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)
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)。
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。
2.1.1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。
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:
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)
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)。