基于PLC的主机调速器改装及控制系统设计

方兴，席敬波，赵洁



基于PLC的主机调速器改装及控制系统设计

方兴1，席敬波2，赵洁1

（1．中国人民解放军第 7815 工厂，浙江宁波 315000；2．总装驻杭州地区军代室，杭州 310012）

本文主要介绍基于PLC控制技术的主机遥控系统设计方法。描述了的设计思路和开发过程，同时，通过实船试验验证了系统的设计效果。

调速器 PLC 设计

0 引言

该船为工程类船舶，考虑到该船频繁拖带作业的工况，设计时选用杭齿集团马森公司的CPP可调螺距桨。主机选用重庆康明斯KTA38-M2型柴油机，柴油机出厂时配置的是机械调速器。要实现CPP变距控制与主机控制系统在驾控台上的集中控制，需要采用电子调速器。因此，需要对主机调速器进行选型改装，并在基于调速器选型的基础上，对主机遥控系统进行设计，同时实现对主机运行工况参数进行采集。

本船在驾驶室控制站对主机转速和螺距实现随动联控，集控室对主机转速和螺距实现随动分控，机旁控制，驾驶室和集控室后备控制，同一时刻只有一个位置的一种操作模式有效。整个系统，包含3个功能独立的子系统，主机遥控系统，车钟系统和集成报警显示装置系统。本文主要对主机遥控系统进行研究设计。同时综合考虑其它功能的实现。

1 系统结构

PLC作为现代控制技术的重要支柱之一，以其使用方便，可靠性高、抗干扰能力强、可拓展性能强等特点在现代控制系统中得到广泛的应用[1]。用PLC作为中央控制单元，接收驾控台或是集控室发出的车钟指令信号，然后经过PLC的逻辑运算和判断，输出控制主机电子调速器，同时还接收来自主机转速监测和主机工况信号，并将工况输出至各二次仪表板及综合监测报警系统，实现主机遥控监测。

操纵器输出4-20 mA模拟信号，PLC接收信号，通过数字计算，解析出需求的转速，并通过输出4-20 mA信号控制调速执行器动作，实现主机转速的调节。4 mA代表怠速，20 mA代表110%额定转速，可以实现油门位置反馈。

该设计，研发周期短，技术风险小，可以充分地发挥PLC逻辑处理、数字运算等优越性，可以满足该船舶对主机与CPP可变距螺旋桨联动控制要求及自动化程度要求。

2 系统设计

2.1硬件选型

2.1.1调速器的选择

采用电子调速技术是提高位置控制式燃油喷射系统柴油机调速性能的主要途径[2]。设计选取伍德沃德WOODWARD PGPL执行器应用该型柴油机上，可替换原主机调速器，而不需要改变原型驱动连杆机构。这就为电调改造提供了方便。考虑到woodward电子调速器本身的控制单元价格较高以及主机监测参数输入输出，故采取选用PLC控制模块并在飞轮端增设主机转速传感器的反馈控制方式，实现对主机调速控制[3]。

2.1.2模块的选取

考虑到该船对主机控制的要求，确定主控制模块选用三菱公司的FX3U-64MR/ES-A。FX3U-64MR/ES-A属第三代微型可编程控制器，内置高达64K大容量的RAM存储器；内置业界最高水平的高速处理0.065 μs/基本指令；控制规模:16~384(包括CC-LINK I/O)点；内置独立3轴100 kHz定位功能(晶体管输出型)；基本单元左侧均可以连接功能强大简便易用的适配器。根据输入输出信号，选取日本三菱模拟量输入FX2N-8AD型模块，模拟量输出选取FX3U-4DA-ADP型模块。

图1 系统结构图

2.1.3机旁显示设计

本系统设计仪表显示采用人机界面，选用台湾维纶通科技有限公司生产的MT6070iH型号显示屏。MT6000系列为Weintek研发出的新一代人机界面。在随时满足客户及坚持操作方便的原则下，MT6000不仅扮演着人机界面功能的角色，并且可以作为资料备份交换的中心。包含：通讯口：3组异步式串行通讯端口COM1 (RS-232 /RS-485 2W/4W)，COM2 (RS232)，COM3(RS232/ RS-485 2W)，处理器：32 Bit RISC 400 MHz。

2.1.4通讯方式

由于MT6070iH型号显示屏采用3组异步式通讯端口，PLC连接FX3U-485-BD型号通讯模块，通过无协议RS485自由通讯方式实现主控制PLC与显示器的通讯，可以将控制系统各采集参数及柴油机运转参数显示出来。同时，可以通过RS485通讯（报文格式）方式输出参数至各监控显示器。遥控手柄与PLC、PLC与执行器采用4—20 mA电流控制方式。

2.2软件设计

系统采用GXdevelop组态软件，下面是转速控制梯形图：

实际转速采集：

X000：PLC 高速计数口，通过PLC计算，得出实际转速K8。

主机要求转速：

通过AD模块，将4-20 mA模拟信号转换成D18数字量。

比较：

D20为D18与D16的差值，通过差值比较，判断主机升速或者降速。

加速/降速命令：

D30：给定执行器的电流值

减速：

加速：

3 调速器改装后的主机台架试验

在改装成电子调速器后，当驾驶台通过4-20 mA模拟信号要求转速时，PLC通过比较，实时监控主机转速。当负载逐渐加大，为了维持驾驶台要求的转速，必须加大执行器电流。此时负载变化和执行器电流的变化形成了对应关系，通过PLC浮点计算，将对应关系解析出功率百分比信号。

主机台架进行试验，通过水力测功仪对柴油机负荷信号输出进行试验。通过台架试验可以得到各转速下的负载变化和执行器电流变化，将实测数据转换为编程语言。

表1 显示转速与输出电流对照表（0-2200 rpm对应4-20mA）

表2 负荷信号与输出电流对照表（0-125%对应4-20 mA）

4 结论

通过船舶系泊、航行试验，证明改装后调速器转速控制精确、控制系统工作稳定，满足船舶设计要求并符合相关法规的要求。该系统采用PLC的控制方式，其控制精度高，执行器运行可靠性强，内置编程语言，操作灵活性大，可使用编程手段配置开关量、模拟量、通讯报文，同时扩展性强，触摸屏可以按用户要求任意配置，可以扩展32路远程同步显示等。

[1] 程周. 可编程控制器技术与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[2] 王尚勇, 杨青. 柴油机电子控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[3] 宋恩哲, 姚崇, 孙军, 范立云, 马修真. 大功率柴油机全电式调速器设计与试验研究[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

方兴（1959 - ），高级工程师。专业方向：船舶电气设计及检验。