基于PLC的主機(jī)調(diào)速器改裝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方興，席敬波，趙潔

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基于PLC的主機(jī)調(diào)速器改裝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方興1，席敬波2，趙潔1

（1．中國人民解放軍第 7815 工廠，浙江寧波 315000；2．總裝駐杭州地區(qū)軍代室，杭州 310012）

本文主要介紹基于PLC控制技術(shù)的主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。描述了的設(shè)計(jì)思路和開發(fā)過程，同時，通過實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果。

調(diào)速器 PLC 設(shè)計(jì)

0 引言

該船為工程類船舶，考慮到該船頻繁拖帶作業(yè)的工況，設(shè)計(jì)時選用杭齒集團(tuán)馬森公司的CPP可調(diào)螺距槳。主機(jī)選用重慶康明斯KTA38-M2型柴油機(jī)，柴油機(jī)出廠時配置的是機(jī)械調(diào)速器。要實(shí)現(xiàn)CPP變距控制與主機(jī)控制系統(tǒng)在駕控臺上的集中控制，需要采用電子調(diào)速器。因此，需要對主機(jī)調(diào)速器進(jìn)行選型改裝，并在基于調(diào)速器選型的基礎(chǔ)上，對主機(jī)遙控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時實(shí)現(xiàn)對主機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)進(jìn)行采集。

本船在駕駛室控制站對主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距實(shí)現(xiàn)隨動聯(lián)控，集控室對主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距實(shí)現(xiàn)隨動分控，機(jī)旁控制，駕駛室和集控室后備控制，同一時刻只有一個位置的一種操作模式有效。整個系統(tǒng)，包含3個功能獨(dú)立的子系統(tǒng)，主機(jī)遙控系統(tǒng)，車鐘系統(tǒng)和集成報警顯示裝置系統(tǒng)。本文主要對主機(jī)遙控系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。同時綜合考慮其它功能的實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC作為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要支柱之一，以其使用方便，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可拓展性能強(qiáng)等特點(diǎn)在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[1]。用PLC作為中央控制單元，接收駕控臺或是集控室發(fā)出的車鐘指令信號，然后經(jīng)過PLC的邏輯運(yùn)算和判斷，輸出控制主機(jī)電子調(diào)速器，同時還接收來自主機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測和主機(jī)工況信號，并將工況輸出至各二次儀表板及綜合監(jiān)測報警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)遙控監(jiān)測。

操縱器輸出4-20 mA模擬信號，PLC接收信號，通過數(shù)字計(jì)算，解析出需求的轉(zhuǎn)速，并通過輸出4-20 mA信號控制調(diào)速執(zhí)行器動作，實(shí)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。4 mA代表怠速，20 mA代表110%額定轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)油門位置反饋。

該設(shè)計(jì)，研發(fā)周期短，技術(shù)風(fēng)險小，可以充分地發(fā)揮PLC邏輯處理、數(shù)字運(yùn)算等優(yōu)越性，可以滿足該船舶對主機(jī)與CPP可變距螺旋槳聯(lián)動控制要求及自動化程度要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件選型

2.1.1調(diào)速器的選擇

采用電子調(diào)速技術(shù)是提高位置控制式燃油噴射系統(tǒng)柴油機(jī)調(diào)速性能的主要途徑[2]。設(shè)計(jì)選取伍德沃德WOODWARD PGPL執(zhí)行器應(yīng)用該型柴油機(jī)上，可替換原主機(jī)調(diào)速器，而不需要改變原型驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)。這就為電調(diào)改造提供了方便。考慮到woodward電子調(diào)速器本身的控制單元價格較高以及主機(jī)監(jiān)測參數(shù)輸入輸出，故采取選用PLC控制模塊并在飛輪端增設(shè)主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋控制方式，實(shí)現(xiàn)對主機(jī)調(diào)速控制[3]。

2.1.2模塊的選取

考慮到該船對主機(jī)控制的要求，確定主控制模塊選用三菱公司的FX3U-64MR/ES-A。FX3U-64MR/ES-A屬第三代微型可編程控制器，內(nèi)置高達(dá)64K大容量的RAM存儲器；內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理0.065 μs/基本指令；控制規(guī)模:16~384(包括CC-LINK I/O)點(diǎn)；內(nèi)置獨(dú)立3軸100 kHz定位功能(晶體管輸出型)；基本單元左側(cè)均可以連接功能強(qiáng)大簡便易用的適配器。根據(jù)輸入輸出信號，選取日本三菱模擬量輸入FX2N-8AD型模塊，模擬量輸出選取FX3U-4DA-ADP型模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.3機(jī)旁顯示設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀表顯示采用人機(jī)界面，選用臺灣維綸通科技有限公司生產(chǎn)的MT6070iH型號顯示屏。MT6000系列為Weintek研發(fā)出的新一代人機(jī)界面。在隨時滿足客戶及堅(jiān)持操作方便的原則下，MT6000不僅扮演著人機(jī)界面功能的角色，并且可以作為資料備份交換的中心。包含：通訊口：3組異步式串行通訊端口COM1 (RS-232 /RS-485 2W/4W)，COM2 (RS232)，COM3(RS232/ RS-485 2W)，處理器：32 Bit RISC 400 MHz。

2.1.4通訊方式

由于MT6070iH型號顯示屏采用3組異步式通訊端口，PLC連接FX3U-485-BD型號通訊模塊，通過無協(xié)議RS485自由通訊方式實(shí)現(xiàn)主控制PLC與顯示器的通訊，可以將控制系統(tǒng)各采集參數(shù)及柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)顯示出來。同時，可以通過RS485通訊（報文格式）方式輸出參數(shù)至各監(jiān)控顯示器。遙控手柄與PLC、PLC與執(zhí)行器采用4—20 mA電流控制方式。

2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用GXdevelop組態(tài)軟件，下面是轉(zhuǎn)速控制梯形圖：

實(shí)際轉(zhuǎn)速采集：

X000：PLC 高速計(jì)數(shù)口，通過PLC計(jì)算，得出實(shí)際轉(zhuǎn)速K8。

主機(jī)要求轉(zhuǎn)速：

通過AD模塊，將4-20 mA模擬信號轉(zhuǎn)換成D18數(shù)字量。

比較：

D20為D18與D16的差值，通過差值比較，判斷主機(jī)升速或者降速。

加速/降速命令：

D30：給定執(zhí)行器的電流值

減速：

加速：

3 調(diào)速器改裝后的主機(jī)臺架試驗(yàn)

在改裝成電子調(diào)速器后，當(dāng)駕駛臺通過4-20 mA模擬信號要求轉(zhuǎn)速時，PLC通過比較，實(shí)時監(jiān)控主機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載逐漸加大，為了維持駕駛臺要求的轉(zhuǎn)速，必須加大執(zhí)行器電流。此時負(fù)載變化和執(zhí)行器電流的變化形成了對應(yīng)關(guān)系，通過PLC浮點(diǎn)計(jì)算，將對應(yīng)關(guān)系解析出功率百分比信號。

主機(jī)臺架進(jìn)行試驗(yàn)，通過水力測功儀對柴油機(jī)負(fù)荷信號輸出進(jìn)行試驗(yàn)。通過臺架試驗(yàn)可以得到各轉(zhuǎn)速下的負(fù)載變化和執(zhí)行器電流變化，將實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為編程語言。

表1 顯示轉(zhuǎn)速與輸出電流對照表（0-2200 rpm對應(yīng)4-20mA）

表2 負(fù)荷信號與輸出電流對照表（0-125%對應(yīng)4-20 mA）

4 結(jié)論

通過船舶系泊、航行試驗(yàn)，證明改裝后調(diào)速器轉(zhuǎn)速控制精確、控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足船舶設(shè)計(jì)要求并符合相關(guān)法規(guī)的要求。該系統(tǒng)采用PLC的控制方式，其控制精度高，執(zhí)行器運(yùn)行可靠性強(qiáng)，內(nèi)置編程語言，操作靈活性大，可使用編程手段配置開關(guān)量、模擬量、通訊報文，同時擴(kuò)展性強(qiáng)，觸摸屏可以按用戶要求任意配置，可以擴(kuò)展32路遠(yuǎn)程同步顯示等。

[1] 程周. 可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

[2] 王尚勇, 楊青. 柴油機(jī)電子控制技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[3] 宋恩哲, 姚崇, 孫軍, 范立云, 馬修真. 大功率柴油機(jī)全電式調(diào)速器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 船舶工程, 2010（5）: 33-36.

Modification of Main Engine Governor and Design of Control System

Fang Xing1, Xi Jingbo2, Zhao Jie1

(1. No. 7815 Factory of PLA, Ningbo 315000, Zhejiang, China; 2. Military Representatives Office in Hangzhou, Hangzhou 310012, China)

U664.82

A

1003-4862（2014）08-0036-03

2014-01-22

方興（1959 - ），高級工程師。專業(yè)方向：船舶電氣設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)。