跟随锅炉的蒸汽负荷使给水量跟随锅炉的蒸汽负荷量的变化，维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包的流量的变化，维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽负荷量。入量是给水量，流出量

4、是蒸汽负荷量。（2）锅炉燃烧控制）锅炉燃烧控制：在满足蒸汽负荷要求的基础上保证在满足蒸汽负荷要求的基础上保证经济燃烧和锅炉的安全运行。最主要的目标是使锅炉出口经济燃烧和锅炉的安全运行。最主要的目标是使锅炉出口蒸汽压力稳定。当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过调蒸汽压力稳定。当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过调节燃料量或送风量使之稳定。节燃料量或送风量使之稳定。（3）锅炉过热蒸汽温度控制）锅炉过热蒸汽温度控制：维持过热器出口蒸汽温度维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。作温度。（1）锅炉汽包水位控制）锅炉汽

5、包水位控制 锅炉汽包水位控制方案框图如锅炉汽包水位控制方案框图如下下所示，这是前馈与串级控所示，这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。制组成的复合控制系统。6.1.3 控制规律的选择控制规律的选择 蒸汽流量、汽包液位和给水流量经过控制算法运算后蒸汽流量、汽包液位和给水流量经过控制算法运算后控制给水阀，其过程如图所示。控制给水阀，其过程如图所示。（2）锅炉燃烧控制）锅炉燃烧控制 锅炉燃烧自动控制过程如锅炉燃烧自动控制过程如下下图所示。图所示。汽包压汽包压力控制力控制回路中回路中引入蒸引入蒸汽流量汽流量作为前作为前馈信号馈信号，能够使能够使燃料量燃料量尽快跟尽快跟上负荷上负荷的变化。的变化。前馈信

6、号前馈信号送风调节采用串级控制送风调节采用串级控制主调节信号主调节信号：烟气中的氧含量烟气中的氧含量副调节器信号副调节器信号：送风量送风量前馈信号前馈信号（3）过热蒸汽温度控制）过热蒸汽温度控制控制方式：控制方式：串级控制串级控制主调节信号：主调节信号：过热器出口蒸汽温度过热器出口蒸汽温度副副调节调节信号信号：减温器出口温度减温器出口温度方案：方案：改变减温水的流量改变减温水的流量来来控制过热器出口蒸汽温度控制过热器出口蒸汽温度。总体设计框图总体设计框图如图所示。如图所示。包括手动包括手动操作与操作与自动操作自动操作。采用采用DDC控制方案控制方案。6.1.4 锅炉控制系统总体设计锅炉控制系统

7、总体设计 根据系统总体方案，可以画出该控制系统的硬件组根据系统总体方案，可以画出该控制系统的硬件组成框图，如成框图，如下下图所示。图所示。操作台是人工监管的重要位置，能进行手操作台是人工监管的重要位置，能进行手/自动控制自动控制的选择、给定值的设置、设备运行状态的监视等。的选择、给定值的设置、设备运行状态的监视等。A/D、D/A以及以及I/O通道选用工控机对应的板卡，按通道选用工控机对应的板卡，按照满足要求且适当预留备用量的原则进行选择。照满足要求且适当预留备用量的原则进行选择。LCD显示器主要体现计算机控制系统的人机交互界显示器主要体现计算机控制系统的人机交互界面，应满足系统功能要求。面，应

8、满足系统功能要求。6.1.5 系统硬件设计系统硬件设计 温度检测温度检测：选：选用用KYW系列一体化温度变送器，量程为系列一体化温度变送器，量程为-200 +500 ，输出为二线制，输出为二线制 DC 4 20mA 信号。信号。压力检测压力检测：选：选用用PTKR501气压差传感器，测量范围气压差传感器，测量范围0 300MPa，输出为二线制，输出为二线制 DC 4 20mA 信号。信号。液位检测液位检测：选：选用用DBS500系列投入式静压液位变送器，输系列投入式静压液位变送器，输入为入为0.3 10m，输出为二线制，输出为二线制 DC 4 20mA 信号。信号。含氧量检测含氧量检测：选：选

9、用用ZO-302氧化锆氧量分析仪（恒温式），氧化锆氧量分析仪（恒温式），测量范围：测量范围：0.1ppm-25氧含量，输出信号：氧含量，输出信号：4 20mA。执行机构执行机构：选：选用用Z941H-25电动闸阀，通径为电动闸阀，通径为DN100，输入，输入控制信号：控制信号：4 20mA。6.1.6 检测装置和执行机构检测装置和执行机构软件具备的主要功能：软件具备的主要功能：（1）能实时检测锅炉的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、）能实时检测锅炉的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、给煤量等参数值，计算相关的深层次的参数值，测点温度、给煤量等参数值，计算相关的深层次的参数值，显示参数值，

10、并以一定的格式存储数据；显示参数值，并以一定的格式存储数据；（2）根据给定值、控制要求、控制算法，控制锅炉的正常）根据给定值、控制要求、控制算法，控制锅炉的正常运行以及故障的相关处理；运行以及故障的相关处理；（3）能以实时或设定的时间区域显示数据曲线，直观反映）能以实时或设定的时间区域显示数据曲线，直观反映参数的变化过程，也为进一步分析工艺提供依据；参数的变化过程，也为进一步分析工艺提供依据；6.1.7 系统软件设计系统软件设计（4）能实时显示报警信息，并以一定方式记录显）能实时显示报警信息，并以一定方式记录显示报警信息；示报警信息；（5）能按要求生成报表，可以按需要随时打印或）能按要求生成报

11、表，可以按需要随时打印或定时打印，便于详细了解系统运行状况，事故追查定时打印，便于详细了解系统运行状况，事故追查和分析；和分析；（6）能修改各种运行参数的控制值，修改系统的）能修改各种运行参数的控制值，修改系统的控制参数，便于系统的调试以及提高系统软件的适控制参数，便于系统的调试以及提高系统软件的适应性。应性。依据系统软件的主要功能，采用模块化的设计思想，锅炉依据系统软件的主要功能，采用模块化的设计思想，锅炉监控软件的架构如监控软件的架构如下下图所示。图所示。控制策略流程如控制策略流程如下下图所示，需要与其余图所示，需要与其余2个模块进行信息个模块进行信息的交互。的交互。（1）调距桨）调距桨

12、螺旋桨是一种反作用式推进器，当螺旋桨转动时，螺螺旋桨是一种反作用式推进器，当螺旋桨转动时，螺旋桨推水向后或向前，并受到水的反作用力而产生向前或旋桨推水向后或向前，并受到水的反作用力而产生向前或向后的推力，使船舶前进或后退。向后的推力，使船舶前进或后退。螺旋桨的螺距可变，称为调距桨。螺旋桨的螺距可变，称为调距桨。调距桨的螺距改变是通过液压装置系统改变桨叶的角调距桨的螺距改变是通过液压装置系统改变桨叶的角度来实现的。调距桨具有充分利用船舶主机功率、延长主度来实现的。调距桨具有充分利用船舶主机功率、延长主机寿命，提高船舶操纵性能等优点。机寿命，提高船舶操纵性能等优点。6.2 船舶可调螺距螺旋桨控制系

13、统船舶可调螺距螺旋桨控制系统6.2.1 调距桨及其控制方式调距桨及其控制方式（2）调距桨控制方式）调距桨控制方式 1）自动负荷控制方式。）自动负荷控制方式。采用单一操纵手柄来设定主采用单一操纵手柄来设定主机的负荷和转速。负荷和转速的设定原则是使推进系统的机的负荷和转速。负荷和转速的设定原则是使推进系统的综合效率最高，保证在额定工况下其推力最大。自动负荷综合效率最高，保证在额定工况下其推力最大。自动负荷控制的基本原理是将实际负荷与设定负荷相比较，根据负控制的基本原理是将实际负荷与设定负荷相比较，根据负荷偏差自动调节调距桨的螺距，直到实际负荷与设定负荷荷偏差自动调节调距桨的螺距，直到实际负荷与设定

14、负荷相等。相等。2）恒定转速方式。）恒定转速方式。也称轴带发电机方式。在这种方也称轴带发电机方式。在这种方式下主机转速保持恒定不变，仅通过调节螺距来改变船速。式下主机转速保持恒定不变，仅通过调节螺距来改变船速。3）备用控制方式。）备用控制方式。这是应急操作时的控制方式。利这是应急操作时的控制方式。利用驾驶台上的应急操纵按钮直接控制调距桨的螺距。用驾驶台上的应急操纵按钮直接控制调距桨的螺距。传动设备将主机输出的能量传递给调距桨。调距桨完传动设备将主机输出的能量传递给调距桨。调距桨完成将旋转形式的能量转换成推力的任务。推力克服船舶航成将旋转形式的能量转换成推力的任务。推力克服船舶航行时所受到的阻力

15、，保证船舶以一定的速度航行。行时所受到的阻力，保证船舶以一定的速度航行。调距桨船舶的航速控制原理如调距桨船舶的航速控制原理如下下图所示。可以通过控图所示。可以通过控制制主机主机转速和螺距转速和螺距两两个因素来控制船舶航速。个因素来控制船舶航速。6.2.2 调距桨航速控制原理调距桨航速控制原理 调距桨控制系统结构框架如调距桨控制系统结构框架如下下图所示。主要部分包括：图所示。主要部分包括：电源、调距桨遥控系统、本地控制站、安全系统和报警系统电源、调距桨遥控系统、本地控制站、安全系统和报警系统等。等。6.2.3 调距桨控制系统结构调距桨控制系统结构 （1）电源：）电源：为保证供电的可靠性，需要提供

16、两为保证供电的可靠性，需要提供两路独立的供电网络路独立的供电网络以及以及不间断电源，当主配电板和不间断电源，当主配电板和应急配电板都失效的情况下，不间断电源能提供足应急配电板都失效的情况下，不间断电源能提供足够长时间的供电。够长时间的供电。（2）调距桨遥控系统：）调距桨遥控系统：调距桨遥控系统是调距调距桨遥控系统是调距桨控制系统的核心。桨控制系统的核心。（3）本地控制站：）本地控制站：主要任务是对重要的运行参主要任务是对重要的运行参数进行监视，并在主机维修或者在安全控制系统出数进行监视，并在主机维修或者在安全控制系统出现故障的应急情况下，对主机进行操作。现故障的应急情况下，对主机进行操作。（4

17、）安全系统：）安全系统：安全系统监测所有主机运行的安全系统监测所有主机运行的数据，在主机超出限制的情况下，能够自动的降低负数据，在主机超出限制的情况下，能够自动的降低负荷和安全停机。荷和安全停机。（5）报警系统：）报警系统：报警系统监视包括主机、调距报警系统监视包括主机、调距桨系统、齿轮箱、离合器、泵等各种重要参数。报警桨系统、齿轮箱、离合器、泵等各种重要参数。报警系统独立于安全系统工作。所有重要的运行参数以及系统独立于安全系统工作。所有重要的运行参数以及故障引起报警信号经过串联的总线接口传输到报警系故障引起报警信号经过串联的总线接口传输到报警系统。统。（1）遥控系统结构）遥控系统结构 调距桨

18、遥控系统主要调距桨遥控系统主要包括：包括：驾驶室的操控台（简称驾控）、驾驶室的操控台（简称驾控）、集控室的操控台（简称集控）、集控室的操控台（简称集控）、调距桨遥控系统控制箱、调距桨遥控系统控制箱、螺旋桨伺服电子装置（闭环放大和螺旋桨指示螺旋桨伺服电子装置（闭环放大和螺旋桨指示电子装置）电子装置）主机转速控制系统主机转速控制系统。组成组成图图见下页见下页。6.2.4 调距桨遥控系统总体设计调距桨遥控系统总体设计（2）调距桨遥控系统主要控制功能）调距桨遥控系统主要控制功能 1）能够操纵驾驶室和集控室的操纵杆对主机的转）能够操纵驾驶室和集控室的操纵杆对主机的转速和调距桨的螺距进行控制；速和调距桨的

19、螺距进行控制；2）具有自动负荷控制功能，能够根据主机负荷自）具有自动负荷控制功能，能够根据主机负荷自动调整螺距，保证主机在恶劣工况下不超负荷运行；动调整螺距，保证主机在恶劣工况下不超负荷运行；3）能够实时显示主机转速和螺距。）能够实时显示主机转速和螺距。上述的控制功能主要由上述的控制功能主要由调距桨遥控系统控制箱调距桨遥控系统控制箱实现实现，也称主控制单元，也称主控制单元，采用采用可编程控制器可编程控制器作为主机作为主机。（3）驾驶）驾驶室室和集控室控制台和集控室控制台 为便于远程操纵，驾驶室和集控室都设有控制台操为便于远程操纵，驾驶室和集控室都设有控制台操纵面板。纵面板。操纵操纵面板主要完成

20、控制指令的发送、操作模式面板主要完成控制指令的发送、操作模式的选择、控制参数的设定、运行参数的显示和报警等功的选择、控制参数的设定、运行参数的显示和报警等功能。能。控制命令可以通过控制台操纵面板传送到相应的控控制命令可以通过控制台操纵面板传送到相应的控制器，要求在同一时刻只有其中一个控制台上的命令起制器，要求在同一时刻只有其中一个控制台上的命令起作用。作用。驾驶驾驶室室有三个控制台：主控制台、左翼控制台有三个控制台：主控制台、左翼控制台、右右翼控制台；集控室一个控制台。翼控制台；集控室一个控制台。1）驾驶）驾驶室室主控制台主控制台 驾驶室主控制台由螺旋桨仪表盘、操纵杆面板以及推进驾驶室主控制台

21、由螺旋桨仪表盘、操纵杆面板以及推进控制面板三个独立的面板组成控制面板三个独立的面板组成，如如下下所示所示。2）驾驶）驾驶室室侧翼控制台侧翼控制台 驾驶驾驶室室侧翼控制台分为左翼和右翼，只有螺旋桨仪表盘、侧翼控制台分为左翼和右翼，只有螺旋桨仪表盘、操纵杆面板，如操纵杆面板，如下下所示。所示。驾驶驾驶室室主控制台和侧翼控制台控制权的切换通过主控制台和侧翼控制台控制权的切换通过电力轴系统来实现，电力轴系统也被称作同步系统。电力轴系统来实现，电力轴系统也被称作同步系统。操作面板上的操作面板上的“在控制在控制”按钮起作用时，对应的按钮起作用时，对应的操纵手柄起作用，其余手柄的控制杆跟随主操纵手柄的操纵手

22、柄起作用，其余手柄的控制杆跟随主操纵手柄的控制杆运动。控制杆运动。比比如：当控制权在驾驶室的主控制台时，如：当控制权在驾驶室的主控制台时，首先驾驶台主控制台选择首先驾驶台主控制台选择“在控制在控制”按钮，确认后，主按钮，确认后，主控制台手柄的控制杆起作用，其余的手柄控制杆将自动控制台手柄的控制杆起作用，其余的手柄控制杆将自动跟随着驾驶台主控制杆移动。跟随着驾驶台主控制杆移动。3）集控室控制台）集控室控制台 集控室控制台由螺旋桨仪表盘、操纵杆面板、推进控制面集控室控制台由螺旋桨仪表盘、操纵杆面板、推进控制面板三个独立的面板组成。板三个独立的面板组成。（4）螺距的控制）螺距的控制 1）螺距的控制原

23、理）螺距的控制原理 控制台发出的螺距设定信号与螺距反馈信号进行比较控制台发出的螺距设定信号与螺距反馈信号进行比较得到偏差，然后经过控制器的运算处理，按照一定规律输得到偏差，然后经过控制器的运算处理，按照一定规律输出螺距控制信号，该信号驱动液压动力装置的电液比例阀，出螺距控制信号，该信号驱动液压动力装置的电液比例阀，打开打开“前进前进”和和“倒退倒退”的油路，控制调距机构调节螺距。的油路，控制调距机构调节螺距。控制原理图如控制原理图如下下所示。所示。2）螺距设定方式）螺距设定方式螺距的设定可以通过驾驶室和集控室螺距操纵手柄以遥螺距的设定可以通过驾驶室和集控室螺距操纵手柄以遥控的方式来进行设定。控

24、的方式来进行设定。螺距的设定可以通过驾驶室上的备用控制系统进行设定。螺距的设定可以通过驾驶室上的备用控制系统进行设定。当螺距的遥控系统出现故障的时候，可以通过手动操纵当螺距的遥控系统出现故障的时候，可以通过手动操纵电液比例阀尾部的按钮来控制电磁阀的电液比例阀尾部的按钮来控制电磁阀的“前进前进”和和“后退后退”。螺距的应急设定方法：先停止液压动力装置的伺服油泵，螺距的应急设定方法：先停止液压动力装置的伺服油泵，将连接到油分配器的螺纹接头拆下，然后接到相应的将连接到油分配器的螺纹接头拆下，然后接到相应的 EP(emergency oil power)和和ER(emergency oil retur

25、n)。起。起动一个油泵，将螺距设定到需要的位置。动一个油泵，将螺距设定到需要的位置。（5）转速的控制）转速的控制 驾驶室和集控室的转速设定电位器发出转速设定信号，驾驶室和集控室的转速设定电位器发出转速设定信号，信号经过主控制柜传送到主机、速度控制系统，由主机、信号经过主控制柜传送到主机、速度控制系统，由主机、速度控制系统直接控制调速器和执行机构，进而调节主机速度控制系统直接控制调速器和执行机构，进而调节主机转速。本系统采用电子调速器，速度的设定方式：转速。本系统采用电子调速器，速度的设定方式：1）加）加/减触点；减触点；2）一个）一个4-20mA遥控速度基准信号。遥控速度基准信号。控制原理如控

26、制原理如下下所示。所示。（6）负荷控制）负荷控制 负荷控制的目的在于负荷变动的情况下，保持主机负荷控制的目的在于负荷变动的情况下，保持主机的负荷恒定，在负荷太大的时候，减小螺距；在负荷太的负荷恒定，在负荷太大的时候，减小螺距；在负荷太低的时候增加螺距。低的时候增加螺距。主机的负荷取决于主机的转速和喷油量，转速信号主机的负荷取决于主机的转速和喷油量，转速信号通过机旁的转速传感器测得，喷油量信号由燃油泵的齿通过机旁的转速传感器测得，喷油量信号由燃油泵的齿条变送器来提供。控制原理图条变送器来提供。控制原理图见下页见下页。（1）调距桨遥控系统信号分析与统计）调距桨遥控系统信号分析与统计 分析与统计控制

27、系统中输入分析与统计控制系统中输入/输出信号类型与数量输出信号类型与数量是系统硬件设计的基础。是系统硬件设计的基础。在调距桨遥控系统总体设计的基础上，经分析与在调距桨遥控系统总体设计的基础上，经分析与统计：系统输入统计：系统输入/输出信号数量共输出信号数量共74路，其中路，其中46路属于路属于开关量型输入，开关量型输入，6路属于模拟量型输入，路属于模拟量型输入，20路属于开关路属于开关量型输出，量型输出，2路属于模拟量型输出。路属于模拟量型输出。具体信号见教材。具体信号见教材。6.2.4 调距桨遥控系统硬件设计调距桨遥控系统硬件设计（2）硬件结构）硬件结构 硬件采用西门子可编程控制器为主控制器

28、。硬件采用西门子可编程控制器为主控制器。PLC接接收来自驾驶台和集控室以及其它设备的一些开关量信号、收来自驾驶台和集控室以及其它设备的一些开关量信号、机旁的主机转速信号、燃油泵的供油量信号、螺旋桨螺机旁的主机转速信号、燃油泵的供油量信号、螺旋桨螺距反馈信号，增压空气压力信号、车钟手柄信号，这些距反馈信号，增压空气压力信号、车钟手柄信号，这些信号经过信号经过PLC的运算处理输出控制驾驶室和集控室的指的运算处理输出控制驾驶室和集控室的指示灯、蜂鸣器，以及控制机旁的电子调速器和液压动力示灯、蜂鸣器，以及控制机旁的电子调速器和液压动力装置中的电液比例阀。硬件结构图装置中的电液比例阀。硬件结构图见下页见

29、下页。模块模块名称名称型号型号配置配置（性能参数）性能参数）数量数量CPU 224CPU模块6ES7 214-1AD23-0XB814入/10出1EM 223数字量扩展模块6ES7 2231BL220XA816入/16出1EM 231模拟量扩展模块6ES7 231-0HC22-0XA84入1（3）硬件配置及说明）硬件配置及说明1）驾驶室配置）驾驶室配置根据前述的信号分析，驾驶室的驾驶台选用的根据前述的信号分析，驾驶室的驾驶台选用的CPU及模块及模块如下表所示。如下表所示。2）集控室配置）集控室配置集控室的集控室的CPU及模块选择如及模块选择如下下表所示。表所示。模块模块名称名称型号型号配置配置

30、（性能参数）性能参数）数量数量CPU 224CPU模块6ES7 214-1AD23-0XB814入/10出1EM 223数字量扩展模块6ES7 2231BL220XA816入/16出1EM 231模拟量扩展模块6ES7 231-0HC22-0XA84入13）机旁配置）机旁配置机旁控制单元的机旁控制单元的CPU及模块选择如及模块选择如下下表所示。表所示。模块模块名称名称型号型号配置配置（性能参数）性能参数）数量数量CPU 224CPU模块6ES7 214-1AD23-0XB814入/10出1EM 223数字量扩展模块6ES7 2231BL220XA816入/16出1EM 231模拟量扩展模块6E

31、S7 231-0HC22-0XA84入1EM 232模拟量扩展模块6ES7 232-0HB22-0XA82出14）调距桨遥控系统控制）调距桨遥控系统控制CPU及模块配置及模块配置遥控系统的遥控系统的CPU及模块选择如及模块选择如下下表所示。表所示。模块模块名称名称型号型号性能参数性能参数数量数量PS 307 5A电源模块6ES7 307-1EA00-0AA05A，24VDC1CPU 314CPU模块6ES7 314-1AG14-0AB0 1CP 342-5串行通讯模块6GK7 342-5DA02-0XE0 1AI4/AO2x8/8Bit模拟量输入/输出模块6ES7 334-0CE00-0AA0

32、4入/2出1DI32xDC24V数字量输入模块6ES7 321-1BL00-0AA032入，24VDC1DO8xDC24V/0.5A数字量输出模块6ES7 322-8BF800-0AB08出，24VDC15）遥控单元与机旁控制单元的硬件布置）遥控单元与机旁控制单元的硬件布置遥控单元与机旁控制单元的遥控单元与机旁控制单元的CPU及其模块的布置如图所示。及其模块的布置如图所示。（1）总体控制流程）总体控制流程 CPP遥控系统软件的设计，主要包括系统主程序的设遥控系统软件的设计，主要包括系统主程序的设计、主机转速和螺距的控制、负荷控制以及其他功能。计、主机转速和螺距的控制、负荷控制以及其他功能。CP

33、P遥控系统主程序的控制流程遥控系统主程序的控制流程见下页见下页。首先是系统初始化，然后判断是在遥控还机旁控制状首先是系统初始化，然后判断是在遥控还机旁控制状态。若是机旁控制，本遥控系统不起作用；只有在遥控控态。若是机旁控制，本遥控系统不起作用；只有在遥控控制下本系统才起作用。根据控制模式的选择，分别进入不制下本系统才起作用。根据控制模式的选择，分别进入不同的控制子程序。经控制算法以及限制曲线输出转速与螺同的控制子程序。经控制算法以及限制曲线输出转速与螺距的控制信号。控制信号作用于调速器和比例阀实现转速距的控制信号。控制信号作用于调速器和比例阀实现转速与螺距的控制。与螺距的控制。6.2.4 调距

34、桨遥控系统软件设计调距桨遥控系统软件设计（2）控制算法）控制算法 根据调距桨遥控系统中实际硬件的组成情况，以及实根据调距桨遥控系统中实际硬件的组成情况，以及实际操作过程中从液压装置开始动作到螺距值达到设定值范际操作过程中从液压装置开始动作到螺距值达到设定值范围内的过程较短，而对调距机构固定在某一位置的要求却围内的过程较短，而对调距机构固定在某一位置的要求却是相对长期的，选用了带死区的是相对长期的，选用了带死区的PID控制算法。控制算法。这样由于某些原因使调距机构偏离了设定位置，则根这样由于某些原因使调距机构偏离了设定位置，则根据螺距偏差值，经据螺距偏差值，经PID算法计算输出控制信号，使螺距重

35、算法计算输出控制信号，使螺距重回设定位置的范围内，而设置的偏差死区又能避免液压调回设定位置的范围内，而设置的偏差死区又能避免液压调距机构控制动作频繁操作，消除由此引起的振荡，改善系距机构控制动作频繁操作，消除由此引起的振荡，改善系统的控制效果。统的控制效果。（3）控制软件开发环境）控制软件开发环境 采采用用STEP7开发开发PLC控制软件。控制软件。使用使用STEP7系统设计自动化系统的时候，既可以采系统设计自动化系统的时候，既可以采用先硬件组态，后创建程序的方式，也可以采用先创建用先硬件组态，后创建程序的方式，也可以采用先创建程序，后硬件组态的方式。如果要创建一个使用较多输程序，后硬件组态的

36、方式。如果要创建一个使用较多输入和输出的复杂程序，一般采用先硬件组态。入和输出的复杂程序，一般采用先硬件组态。本系统所采用的是先进行硬件组态，然后再编写程本系统所采用的是先进行硬件组态，然后再编写程序的过程。序的过程。硬件组态是使用硬件组态是使用STEP 7对对SIMATIC工作站进行硬工作站进行硬件配置和参数分配。所配置的数据可以通过件配置和参数分配。所配置的数据可以通过“下载下载”传传送到送到PLC。6.3 大型耙吸式挖泥船集成控制系统大型耙吸式挖泥船集成控制系统6.3.1 IHDCS概况概况 耙吸式挖泥船是通过置于船体两舷或尾部的耙头吸入泥耙吸式挖泥船是通过置于船体两舷或尾部的耙头吸入泥

37、桨，以边吸泥、边航行的方式工作。桨，以边吸泥、边航行的方式工作。IHDCS是耙吸式挖泥船集成控制系统（是耙吸式挖泥船集成控制系统（Integrated Hopper Dredger Control System）的英文首字母缩写）的英文首字母缩写。它采它采用现场总线和工业以太网连接船上各个控制模块、服务器、用现场总线和工业以太网连接船上各个控制模块、服务器、工作站，实现对耙吸式挖泥船的控制。工作站，实现对耙吸式挖泥船的控制。IHDCS具有耙管的位具有耙管的位置显示、吃水装载显示、推进系统控制、液压系统控制、疏置显示、吃水装载显示、推进系统控制、液压系统控制、疏浚系统控制、机舱监测报警、功率管理

38、等遥测遥控功能，具浚系统控制、机舱监测报警、功率管理等遥测遥控功能，具有疏浚过程的辅助决策支持、疏浚机理分析和复杂智能控制有疏浚过程的辅助决策支持、疏浚机理分析和复杂智能控制等功能。等功能。6.3.2 系统组成和功能系统组成和功能 （1）疏浚控制系统）疏浚控制系统 1)挖泥集成控制系统挖泥集成控制系统：由疏浚仪器（耙管位置、真空度、压力、流量、吃水、装载、产量、测量设备、真空度、压力和流量的测量设备，泥浆溢流和波浪补偿器位置指示器等）、计算机、变送以及执行机构、可编程控制器、传感器等组成，其系统组成如图如下。2）疏浚轨迹显示系统：）疏浚轨迹显示系统：由RTK GPS、电罗经、AIS、测深仪、潮

39、位接收机、工作站等组成。通过全船的计算机网络，将测量设备或传感器所采集和观测数据或信息传送给疏浚轨迹显示系统工作站，实现耙吸式挖泥船的疏浚轨迹监控。其系统结构如下页所示。3）计算机辅助决策系统：）计算机辅助决策系统：根据综合控制系统服务器中挖泥船设备状况的监测数据与实时工况采集数据，分析疏浚过程、土质情况、产量与挖掘、输送设备运转参数之间的关系，优化施工参数，给出最优的施工控制参数。疏疏浚浚轨轨迹迹显显示示系系统统结结构构 （2）桥楼系统）桥楼系统 桥楼系统负责船舶的综合导航和操纵，包含桥楼系统负责船舶的综合导航和操纵，包含AIS、雷达、罗、雷达、罗经、经、GPS、风速风向仪、计程仪、电子海图

40、、操舵仪等通导设、风速风向仪、计程仪、电子海图、操舵仪等通导设备，有助于提高船舶航行的安全性和经济性。备，有助于提高船舶航行的安全性和经济性。（3）功率管理系统）功率管理系统 功率管理功率管理系统由两台冗余的可编程控制器、测量传感器、系统由两台冗余的可编程控制器、测量传感器、变送器、空气开关等组成，完成整个电站的控制与监测，能够变送器、空气开关等组成，完成整个电站的控制与监测，能够有效的保证各个设备之间的功率在配电板中进行转换，实现自有效的保证各个设备之间的功率在配电板中进行转换，实现自动分级卸载，自动解列，保证轴带发电机的正常启动；自动启动分级卸载，自动解列，保证轴带发电机的正常启动；自动启

41、动主发电机、艏侧推；防止主机、轴带发电机、主变压器过载。动主发电机、艏侧推；防止主机、轴带发电机、主变压器过载。（4）主机遥控系统）主机遥控系统 由图由图6.32中的主推控制系统体现。该船中推进系统配置为：中的主推控制系统体现。该船中推进系统配置为：左左/右两套主推进装置和一套艏侧推装置。主推进装置为调距右两套主推进装置和一套艏侧推装置。主推进装置为调距桨，每套推进装置由一台主机、一台轴带发电机、一台带推进桨，每套推进装置由一台主机、一台轴带发电机、一台带推进离合器的齿轮箱组成；艏侧推装置是一电驱调距桨。主推进装离合器的齿轮箱组成；艏侧推装置是一电驱调距桨。主推进装置和艏侧推装置的控制系统由相

42、关设备厂家供货，通过硬连接置和艏侧推装置的控制系统由相关设备厂家供货，通过硬连接的方式将推进系统的相关控制信号接入的方式将推进系统的相关控制信号接入IHDCS中。本船推进系中。本船推进系统除了由航行控制台、左右翼控制台、机舱集控室和机旁控制统除了由航行控制台、左右翼控制台、机舱集控室和机旁控制外，还可通过疏浚控制台上的相关设备进行操作。外，还可通过疏浚控制台上的相关设备进行操作。（5）机舱监测报警系统）机舱监测报警系统 监测报警系统（监测报警系统（Alarm Monitor System，AMS）完成设备的运行状）完成设备的运行状态、运行参数值及故障报警状态的监测，并在集控室的监视屏显示等态、

43、运行参数值及故障报警状态的监测，并在集控室的监视屏显示等功能，由多个现场监测单元组成。监测单元分布全船，通过工业以太功能，由多个现场监测单元组成。监测单元分布全船，通过工业以太网连接，构成一个独立的监测系统。系统通过网连接，构成一个独立的监测系统。系统通过AMS1和和AMS2工作站与工作站与全船综合控制网络连接，将一些关键数据传送给全船综合控制系统。全船综合控制网络连接，将一些关键数据传送给全船综合控制系统。同时在居住区域和驾驶室安装延伸报警板。机舱监测报警系统能及时同时在居住区域和驾驶室安装延伸报警板。机舱监测报警系统能及时发现设备的运行故障，提高设备运行的可靠性，减轻轮机员的劳动强发现设备

44、的运行故障，提高设备运行的可靠性，减轻轮机员的劳动强度。度。（6）动态跟踪与定位系统）动态跟踪与定位系统 该系统是用于船舶定位、精确挖泥的自动控制装置，由该系统是用于船舶定位、精确挖泥的自动控制装置，由DGPS、电、电罗经、风向风速仪、姿态仪、主推子系统、侧推子系统、舵机子系统、罗经、风向风速仪、姿态仪、主推子系统、侧推子系统、舵机子系统、控制器、控制台等组成，有助于挖泥船在特殊施工状况下按预先设定控制器、控制台等组成，有助于挖泥船在特殊施工状况下按预先设定好的航迹进行挖泥作业、抛泥作业、定点艏吹好的航迹进行挖泥作业、抛泥作业、定点艏吹/艏喷作业。艏喷作业。（7）视频监控系统）视频监控系统 该

45、系统主要实现对船舶舱面、艏吹、泥舱、耙臂、该系统主要实现对船舶舱面、艏吹、泥舱、耙臂、A架、泥泵等位置架、泥泵等位置的监视功能，由视频工作站、网络视频服务器、舱外重型云台和室内护罩的监视功能，由视频工作站、网络视频服务器、舱外重型云台和室内护罩摄像一体机组成。采用网络化视频监控系统，将前端的模拟信号处理成高摄像一体机组成。采用网络化视频监控系统，将前端的模拟信号处理成高清晰的实时数字图像发布到网络，可实现多用户同时监控相同或者不同的清晰的实时数字图像发布到网络，可实现多用户同时监控相同或者不同的现场图像，实现视频共享。现场图像，实现视频共享。（8）无线传输系统）无线传输系统 该系统可实现船与岸

46、上的远程数据传输功能。它基于该系统可实现船与岸上的远程数据传输功能。它基于Internet，采用，采用C/S 构架的数据传输系统。系统网络分为三个单元：船台端、服务中心端、构架的数据传输系统。系统网络分为三个单元：船台端、服务中心端、客户端。船台端负责从船载系统下载数据，并经互联网上传到服务中心端。客户端。船台端负责从船载系统下载数据，并经互联网上传到服务中心端。服务中心端负责把船台上传的数据保存到数据库，并向连接在服务器上的服务中心端负责把船台上传的数据保存到数据库，并向连接在服务器上的客户端提供数据共享支持。客户端通过局域网或客户端提供数据共享支持。客户端通过局域网或Internet网，向

47、远程计算网，向远程计算机提供数据。经授权的客户可访问服务器并下载数据。机提供数据。经授权的客户可访问服务器并下载数据。6.3.3 系统硬件设计系统硬件设计 （1）系统中的）系统中的PLC、服务器与工作站、服务器与工作站 PLC系统用于推进、电站、挖泥和液压系统控制，系统用于推进、电站、挖泥和液压系统控制，采用采用SIEMENS公司的公司的S7系列系列PLC，所有的，所有的PLC通过通过带有冗余功能的光纤环网与服务器及相邻的带有冗余功能的光纤环网与服务器及相邻的PLC连接。连接。应急控制应急控制PLC通过硬连线与相应的主令设备及电磁阀通过硬连线与相应的主令设备及电磁阀连接。连接。PLC采用采用A

48、C 220V供电，驱动回路严格按照模供电，驱动回路严格按照模块、输入回路、输出回路进行供电。块、输入回路、输出回路进行供电。PLC系统包含以下子系统：系统包含以下子系统：PLC1：疏浚操作台控制：疏浚操作台控制PLC，安装在疏浚控制台内；，安装在疏浚控制台内；PLC2：动力定位与动态跟踪系统：动力定位与动态跟踪系统PLC，安装在航行控制，安装在航行控制台内；台内；PLC3：艏液压控制：艏液压控制PLC，安装在艏，安装在艏PLC柜内；柜内；PLC4：艉液压控制：艉液压控制PLC，安装在艉，安装在艉PLC柜内；柜内；PLC5：PMS中左中左mimic控制控制PLC，安装在，安装在PMS控制柜中；控

49、制柜中；PLC6：PMS中右中右mimic控制控制PLC，安装在，安装在PMS控制柜中；控制柜中；PLC7：应急控制：应急控制PLC，安装在艏，安装在艏PLC柜内；柜内；PLC8：应急控制：应急控制PLC，安装在艉，安装在艉PLC柜内。柜内。服务器和工作站构成管理级的控制系统。服务器和工作站构成管理级的控制系统。服务器服务器为为惠普惠普G5系列系列，共，共3台，其中台，其中2台为互为热冗余备用台为互为热冗余备用的数据服务器，的数据服务器，1台历史数据服务器。在任何一个时刻，只有一台历史数据服务器。在任何一个时刻，只有一台服务器向工作站及台服务器向工作站及PLC发送指令，以保证数据的唯一。历史发

50、送指令，以保证数据的唯一。历史服务器专门用于存储船舶的各种数据，并为其他非实时工作站服务器专门用于存储船舶的各种数据，并为其他非实时工作站软件提供分析数据并处理报表。软件提供分析数据并处理报表。工作站采用研华工作站采用研华610工业控制计算机。工作站主要用于组态、工业控制计算机。工作站主要用于组态、监控和历史趋势的显示等；服务器则用于采集、记录数据。监控和历史趋势的显示等；服务器则用于采集、记录数据。每个工作站具有完全相同的应用软件系统，互为备份。系统共每个工作站具有完全相同的应用软件系统，互为备份。系统共有有8台台SCADA工作站，采用以太网结构工作站，采用以太网结构连接。连接。（2）系统中