摘 要

为了提高船舶自动化水平和降低营运成本，针对传统船舶的舵机系统的稳定性低，反馈及自动化环节薄弱，以及维护保养费时费力的问题，采用PLC控制的方法，用虚拟的程序来代替部分实体元器件。在实验条件下用可编程控制器实验台对构建的PLC控制系统进行了调试。试验表明，对船舶舵机进行PLC控制设计，既保证了船舶舵机的正常运转，又提高了舵机的自动化水平和稳定性，简化了后期维护管理，并且降低了运营成本。

关键词：船舶舵机；PLC；稳定性；降低运营成本；简化

Abstract

To improve the ship’s automation level and reduce operating costs, for the problems of the low stability of the traditional ship’s steering gear system, the weak of feedback and automation ,as well as wasting time and energy to maintain it, a method based on PLC is adopted, part of entity components are replaced by virtual programs. Under the condition of laboratory, the designed PLC control system was tested by the PLC bench. The test results show the controlling of the ship’s steering gear by the PLC control system can not only insure that the ship’s steering gear running normally, but also improve the ship’s automation level and stabilization, simplify the post-maintenance and management, and reduce operating costs.

Key words: ship’s steering gear; PLC; stabilization; reduce operating costs; simplify

目 录

第一章 绪论 1

1.1国内的发展现状 1

1.2国外发展现状 3

第二章船舶舵机及PLC方面的基础知识 5

2.1舵的类型和特点 5

2.1.1平衡舵 5

2.1.2不平衡舵 5

2.1.3襟翼舵 5

2.1.4导流管舵 6

2.2舵的工作原理 6

2.3舵的转船力矩和水动力矩 8

2.4泵控型液压舵机的基本组成和工作原理 9

2.4.1阀控型液压舵机 9

2.4.2泵控型液压舵机 10

2.5液压舵机的转舵机构之十字头式转舵机构 15

2.6液压舵机的遥控系统 16

2.7所用到的PLC部分基础知识 19

2.7.1 PLC的定义 19

2.7.2 PLC的系统组成 19

2.7.3PLC工作原理 19

2.8STEP7－Micro/WIN32编程软件介绍 20

2.8.1编程软件的安装和设置 20

2.8.2编程软件的功能 21

2.8.3编辑软件的使用 23

2.9自动操舵 25

2.9.1自动舵的类型 28

第三章．电动液压舵机实例及PLC程序设计 30

3.1选择不同的工况 31

3.2锁闭主油路 31

3.3放气，补油和压力保护 32

3.4辅油泵的作用 32

3.5PLC程序设计 34

第四章总结与展望 41

4.1总结 41

4.2展望 41

致谢 45

第一章 绪论

改革开放以来，我国各行各业都得以飞速发展，科技领域尤其突出，工业化和自动化程度都得以明显的提高，控制系统广泛应用于各个领域。作为海上运输业的船舶当然也是如此，怎么实现让船舶在浩瀚的海洋上按照驾驶员的意愿在既定的航线上航行呢？这就是由舵来实现的，在船舶导航方面，舵机当仁不让的起到了举足轻重的作用，舵机控制系统俨然是船舶各个系统中不可或缺的系统之一，它不但直接或间接的影响船舶的导航，而且还影响到船舶的安全性和经济性。

鉴于舵机对于船舶的重要性，考虑到舵机系统的安全性和可靠性，我们这里讨论运用虚拟的PLC控制程序来代替部分实体元器件，比如浮动杆式追随机构，不仅在成本上可以降低，同时后期维护和保养也会相对简单，但是更重要的是运用程序来控制，就会提高整体的安全性，因为程序的故障率和犯错率毕竟要远远的低于实体元器件，故尝试用PLC来控制船舶舵机是一种可取的作法。

1.1国内的发展现状

目前国内船舶上配备的舵机多为液压式舵机，从1970年以来，液压传动技术就一直在飞速的发展，高压化和集成化是发展的趋势，也取得了很大的进步，很多新型的液压元件也开始被应用到工业生产制造中来，当然在船舶行业也是如此，比如逻辑阀，比例阀等，渐渐地取代了传统的三点追随机构和五点追随机构。自动化程度在不断地攀升。自动舵的推陈出新大概经历了如下的过程：第一阶段经典控制的自动舵，这是一种采用比例积分微分技术的自动舵，即PID调节，这个过程是通过模拟电路来实现的，但是问题就是，PID调节它是一种借助于确定的数学公式和确定的数学模型来工作的，但是现实生活中的海况和实验的模拟情况有着天壤之别，不同的海域，不同的海况，船舶的吨位，航速，以及洋流等等诸多因素均干扰着，所以这个数学模型实际上是实时变化的，不可能是一成不变的，为了解决这个问题，船舶在设计之初，就已经在自动舵的控制面板上安装了微分时间，积分时间和增益调节等旋钮，这样再由经验丰富的老船员来根据多年的航海经验结合当下的海况做出相应的调整，所以基本上处于半自动状态；接下来进入第二阶段，自适应自动舵，人们在经历了上一阶段的实践之后，知道没办法用一个不变化的数学模型来套用所有的情况，所以后来提出了自适应理论，并把这一理论应用在船舶的自动舵上，简单的说，就是在船舶遇到不同的海况，各项影响数学模型的参数均发生变化的时候，通过检测不同的参数的变化量，从而实时的对原有的数学模型做出相应的调整，以达到最大限度的符合该海况下舵机应该存在的状态，从而使船舶能够在外界干扰情况下，及时的做出相应的应对和调整，并最终做出最正确的决定；接下来就是发展的第三阶段，即智能化控制阶段，这一阶段在尝试用人工智能技术替代以往的用数学模型来控制舵机的方法，该技术的特点就是，尽量少的运用数学模型，而是主要根据经验来控制，即模糊控制，因为外界环境其实也是属于一种模糊的状态，故以彼之道还施彼身，我们也采用模糊控制的方式，达到更精准的控制。

阀控型和泵控型是舵机液压控制系统的最重要也是最基本的两种形式，当然以此为基础，慢慢的衍生出更多的形式，比如电液复合控制，阀泵并联控制，还有阀泵串联控制。现在的液压舵机的各方面性能也得到了很大的提高：

油箱液位报警开关基本上成了标配，并设置了自动隔离装置。电液换向阀是其中最具有代表性的一种隔离装置。富利登渡公司长期生产转叶舵机，该公司鉴于传统工艺方案令设备变得相当复杂，价格高昂，更重要的问题是这其中的部分阀件在紧急状况下能否按照设计者想象的那样去动作还是一个问题，毕竟这些阀件一般情况下就是静止不动的，所以又想到了另外一种方案来解决隔离损坏的油路，即只选用两个主油路自动锁闭阀，遗憾的是，这种方法只能应用在转叶式油缸上。油路相通相应油腔被设置在缸体内部，但是当一对油腔密封损坏时，就会出现问题，就不能使工作油路和它相隔离。

半闭式系统有所增加，液压起货机多采用半闭式系统，在起货机中采用开式的话，经济性会比较差。负荷大是起货机的一个特点，如果使用简式系统，则会出现一些问题比如油液发热严重。低压选择阀因此被应用进来，这可以使该系统在工作时从低压到连续与油箱换油达总量的1/3，所以被叫做半闭式系统。然而舵机一般发热不是很严重，因为基本上都是在空载情况下工作，所以刨除少部分的小型控制型舵机采用开式系统以外，大体上还是选择采用闭式系统的。

值得注意的是近些年来半闭式系统也有所增多，但并不是为了解决油液发热，比如某些阀控型液压舵机中，开式系统被用在舵机稳舵时，但是闭式系统被用在了转舵时，这可以被叫做半闭式，另外市场中有相当一部分转舵机构采用的是摆缸式，这种机器采用的是双作用活塞，由于它两侧油腔进排油流量不等，故选择了半闭式系统。

浮动杆式三点追随或者五点追随机构在慢慢的被淘汰。三点式浮动杆反馈机构或者五点式浮动杆反馈机构被沿用了很多年，这是变量泵舵机的经典反馈机构。但是伴随着自动化技术的不断更新，该机构渐渐由于自身的诸多弊端而被市场所淘汰，除了在少数内河和江船上还见得到，在还海船上已经淘汰，它的弊端主要体现在：增加了实体元器件的数量，给试航和调试带来了更大的工作量，维护保养也更加的繁琐，故障发生的可能性也随之加大，可以说是在反馈系统中增加了一个环节，这就使原本已经够复杂的过程显得更加的冗长，重要的是同时也降低了反馈系统整体上的控制精度，鉴于它的工作原理，往往双泵共用同一个浮动杆，这就导致备用泵机构也必须跟着动作，那么这个主油路也必须随之锁紧。

1.2国外发展现状

作为保障船舶在大海上航行安全的重要机构——舵机，毫无疑问的对其可靠性的要求也会自然而然的高。所以兼具高可靠性和大功率的液压舵机因为能够非常好的实现空间布置和动力要求，船舶的舵机也因此更青睐于采用液压舵机作为主舵机。但是，凡事有利即有弊，液压舵机也存在如下的弊端：由于是液压的，所以需要铺设很多管路，来传递压力信号和压力，另外还要与之配套的安装很多相关的阀件，这些必然导致该机构在控制方面存在一定的不直接和延迟，也会降低效率，组件繁多也会让后期的维护和保养很繁琐，这些弊端毫无疑问的会影响到它发挥本身的功能。

研究人员发现电动舵机很好地克服了上述液压舵机的种种缺点。在电机技术和精密制造技术以及控制技术的不断发展，以及新型稀土永磁材料的出现，电动舵机技术取得了很大的突破，甚至在航空航天领域也得到了广泛的应用。

在船舶领域，该技术得到国外海军的高度重视，英国海洋军队甚至研究制造出了应用在潜艇和水面舰艇控制的相应的电动舵机。这种新型的电动机由于采用了折返式连接机构，所以它的体积相对较小，安装布置起来也相对要简单方便。

电动舵机需要实现用电动机带动推杆运动，即把旋转运动转变为直线运动。但是由于舵的转动速度相对来说是很慢的，同时它所需要的推力却很大，这样一来电动舵机的运行可靠性就会因为用不同的直线传动机构而受到影响。

无法在重载工况下长时间工作是以往的一些传统的直线传动机构所面临的问题，比如螺母丝杆，齿轮齿条式和涡轮蜗杆式的直线传动机构。另外温升以及附带产生振动噪声也限制了机电传动装置的发展。目前一种比较可靠的新型直线传动机构为行星滚柱丝杆，这种新型机构很好的解决了上述的问题，它很突出的一点就是能够在重载工况下连续长时间的工作，而且精度也很高。

虽然在航空领域，电动舵机技术已经很成熟，但是反观船舶行业，这项技术还是一种新兴的有待探索的技术，虽然有部分军舰已经用到该技术，但是仍然需要突破重重技术困难，才能实现商船的普及

第二章船舶舵机及PLC方面的基础知识

2.1舵的类型和特点

常见的舵的形式有以下几种：平衡舵，不平衡舵，襟翼舵，导流管舵

2.1.1平衡舵

舵杆并不和导缘在一起，而是在导缘的后面的舵叫做平衡舵。还有一种叫做半平衡舵的，区别是仅仅下半部符合平衡舵。由此舵杆前后的舵叶都会产生水压力力矩，二者相抵消，以此来减小作用在舵杆上的转舵力矩。平衡系数N为舵杆中心前与整个舵叶的面积比M'/M。随着N的增大，最大转舵力矩也随之减小，但是最大负力矩却随之增大。平衡系数一般都维持在0.15－0.35，目的是为了让舵叶有一定的稳定性，并且减小舵机功耗。

2.1.2不平衡舵

舵杆和导缘在一起（一般为舵杆轴线和舵叶的前缘很近）的舵，叫做不平衡舵。该舵的转角力矩较大，因为这种舵的舵杆中心线和水压力中心的间距较长。但是这种舵的一个优点就是在舵机出现故障，无法控制时，它能自动的居中，以此来保证船舶沿直线航行。

2.1.3襟翼舵

襟翼舵由襟翼和主舵叶两部分组成舵叶的舵。襟翼位于主舵叶后缘，随动机构独立控制。襟翼舵有两种。一种是襟翼舵其襟翼的转向与主舵叶相反，目的在于减少舵杆的扭矩或用襟翼来操动主舵叶。另一种转舵时通过连杆或齿轮机构使襟翼转角大于主舵叶转角，以提高船舶的操纵性。襟翼舵一般应用在江船或者内河的船舶上。

2.1.4导流管舵

该舵是由一个拥有特殊剖面形状的园短管套在螺旋桨外面构成的，舵叶上的导管可以随着舵杆转动。

2.2舵的工作原理

舵之于船犹如方向盘之于汽车，十分的重要。船舶航行于惊涛骇浪的大海之上，时刻保证船舶航向的可控是十分必要而又重要的事。而舵的作用恰恰体现于此，船员利用它可以很好地保持航向，使船舶能轻松抵御风浪带来的干扰。当然，既然能保持航向，同样也可以改变航向，船舶行驶在浩瀚的海洋上，其路线是事先由有关工作人员（二副）来根据以往的航行记录和当时的海况预先绘制好的，但是船舶会不可避免地偏离航线，这时就要舵起到改变航向的作用了，另外在某些特殊航道，以及两船相会时，都要改变航向，故舵的作用为保持或改变航向。

船舶正常航行时，是要保持航向不变的，所以此时舵叶应该处于正中间，也就是说舵叶与船舶中线的夹角应该为0（舵角为0），这种情况下，海水作用在舵叶两侧的力应该是相等的，也就是说，船的航向根本不会改变，还是按照原来的航线走。但是一旦舵叶偏离一个角度，无论是向哪一侧偏，船舶都会改变航向。因为舵叶一旦偏离，舵叶两侧的海水的静压力就会不一样，这和飞机机翼上下端的气流是一样的，飞机要起飞，必须受到一个向上的力克服重力，所以飞机机翼下平上凸，这样气流在流经机翼时，在机翼上下两个面的行程是有区别的，导致上面的气流速度快，下面的则慢，根据空气学压力可知，受力是向上的，这个原理同样可以类比到我们现在讨论的这个问题中，也就是说，在舵叶偏离中心位置时，海水再次流过舵叶时，其实在舵叶的两侧会产生不同的压力的，因为背水面的路程要明显的大于迎水面，也就是说舵叶处会产生一个垂直于舵叶而又指向舵叶背水面的力，作用在舵叶的压力中心O。除此之外，舵叶还会受到来自于海水的摩擦力，这是无法避免的，这是流体的特性，该摩擦力和舵叶中心线平行，也作用在舵叶的压力中心O。综上所述，在舵叶由于某种原因而偏离中心线，即产生偏转舵角后，就会产生一个合力F。这个力也可以根据工程力学，分解为和的合力，这两个分力的作用点均为舵叶的压力中心O。