摘 要

ABSTRACT 2

第一章：绪论 3

1.1研究背景及其意义 3

1.2船舶主机遥控系统的发展概况 4

1.3本次研究的主要内容 4

1.3.1本次研究的目的 4

第二章：船舶主机遥控系统 6

2.1船舶主机遥控系统的主要种类 6

2.1.1主机遥控系统是气动控制的 6

2.1.2主机遥控系统是电气结合控制的 6

2.1.3主机遥控系统是由微机遥控控制的 6

2.2船舶主机遥控系统的作用 7

2.2.1设计船舶主机遥控系统功能的要求 8

2.2.2逻辑程序控制 8

2.2.3转速与负荷控制功能 9

2.2.4船舶主机遥控系统的安全保护和应急操作功能 12

2.2.5船舶主机遥控系统的模拟实验装置 13

第三章：基于PLC的船舶主机遥控系统的硬件设计 14

3.1基于PLC的船舶主机遥控系统的车钟设计 14

3.1.1车钟系统的概述 14

3.2 PLC的选型 16

3.3硬件接线设计 17

第四章：基于PLC的船舶主机遥控系统的软件设计 19

4.1概述 19

4.2 PLC程序的基本结构 19

4.2.1 PLC编程的流程 20

4.3设计主机遥控系统的程序 21

4.3.1操作位置切换功能程序设计[3] 22

4.3.2逻辑控制功能程序设计 23

4.3.3转速与负荷控制及限制功能程序设计 25

4.3.4安全保护与应急操作功能程序设计 28

4.3.5车钟通信功能程序设计 30

第五章：总结与展望 34

致谢 35

参考文献 36

中文摘要

作为现代船舶的重要标志、实现无人化机舱的主要条件，主机遥控系统指的是在驾驶台或集控室等原离机旁的位置借助远程遥控装置来操作主机的一种远程操作系统。PLC（可编程控制器）凭借其结构简单、可靠性强、抗干扰能力高、质优价廉等优点，适应了船舶工业发展的需要，已经在许多控制系统中得到了广泛的应用。本文对船舶主机的发展现状、主机遥控系统的发展现状、特点及其分类进行了初步而基础的研究。通过相应的硬件设计和软件设计，对主机遥控系统进行了设定。本文利用了在自动化领域得到广泛应用的西门子S7 300可编程控制器来充当计算机控制器，并利用可编程控制器编程软件STEP 7实现了主机遥控系统的软件设计，对船舶自动化系统的设计和改进具有一定的指导意义。

关键词：遥控系统；可编程控制器；船舶主机

ABSTRACT

As an important symbol of modern ship, the main condition of realizing unmanned engine room, the main engine remote control system is a kind of remote operating system which operates the main engine with the help of remote control device in the position beside the original machine such as the bridge or the central control room. PLC (programmable logic controller) has been widely used in many control systems for its simple structure, high reliability, high anti-interference ability, high quality and low price. In this paper, the development of the main engine, the main engine remote control system of the status quo, characteristics and classification of a preliminary and basic research. Through the corresponding hardware design and software design, the main engine remote control system is set up. In this paper, the Siemens S7300 programmable controller which is widely used in the field of automation is used as the computer controller, and the software design of the main engine remote control system is realized by using the programmable controller programming software STEP 7 It has certain guiding significance for the design and improvement of ship automation system.

Keywords: Remote control system;programmable controller; marine main engine

第一章：绪论

1.1研究背景及其意义

在船舶发展的漫长历史中，作为船舶的动力之源，其推进方式也经历了许多次发展、进化。最早的船舶采用的是人力或风力推进，第一次工业革命之后，美国人富尔顿最先把以蒸汽机为原型的蒸汽轮机搬上了船。第二次工业革命之后，热效率更高的柴油机又登上了历史舞台，并且一直活跃到今天还有着旺盛的生命力，后来又出现了燃气轮机、核动力、电力和喷水、喷气等推进方式。当下，大型的船舶采用的推进方式主要是柴油机推动前进的方式，一部分采用电力推动前进的方式，这就涉及到如何控制的问题。

把柴油机作为船舶推进装置的船舶一般在主机旁边、集控室和驾驶台三个位置进行控制和操作。当船员在机旁通过接收驾驶台指令进行操作的时候称为本地控制。为了减轻轮机部船员的劳动强度，改善船员们的工作环境，在机舱设置了集控室，为了使船员离开机舱的时候也能操作主机，遥控系统又延伸到了驾驶台。操作系统发展到了这个阶段，这个时候就对一种能够远程操作主柴油机的操作系统产生了需求。于是，经过相关科研人员的不懈探索和研究，终于研究出来一种可以远距离操作船舶主机的操作系统，这就是以后大名鼎鼎的船舶主机遥控系统。

随着科学技术的进步,船舶自动化技术也不断发展。现代舰船在朝着一个更大,更快,更专业的方向发展。该型柴油机船主机遥控技术也发展的非常迅速。到现在为止,它已经经历了四代。刚开始出现的船舶主机遥控系统由气动元件构成，是为第一代船舶主机遥控系统。然后出现的船舶主机遥控系统由电子分立元件或中继气动元件构成，是为第二代船舶主机遥控系统。接下来的船舶主机远程控制系统使用小型和中型电子集成电路和气动元件构成，是为第三代船舶主机遥控系统。目前船舶主机远程控制系统由包括可编程逻辑控制器和气动制动器的微型计算机构成，是为第四代。

时间回溯到五十多年前，在二十世纪五十年代末期六十年代初期，大型航海船舶自动化控制的发展到了集中控制、集中监视的阶段，这个阶段的主要体现在机舱和以前相比，新设置了装有空气温度调节器和噪音隔绝设备的集中控制房间，也就是集控室。船上的值班轮机员在集控室对主机、辅机以及其他设备系统进行集中监视和控制。到了1965年左右的时候,"无人机舱"作为一个新概念开始流行,于是同样的控制设备又被复制到了驾驶台,这时候出现的船舶主机遥控系统是具有较全功能的。

最近这几年生产的新型船舶，它的主机遥控系统大多数都是采用微机控制的，它的控制原理是：采用微机编程的方法，替代了通常的硬件电路控制。

通常采用两种解决方案来进行控制。第一种是通过专业的工业控制微机控制，另一种则是采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），所以，基于PLC的船舶主机遥控系统也有非常宽广的市场前景和发展空间。本文的主要研究对象就是基于此而延伸的。

1.2船舶主机遥控系统的发展概况

对于大型低速船舶主机，主机遥控可以分为自动遥控和手动遥控两种方式，在驾驶台操控船舶时通常采用自动遥控方式，此时，船舶驾驶员发出车令信号通过船舶遥控系统按照主机要求的操纵步骤和要求自动地进行起动、停车、换向和加减速控制，直到主机运行状态达到车令要求为止。而在船舶机舱的集控室操纵时，考虑到操纵主机的是轮机员，对柴油机的状态非常熟悉，所以通常采用的是手动遥控方式。此时，轮机员根据驾驶台下达的车令，结合主机的实际状态，按照相关的操作步骤和要求，通过集控台上的操纵手柄对主机进行手动操作。有些遥控系统也会装配有集控室自动遥控功能，具体是否安装由船舶所有人选择。

轮机员通过操纵该船舶的主机的远程控制系统,可以对主机进行一些逻辑控制的操作，比如：起动逻辑控制,停车逻辑控制,换向逻辑控制等等,其可以闭环控制主发动机的转速,并且还可以限制主机转动的速度和主机承受的负载,而且具备基本的安全性和保护功能。

这种远程操作的系统不仅能改善轮机员的工作环境质量和船舶的推进装置操纵性能，而且还能很大程度上保障船舶航行的安全以及主柴油机工作的可靠，以上几条得到保证之后，船舶在远洋航行的花销就会降低，这会使得航行的经济性大大提高，所以它既是船舶轮机自动化的重要组成部分，也是现代船舶实现机舱里面没有工作人员的必不可少的条件之一。

1.3本次研究的主要内容

本次研究的主要内容就是基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的船舶主机遥控系统。通过查阅相关资料，对主机遥控系统的功能设置、硬件选配、程序编写进行设计，最终形成一套可行性较高的主机遥控解决方案。

1.3.1本次研究的目的

本次研究致力于通过对现代船舶主机遥控的发展分析和PLC技术的了解设计一套完整的基于PLC的船舶主机遥控系统。基于可编程逻辑控制器的主机遥控系统,拥有非常可观的价值,极为宽广的市场前景,运用并充分发挥可编程逻辑控制器的优良性能应用于现代船舶的自动化控制领域,意义非常重大。综上所述,基于PLC的主机遥控系统有很大的应用价值和光明的发展前景。充分发挥PLC的优越性，使系统更广泛地适用于各种类型的船舶。

第二章：船舶主机遥控系统

2.1船舶主机遥控系统的主要种类

2.1.1主机遥控系统是气动控制的

作为一种较为过时的技术，通过气动控制的主机遥控系统已经基本为现代船舶所淘汰。其基本原理是驾驶台和集控室发出气动信号，通过中部的控制回路进而发出控制信号来控制主机。一些主机遥控系统把原本属于驾驶台的重复启动、程序负荷等功能，通过扳动手柄来实现，使集中控制室的遥控线路得到了简化。即便通过气动控制的系统有着结构清晰并且简单直观的优点，但是因为气体有着可压缩性，存在着控制延后的弊端。一旦出现了气体污染，就极其容易造成部件受到损伤，久而久之，有引起控制不灵敏的可能性。还有一点就是气动控制的系统体积庞大，阀门数量多，管系错综复杂，给使用中的检修造成了较大困难，因此近年来的新下水的船舶对于气动控制的主机遥控系统一般不予采用。

2.1.2主机遥控系统是电气结合控制的

由电气共同控制的主机远程控制系统当中,集中控制房间配备有半自动的气动控制系统,而船舶驾驶台使用电动控制主机远程控制系统。路径为:驾驶台发送一个电动遥控信号,该信号通过逻辑电路的传输和处理,然后输入到电气转换装置转换成气体压力信号通过集中控制室的气动逻辑电路。电气结合的主机远程控制系统具有极其广泛的类型。但一个共同特点是它们共同拥有的,那就是通过输入电气转换器来把电信号转化为气体压力信号,进而由集中控制室的气动操控系统向主机发送信号,进而达到操纵主机的目的。

此种控制方式让气动和电动这两种远程控制系统的长处得到了充分的发挥,成功的把这两种远程控制系统的缺点给规避了,综上，此类控制系统是功能比较完备、结构比较适合的一种主机远程控制系统。这种结构,使得驾驶台的线路布置较之前简约了许多,大大节省了船上的空间,和完全气动控制的主机远程控制系统相比更加具有实用性。电气组合的主机远程控制系统可分为根据接触面积不同的两个情况:接触式和非接触式。它们的不同之处在于：所谓的非接触指电逻辑和控制电路是由电子组件组合而成的。接触式是指电逻辑和控制回路是由中继组件组合而成的。

2.1.3主机遥控系统是由微机遥控控制的

除了上面讲的两种主机远程控制系统，还有第三种控制形式，集中控制室还是选择使用了半自动控制的主机远程控制系统，而船舶甲板部向轮机部集中控制室发送的也是电动遥控信号。轮机部收到信号再进行相应操作。实际上此类控制方式也归类于一种电气结合控制的控制方式，与前面所描述的电气结合控制原理不一样的地方是：此类控制方式的逻辑回路是由计算机软件程序实现的，而不是由硬件电路组成的。

通过微机控制的主机远程控制系统需要达到传统远程控制系统的所有要求，而且还可以适应各种远程控制模型需求，因为微机的遥控系统由各种硬件程序组成，取代了硬件电路。控制电路和逻辑电路的设计大大减少了日常维护和维修的工作量，而且占用空间小、重量比较轻、可以灵巧搬运、有较强的自我检查功能。另外因为微型计算机可以更适合的满足主柴油机的各种需求，从而使主机的功率得到充分利用，燃料消耗率降低到最小，各种综合条件的满足使得主机达到最佳运行效率。综上所述，由微型计算机组合而成的主柴油机远程控制系统在现代船舶中的应用前景越来越光明。

2.2船舶主机遥控系统的作用

远程控制系统是从中央控制室或桥梁等距离控制和控制主机，从而达到速度控制、倒车等操作的目的。该控制系统由顺序逻辑回路、组逻辑回路、反馈控制回路和各种安全保护回路组成，它的位置设在主机的指令输入机构和指令执行机构之间。船舶主机遥控系统是无人机舱的重要保障，是整套船舶主机自动化控制系统的重要组成部分。

在船舶主机遥控系统中，安装在甲板部驾驶室里的主机遥控装置要求一定是全部自动化的，但是装备在轮机部集中控制室的主机遥控系统可以不是全自动的，半自动的也可以，当然也可以是全部自动化的。如果一艘远洋船舶装备有先进的主机遥控系统，那么主机可以从机舱、集中控制室和桥梁进行操作和控制。由于主机只能在一个位置上由一个系统操作和控制，所以需要在这些位置建立控制系统转换器。机器附近需要一个控制系统传送手柄。它有两个齿轮，即“遥控”位和“局部控制”（或“紧急控制”）位。用于切换操作和控制。

在远程控制的情况下，传输手柄处于“远程控制”位置，此时轮机员可以从驾驶台或中央控制室远程操作主机。在两个遥控系统发生不同程度故障的情况下，轮机员必须进入机器，第一步是将转移手柄拉到“本地控制”位置，两个故障的遥控系统失去控制，从而防止船舶航行安全受到威胁。故障导致的错误命令。然后，根据轮机员在靠近发动机的驾驶台上的顺序，使用手轮或靠近发动机的手柄来操作主机。在集中控制室的操作台上，还设置了一个控制手柄的开关手柄，用于改变像前手柄一样的控制位置，它有两个档位，这两个档位分别是“Engine Control Room”（ECR集中式控制室）和“Bridge”（BR驾驶台控制）转换手柄。当手柄处于“集中控制室”位置时，驾驶台只能通过向集中控制室发出指令来控制主机。当手柄被拉到“驾驶台控制”位置时，集中控制室中的遥控手柄不起作用。值班人员可使用手柄直接对主机进行控制和操纵。

2.2.1设计船舶主机遥控系统功能的要求

设计船舶主机遥控系统的功能有以下要求，还要满足《中国船级社钢制海船入级规范》对船舶自动化附加标志的要求。

（1）在机舱集中控制室中，如果发生紧急故障，则能够遥控和自动顺序控制主机的遥控装置的起动、调速和正向和反向操作，包括轴系换向装置和发动机停止。上述控制系统保证了机旁的控制站对主推进装置的人工有效手动操作。

（2）主柴油机的自动顺序控制应提供必要的连锁保护，防止机械损坏，降低船舶的使用寿命，增加故障的风险。

（3）上述主发动机控制系统应确保在所有工况下消除主柴油机和轴系上的有害机械负荷和热负荷。

船舶主机遥控系统的功能一般包含下列六个方面,也就是逻辑控制功能、转速与负荷控制还有它的限制功能、操纵方法及其切换控制位置的功能、安全保护与应急操作的功能以及车钟通信的功能,所以,主机遥控系统功能设计就主要针对以上六个方面。

2.2.2逻辑程序控制

主机遥控系统之所以被设计，是为了具备控制主机的各种有效功能，虽然这些系统种类和结构都已呈多样化的状态，而且功能相似。但不可否认的是，因此,掌握这些主要功能对实际遥控系统的学习大有裨益。首先要介绍四个维度的主机遥控系统功能，即逻辑控制功能、转速与负荷控制还有它的限制功能、 安全保护与应急操纵功能和模拟试验的功能。我们将在接下来的文章中进行分别的具体介绍。

（1）换向逻辑控制

当启动主发动机,所述远程控制系统首先根据车钟的手柄是否是在正车或者是倒车的两个档位当中的一个,也就是一个特定的位置进行换向逻辑判断,是否该车令的位置和所述位置实际凸轮轴是一致的。当两个的位置不一致,则自动控制主机扭转方向,达到主控制器的凸轮轴位置是与命令位置相一致的目的。换向命令完成之后,远程控制系统被转移到起动控制。此外,如果主机凸轮轴可以是具有规定的时间内由车辆命令所要求的位置相一致,在这种情况下,远程控制系统将发出故障报警信号,警告主机换向失败,并在同一时间禁止主机起动。

（2）起动逻辑控制

遥控系统需要有效鉴别起动条件，各项条件没问题之后，才可以进行起动程序，转速达到发火切换转速的时候，自动进行油气转换，起动成功的话就转入加速程序。

（3）重复起动逻辑控制

主机允许起动失败的次数是有限的，一般只允许三次点火不成功，前两次起动失败系统会自动进入再次起动的程序，如果第三次起动还是不成功，那么系统就不会再次起动，同时发出信号告知工作人员起动不成功。

（4）重起动逻辑控制

有时起动条件恶劣或者情况紧急，比如船舶在走锚的时候，会采用紧急启动、倒车启动或重复起动,为了提高启动的成功率,本系统将自动增加起始油量来起动,或自动增加起动空气截止转速运转。

（5）慢转起动逻辑程序控制

主机停车时间的规定时间,一般为30秒至6分钟,在这个时间段可控制。当主机重新启动超出指定的时间时,主机将自动通过远程控制系统控制为进入慢启动状态,即,缓慢地旋转1至2圈,然后进入正常的启动状态。若主机进入慢转起动状态后仍然启动失败,将封锁正常启动过程,而在同一时间发出报警信号,即启动失败。一般而言,有两种方法用于实现慢启动,一个是控制主起动阀的开度;另一种是设置主起动阀和辅起动阀。

需要解释的是，设置慢转起动的合理性。首先是通过建立润滑油膜，减少主机各主要摩擦面磨损，以达到延长其使用寿命的目的。另一方面，也是最为重要的一方面，可以起到风险预警的作用。当慢转起动没有成功之后,可以逐步排查出主机的故障所在,能有效的减少起动事故发生的概率。

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