CN111561403A - 一种基于plc的船用柴油机主推进机组监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，包括机旁基本监控组件、机旁安全保护组件、齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件；其中，所述的操作面板组件包括集控室监控、驾驶室监控；所述的驾驶操作组件包括驾驶操控头、操控头处理器；其特征在于：所述的机旁基本监控组件设置内部总线及外部总线；其中，内部总线用于该机旁基本监控组件与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件之间的数据交换；外部总线将该机旁基本监控组件自身采集的监控信息以及从内部总线获取的安全保护信息、齿轮箱监控信息、操作面板信息、驾驶操作信息统一存储，用于与外界电气系统进行数据通信。

Description

一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置

技术领域

本发明属于船用柴油机主推进机组监控技术领域，具体涉及一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置。

背景技术

船用柴油机主推进机组是船上的主推进动力装置，是提供船舶前进动力能量的重要设备，船用高速柴油主机具有起动快、比重量低、操作保养简单等优点，是公务船、大中型舰艇和中小型民用船舶主机的主选机型；其推进控制系统是机舱自动化的重要组成部分，能够改善船舶操纵性能，而且还能提高船舶航行的安全性，以及主机工作的可靠性和经济性，对自动化船舶建设和安全运行有重要的作用。

船用柴油机主推进机组监控装置是船舶主动力推进系统的控制装置，由柴油主机、齿轮箱、安全保护和远距离操纵系统组成，是船舶机舱自动化系统的核心，是现代船舶的重要标志。随着电子技术、网络技术的不断发展以及自动化需求的不断提高，在以往经验的基础上运用数字控制技术、现场总线技术研制柴油机主推进机组监控装置，作为船舶主动力推进系统监控、保护核心，监测、控制柴油机主推进机组的运行，提升机组综合稳定性，安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置。

本发明采用的具体方案为：一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，包括机旁基本监控组件、机旁安全保护组件、齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件；其中，所述的操作面板组件包括集控室监控、驾驶室监控；所述的驾驶操作组件包括驾驶操控头、操控头处理器；其特征在于：

所述的机旁基本监控组件设置内部总线及外部总线；其中，内部总线用于该机旁基本监控组件与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件之间的数据交换；外部总线将该机旁基本监控组件自身采集的监控信息以及从内部总线获取的安全保护信息、齿轮箱监控信息、操作面板信息、驾驶操作信息统一存储，用于与外界电气系统进行数据通信。

所述的机旁基本监控组件通过RS485总线采集与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件内的数据交互，完成现场总线应用设计。

本发明以内、外部现场总线为基础；内部RS485通讯总线，遵守MODBUS-RTU协议，波特率19200。内部总线分别连接基本监控单元、机旁LCD显示单元、安全保护单元、齿轮箱控制箱、集控LCD显示单元，基本监控单元为协议主站，其余为协议从站。基本监控单元与安全保护单元、齿轮箱控制箱之间支持读/写指令，可以进行双向数据交换，实现基本监控对整个系统数据的收集同时控制其它功能单元配合协调执行动作。基本监控单元与机旁/集控/驾控LCD显示单元之间仅支持写指令。机旁/集控/驾控三位置LCD显示单元数据内容一致，将三位置LCD显示单元配置为广播数据接收模式以提高内部总线数据交换效率。外部RS485通讯总线，遵守MODBUS-RTU协议，波特率9600，从站工作模式。外部总线RS485接口与内部总线RS485接口同处于基本监控单元PLC内，该PLC将自身采集的基本监控信息与从内部总线获取的安全保护信息、齿轮箱监控信息进行整合，并存放至外部总线接口数据寄存器中，等待船舶电气系统进行查询。

上述的数据采集处理的过程是：

S1.通过传感器，采集机旁监控组件、齿轮箱监控组件内的数据，进行滤波处理；

S2.对S1步骤获得的数据进行有效性判断；

S3.对S2步骤获得的有效数据进行数据修正；

S4.将S3步骤获得的数据进行转换，便于应用。

如上述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：还包括冷却水自动预热组件；所述的冷却水自动预热组件在柴油机停机备用状态下，检测冷却水温度并根据水温度值的变化自动加热冷却水。

如上述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：还包括滑油预供组件；该滑油预供组件包括电动滑油输送泵；其中，在柴油机停机备用时，电动滑油输送泵向柴油机的运动副注入润滑油；在柴油机由运行转为停止状态后，电动滑油输送泵对滑油进行强制循环。

有益效果：本发明通过将内部总线和外部总线实现监控装置内部的数据汇总，再通过外部总线将汇总的数据与外界系统进行交互，实现了在内部将数据进行有效性分析和数据修正，增加了系统的可靠性。本发明具有结构简单，数据传输可靠的优点，同时，本发明能够根据实际使用提供适合船用柴油机主推进机组监控的各种功能，适应性较强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为边缘处理的示意图。

图3为联锁起动的原理图。

图4为本发明所述数据处理的过程。

图5为本发明的原理图。

需要明确的是：图1中的a处为：开关量信号(燃油泄漏，水箱液位低)；b处为开关量信号(滑油压力低，曲轴箱压力高)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

具体实施例I：如图1，一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，包括机旁基本监控组件、机旁安全保护组件、齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件；其中，所述的操作面板组件包括集控室监控、驾驶室监控；所述的驾驶操作组件包括驾驶操控头、操控头处理器；其特征在于：

所述的机旁基本监控组件设置内部总线及外部总线；其中，内部总线用于该机旁基本监控组件与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件之间的数据交换；外部总线将该机旁基本监控组件自身采集的监控信息以及从内部总线获取的安全保护信息、齿轮箱监控信息、操作面板信息、驾驶操作信息统一存储，用于与外界电气系统进行数据通信。

其中，所述的齿轮箱监控组件对应图中的齿轮箱控制箱；机旁安全保护组件对应图1中的安保模块；操作面板组件对应图1中的远端输入信号端口；机旁基本监控组件对应图1中的处理模块；驾驶操作组件对应图1中的电子调速器、操纵处理器。

如图4，所述的机旁基本监控组件可以通过RS485总线采集与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件内的数据的过程是：

S1.通过传感器，采集机旁基本监控组件、齿轮箱监控组件内的数据，进行滤波处理。

其中，如图1，为解决压力信号压力源抖动问题，需要采集模块所采集压力信号进行滤波处理，使用在特定时间段内连续采集N次压力参数并去掉一个最大值，去掉一个最小值，将N-2中间值求算术平均值的方法，使压力滤波掉误差峰值和误差波谷值，更合理的实际压力值，用于显示及判断。

S2.对S1步骤获得的数据进行有效性判断；

柴油机主推进机组正常运行的参数有温度、压力、排温等，通过将采集信息与所采集参数正常范围进行对比，在控制工作状态下，若采集参数小于越限下限值或大于越限上限值时，判断传感器越限，并给予警示报警；在正常工作状态下，若采集值达到报警设定值范围(低于压力低报警值、高于温度高报警值)，判定柴油机组监测装置发出声光报警，提醒运营人员检查相关传感器。由于传感器的误差或是采集输入电路的误差，可能会存在压力传感器在管路压力为0时其采集数值低于越限值而被判断故障，但其实它是完好的，所以增加越限值边缘数据处理，如图2所示。

上述的边缘数据处理，计算出输入限值Xa与Xb越限值的范围，将当前采集值与计算出的临时变量相比较，如采集值正好是处于越限与采集值之间的某数值，将采集上限或下限赋予采集值作为最终投入计算的值。

S3.对S2步骤获得的有效数据进行数据修正；

由于温度类信号在采集过程中有传输线路线阻的存在，线阻的采集会造成显示温度比实际温度偏高，为了保证采集信号的正确性，采集电阻值后，在程序中，做一个外部可调电阻对应程序某段电阻值，用采集后的电阻减去外部调节的电阻值，其差值就是趋于实际电阻值，趋于实际温度值。在设计应用中，利用西门子PLC模块(CPU224XP)的可调电位器，与软件程序中相应的电阻可调字节(SMB28/SMB29)相对应的关系，编制校准温度程序块。调节模块上的电位器，使程序采集到的电阻值“减去”线阻，显示或判断趋于实际值的温度。

S4.将所采集的数据进行最终量值变换，将数据转换成PLC易读易应用计算、判断的数字量信息，应用完成后，再将其数字量转化为目标参数，实现机组运行状态的显示，如：电阻值与温度；4-20mA与压力；0-30mV与排温等。

为了避免在柴油机转速小于600转即低速合拍时对柴油机的损坏，齿轮箱允许合排保护功能，柴油机起动成功后，主机转速在怠速和主机额定转速的60％之间时，才允许进行合拍操作，合排保护功能不论机旁位还是遥控位都有效。此功能是也保护了在柴油机大于900转高速时合拍对齿轮箱的损坏。

上述的机旁位和遥控位指的是图1中的柴油机机旁箱上的按钮和远端输入信号端口。

在机旁控制箱面板上“机旁/遥控”转换开关用于切换工作模式。机旁模式下操作人员通过机旁控制箱进行柴油机启动、调速、紧急停机等操作；遥控模式下通过机旁控制箱所提供的延伸操作接口进行远程操作,通过安装在集控室的“集控/驾控”转换开关确定是集控室还是驾控室操作功能有效。所述的机旁基本监控组件接收外界指令时，存在优先级关系，具体优先级为：机旁基本监控组件＞集控组件＞驾驶操作组件。

如图3，所述的机旁基本监控组件在接收到启动指令后，控制启动马达的过程是：

机组无停机报警、无滑油预供失败报警、齿轮箱于脱排状态且外部起动联锁信号闭合(如排气挡板打开)时，才允许起动。起动指令有效时且无联锁情况下，控制起动电磁阀闭合，起动马达工作，柴油机转动；当柴油机转速大于等于300r/min时，控制起动马达退出工作，柴油机起动成功。

如图3，KA6是起动继电器，KA1是运行成功信号(转速大于等于300r/min)，KA24是停机报警信号。当KA24触点闭合(无停机报警信号)、起动联锁信号闭合时，起动回路有效；当柴油机起动转速超过300r/min时，KA1触点断开，控制起动马达退出工作，柴油机起动成功；所述的机旁基本监控组件与机旁安全保护组件之间相互独立且均设置了运行故障输出接口，并将上述的两个运行故障输出接口进行连通，实现两单元之间的相互监视。

为了保证柴油机的性能，如图5，上述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，还可以还包括冷却水自动预热组件，在柴油机停机备用状态下，冷却水自动预热组件可自动检测冷却水温度并根据水温度值的变化自动加热冷却水，冷却水温度≤37℃时开始加热，冷却水温度≥42℃时停止加热。对机组的稳定运行提供可靠的运行环境保障。柴油机运行成功后，冷却水预热功能退出。

为了保证柴油机的寿命和可靠运行，如图5，所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，还可以还包括滑油预供组件；该滑油预供组件包括电动滑油输送泵；其中，在柴油机停机备用时，电动滑油输送泵向柴油机的运动副注入润滑油；在柴油机由运行转为停止状态后，电动滑油输送泵对滑油进行强制循环。

例如：某项目控制箱通电后，滑油预供泵即自动工作，3分钟后若滑油压力值仍低于0.03MPa，显示屏上滑油预供失败灯点亮并报警，此时，起动功能失效；柴油机起动后转速n≥800rpm,滑油预供泵退出工作，当降速操作时，转速n≤800rpm,滑油预供泵投入工作。

本发明所述的机旁基本监控组件与机旁安全保护组件在工作过程中针对不同情况进行以下处理：

1、当监测到包括滑油压力过低报警、柴油机超速报警、曲轴箱压力过高报警和齿轮箱滑油压力过低报警等时，柴油机紧急停机。提高柴油机主推进机组的安全运行。

2、传感器测量电路故障侦测及报警功能，当传感器信号(转速传感器信号、开关量传感器信号)出现故障或传感器测量线路出现断线故障时，可以实现故障侦测报警。

3、紧急停机电磁阀驱动电路故障侦测及报警功能，当紧急停机电磁阀驱动电路出现断线故障时，可以实现故障侦测报警。

4、紧急停机按钮电路故障侦测及报警功能，当紧急停机按钮电路出现断线故障时，可以实现故障侦测报警。

本发明所述的机旁基本监控组件与齿轮箱监控组件在实际工作中，针对不同情况进行如下处理：

1、内部总线应用，齿轮箱监控组件选用PLC为控制核心，配置RS485通讯接口、传感器采集接口、数字量输入/输出接口。该部分设计充分考虑了系统工作的安全性、可靠性，将齿轮箱转速、脱/合排状态、正/空/倒车状态、压力、温度、紧急停机保护等参数信息通过内部总线通讯至机旁基本监控组件参与逻辑运算，并与机旁基本监控组件的其它信息进行整合，存放至外部总线接口数据寄存器中，等待船舶电气系统进行查询。

2、紧急停机保护，齿轮箱监控在通过内部通讯总线将齿轮箱的控制状态、参数显示、报警信息等通讯至基本监控单元的同时，又将紧急停车保护功能独立设置硬线连接端口至基本监控单元，实现齿轮箱严重异常情况下紧急停车保护的冗余控制。

本发明所述的机旁基本监控组件与操作面板组件在实际工作中，针对不同情况进行如下处理：

1、内部总线应用，基本监控单元与集控室LCD显示单元、驾控室LCD显示单元进行内部RS485通讯，遵守MODBUS-RTU协议，波特率19200。机旁/集控/驾控三位置LCD显示单元数据内容一致，将三位置LCD显示单元配置为广播数据接收模式以提高内部总线数据交换效率。

本发明所述的机旁基本监控组件与驾驶操作组件在实际工作中，针对不同情况进行如下处理：

1、双机双站控制模式，推进操控系统采用国外知名公司ZF公司的ZF785C全电子式遥控产品，采用双机双站控制模式，实现四台推进机组的集控/驾控两位置控制。该部分由集控室操控头、驾驶室操控头、处理器三部分组成。三者之间通过CAN通讯总线连接，处理器将接收到的操控头通讯数据转换为4-20mA模拟量信号和开关量信号，4-20mA信号进入电子调速控制器实现机组转速调整，开关量信号进入齿轮箱控制箱实现齿轮箱离合器的脱/合排控制以及正/空/倒车控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，包括机旁基本监控组件、机旁安全保护组件、齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件；其中，所述的操作面板组件包括集控室监控、驾驶室监控；所述的驾驶操作组件包括驾驶操控头、操控头处理器；其特征在于：

所述的机旁基本监控组件设置内部总线及外部总线；其中，内部总线用于该机旁基本监控组件与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件之间的数据交换；外部总线将该机旁基本监控组件自身采集的监控信息以及从内部总线获取的安全保护信息、齿轮箱监控信息、操作面板信息、驾驶操作信息统一存储，用于与外界电气系统进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的机旁基本监控组件通过RS485总线采集与齿轮箱监控组件、操作面板组件、驾驶操作组件内的数据进行交互，其过程是：

S1.通过传感器，采集机旁基本监控组件、齿轮箱监控组件内的数据，进行滤波处理；

S2.对S1步骤获得的数据进行有效性判断；

S3.对S2步骤获得的有效数据进行数据修正；

S4.将S3步骤获得的数据进行转换，便于应用。

3.根据权利要求2所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的S1步骤中的滤波处理方法是：在特定时间段内连续采集N次压力参数并去掉一个最大值，去掉一个最小值，将N-2中间值求算术平均值，最终获得滤波后的数据值。

4.根据权利要求2所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的S2步骤中的数据修正过程为：

通过边缘数据处理方法确定采集数据的有效性，以对数据进行修正。

5.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的机旁基本监控组件控制齿轮箱监控组件的过程包括：柴油机启动成功后，主机转速在怠速和主机额定转速的60％之间时，才允许进行合拍操作。

6.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的机旁基本监控组件接收外界指令时，存在优先级关系，具体优先级为：机旁监控组件＞集控组件＞驾驶操作组件。

7.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的机旁基本监控组件在接收到启动指令后，控制启动马达的过程是：

当柴油机启动时，机旁基本监控组件根据齿轮箱监控组件发出的齿轮箱于脱排状态且外部启动联锁信号闭合时，才允许启动；

机旁基本监控组件持续采集启动指令和柴油机的转速，当机旁基本监控组件接收到启动指令的同时，柴油机转速达到阈值，则控制启动马达退出工作，柴油机启动成功。

8.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：所述的机旁基本监控组件与机旁安全保护组件之间相互独立且均设置了运行故障输出接口，并将上述的两个运行故障输出接口进行连通，实现两单元之间的相互监视。

9.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：还包括冷却水自动预热组件；

所述的冷却水自动预热组件在柴油机停机备用状态下，检测冷却水温度并根据水温度值的变化自动加热冷却水。

10.根据权利要求1所述的一种基于PLC的船用柴油机主推进机组监控装置，其特征在于：还包括滑油预供组件；该滑油预供组件包括电动滑油输送泵；

其中，在柴油机停机备用时，电动滑油输送泵向柴油机的运动副注入润滑油；

在柴油机由运行转为停止状态后，电动滑油输送泵对滑油进行强制循环。

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