基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统毕业设计论文.doc

船用锅炉是远洋运输船舶必备的辅助设备之一。锅炉产生的蒸汽主要用来加
热燃油、加热滑油、主机暖缸、驱动其它辅助机械以及生活杂用等。目前，经济
全球化和一体化的飞速发展促进了船舶也朝大型和超大型方向发展，因此对锅炉
蒸发量的要求将越来越大。与此同时，对锅炉经济性和安全性的要求也将越来越
局。
近年来，随着自控技术的飞速发展，船舶自动化控制系统也越来越完善。本
文应用可编程控制器(PLC)硬件接口技术和组态王软件开发技术来实现船舶辅锅
炉计算机监控。系统构成主要包括PLC模块、PLC扩展模块和软件设计等。系统采
用西门子公司的57一200系列PLC和北京亚控科技发展有限公司开发的组态王6.52
软件。
文章首先对船舶辅锅炉的自动控制系统进行阐述，明确锅炉自动控制系统的
各个组成部分以及各个部分的控制对象和控制目标，简要分析其发展现状。
其次文章对可编程序控制器和组态王软件进行分析，明确它们的工作原理和
结构，分析它们的功能，确定把可编程序控制器和组态王软件应用于船舶锅炉的自
动控制系统完全可行并能取得完美的监控效果。
本文对船用锅炉的点火时序自动控制系统、水位自动控制系统、蒸汽压力自
动控制系统、安全报警和手动控制系统进行了比较深入的研究。根据辅锅炉自动
控制系统的特点，构建了船舶辅锅炉监控系统结构的组成和控制方案。文章对系
统的输入、输出进行设计，同时对输入输出信号的采集与转换进行分析。在明确
西门子57一ZOOPLC工作原理和开发特点的基础上，设计了锅炉点火时序控制程序、
锅炉水位自动控制程序、蒸汽压力自动控制程序以及锅炉的安全保护程序等。最
后在组态王软件中设计监控图形画面，根据对船舶辅锅炉的现场考察，合理布置
设备画面，设计的画面尽量符合工业现场的要求。同时，在组态王中建立数据库、
设置通一讯参数、编写命令语言和配置运行系统等。
最后，通过组态王与PLC建立连接，实现了船用辅锅炉的计算机监控系统。
关键词:船舶辅助锅炉;可编程序控制器;组态王软件;自动控制
目录
第1章绪论..............................................................................................................……1
1.1船用锅炉自动控制概述..............................................................................……1
1.2船用锅炉系统发展现状..............................................................................……2
1.3本文研究的主要内容..................................................................................……3
第2章可编程序控制器及其工作原理..................................................................……5
2.1可编程序控制器简介..................................................................................……5
2.1.1可编程序控制器的基本概念............................................................……5
2.1.2可编程序控制器的特点....................................................................……5
2.1.3可编程控制器的应用........................................................................……7
2.1.4可编程控制器的发展趋势................................................................……7
2.2可编程序控制器的结构..............................................................................……8
2.2.1CPU的构成........................................................................................……9
2.2.2FO模块.............................................................................................……10
2.2.3电源模块..........................................................................................……10
2.2.4底板或机架......................................................................................……10
2.2.5PLC的外部设备...............................................................................……10
2.2.6PLC的通信联网...............................................................................……H
2.3可编程序控制器的工作原理....................................................................……n
2.3.1可编程序控制器的工作过程..................................................……，.……n
2.3.2可编程序控制器对输入/输出的处理规则.....................................……12
2.3.3PLC的扫描周期及滞后响应..............................……，......................……13
第3章组态王软件简介........................................................................................……14
3.1组态王软件6.51的主要功能...................................................................……14
3.1.1工程管理..……，.................................................................................……14
3.1.2画面制作系统............……，...............................................................……14
3.1.3报警和事件系统..............................................................................……巧
3.1.4报表系统..........................................................................................……巧
3.1.5控件..................................................................................................……15
3.1.6OPC...................................................................................................……15
3.1.7通讯系统..........................................................................................……16
3.1.8安全系统..........................................................................................……16
3.1.9网络功能..........................................................................................……16
3.1.10冗余系统........................................................................................……16
目录
3.2组态王开发的一般过程............................................................................……16
3.2.1创建组态画面.................................................·································……16
3.2.2定义Fo设备..............……，...……，二，…，，.................··..·······················……17
3.2.3构造数据库...........................................................................······.····……17
3.2.4建立动画连接....................................................······························……17
3.2.5运行和调试…，……，...........................................................................……18
第4章船用燃油辅锅炉及其自动控制................................................................……19
4.1船用辅锅炉...............................................................................................·……19
4.2船舶辅锅炉的自动点火控制与安全保护................................................……19
4.2.1点火时序控制........................................................··..······················……19
4.2.2安全保护系统...................................................··.····························……20
4.3船舶辅锅炉水位控制系统........................................................................……20
4.3.1单冲量水位控制...........................……，..............……，.……，.…，…，，…，二，，，二21
4.3.2双冲量水位控制.........................................·····································……23
4.3.3三冲量水位控制..........................................··.·································……25
4.4船舶辅锅炉蒸汽压力控制系统，...........................……，...............……，.......……26
4.4.1蒸汽压力双位控制............................……、.......................................……27
4.4.2蒸汽压力多位控制..........................................................................……28
4.4.3蒸汽压力定值控制..........................................................................……28
4.5船舶辅锅炉手动控制系统........................................................................……29
第5章基于PLC与组态王的船舶锅炉监控系统设计.......................................……31
5.1系统输入输出设计.................................................···································……31
5.1.1数字量输入输出设计..........................................……，...……，.…，......……31
5.1.2模拟量输入输出设计........................……:.......................................……犯
5.1.3输入输出信号的采集与转换...............................................……，....……32
5.2系统硬件组成...........……，..........................................................................……34
5.2.1组态王上位机系统..........................................................................……34
5.2.2PLC及其扩展模块选型..............................................……，..............……34
5.2.2.1西门子57一200系列PLC..................................................……35
5.2.2.2PLC扩展模块........................................................................……36
5.2.3组态王与西门子57一200的通信.....................................................……36
5.2.3.1组态王的通讯机制...............................................................……36
5.2.3.2组态王与57一200的PPI通信方式..................................……37
5.3PLC软件设计.............................................................................................……38
目录
5.3.1PID功能预置……，..............................................................................……38
5.3.2变量地址分配...............................……，.............................................……43
5.3.3锅炉点火时序控制设计...................................................................……45
5.3.4锅炉水位自动控制系统设计...........................................................……51
5.3.5锅炉蒸汽压力自动控制系统设计...................................................……56
5.3.6锅炉安全保护控制设计.…，..............................................................……61
5.4组态王软件设计.........................................................................................……61
5.4.1设计图形界面.....................................................……，.......................……61
5.4.2定义外部设备...................................................................................……62
5.4.3构造数据库.......................................................................................……62
5.4.4定义动画连接.............................................................................……，.，…64
5.4.5编写命令语言........................……，....……，.........................................……64
5.4.6设置通讯.............................................................……，.......................……65
5.4.7设计组态王运行系统.....……，...........................................................……66
5.4.8安全管理系统.....................................................……，.......................……66
论...........................................……，......................................................................……67
考文献.......................................................……，...............一，.……、.................……68
读学位期间公开发表论文...................................................................................……71
谢...................................................................................................……，...........……72
究生履历...............................................................................................................……73
价
基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统
第1章绪论
1.1舟合用锅炉自动控制概述
锅炉是船舶动力装置中最早实现自动控制的设备之一，它包括水位自动控制、
燃烧自动控制、锅炉点火及燃烧时序控制等‘’〕。
水位自动控制的目的是保持锅炉的正常水位，即控制给水泵的启停或给水阀
的开度，从而控制给水量，使锅炉的给水量与锅炉的蒸发量相当，以适应锅炉负
荷的变化。对于柴油机货船辅锅炉，它的蒸发量小、蒸汽压力低，一般采用双位自
动控制‘21，即当锅炉水位达到水位下限时，自动启动给水泵向锅炉供水;当水位达
到上限水位时，自动停止给水泵的工作。因此，这种锅炉工作时水位在一定范围
内波动而不会稳定在某一给定值上。在大型的油轮上，辅锅炉的蒸发量一般很大，
汽压较高，它要求水位稳定在给定值上。所以，控制给水一般通过改变调节阀的
开度来实现，即根据水位的偏差信号来控制给水调节阀的开度，从而使给水量适
合蒸汽流量的变化。
锅炉的燃烧自动控制系统中，蒸汽压力是被控量12]。在单冲量控制系统中，控
制器根据汽压的高低自动改变进入炉膛的燃油量和送风量，维持锅炉汽压恒定或
在允许范围内波动，并维持一定的风油比，以保证获得较高的经济效益。对于货
轮辅锅炉，燃烧控制系统要求简单、可靠，而且对锅炉的经济性要求不是很严格，
因此大多数采用双位控制;在油轮辅锅炉中，要求汽压稳定，同时对锅炉的经济
性要求也比较高，这就要求控制系统在不同的负荷下保证一个最佳的风油比，所
以通常采用比例积分控制。油轮的燃烧自动控制系统通常由二个回路组成。其中
一个回路根据汽压的偏差信号经比例积分调节器来控制燃油调节阀的开度，即改
变向炉膛的喷油量。喷油量的改变必须同时改变送风量，所以另一个回路就是根
据燃油量的多少来改变送风量，以达到最佳的风油比，从而获得较高的经济效益。
辅锅炉点火及燃烧时序控制是指给锅炉一个启动信号后，系统按时序的先后
顺序进行预扫风、预点火、喷油点火、点火成功后对锅炉进行预热、接着转入正
常燃烧的负荷控制阶段，同时对锅炉进行一系列的安全保护【3一5]。一般情况下，辅
锅炉的点火及燃烧时序控制包括以下步骤:
(1)起动前的准备
第1章绪论
检查是否具备起动条件，比如手动燃油速闭阀是否打开，燃油阀是否关闭，
锅炉水位是否正常，燃油压力和温度是否在正常的范围内等。
(2)预扫风
为了防止锅炉内残余的油气在点火时发生冷爆，在点火前应进行预扫风。预
扫风过程应起动风机和燃油泵，使燃油在锅炉外打循环，将风门开到最大，以大
风量吹去残余油气。预扫风时间根据锅炉的结构形式不同而异，一般在20一605之
间。
(3)点火
预扫风完毕后，打开电磁阀使点火油头投入工作，同时打开点火变压器，点
燃从点火油头喷出的轻油，然后点燃工作油头。
(4)预热
点火成功后，进入预热阶段，使锅炉缓慢的加热至一定的汽压。
(5)正常燃烧
锅炉预热到一定的压力后，进入正常燃烧阶段，此时，控制系统根据锅炉的
负荷调整喷入炉膛的燃油量，与此同时，控制送风量。
(6)自动保护
锅炉自动化系统的另一个重要任务就是对锅炉进行自动保护。自动保护包括
安全保护和自动连锁。对于全自动化的锅炉，为达到锅炉安全可靠的运行和无人
管理的目的，当锅炉在点火、升汽以及正常运行的过程中产生异常情况时，要求
相应的元件能检测到故障产生的原因，并自动停止锅炉的运行和发出声光报誉，
这就是安全保护的任务。锅炉的安全保护一般包括危险低水位自动保护、蒸汽压
力过高自动保护、异常媳火自动保护、油压过低自动保护、油温过高或过低自动
保护和低风压自动保护等。自动连锁是指当某些特定的条件成立后，才能对一些
设备进行操作，比如只有当风机运转建立起风压以后，才允许开动燃油泵和开启
燃油电磁阀。
1.2船用锅炉系统发展现状
船舶辅助锅炉作为船舶动力装置中最早实现自动控制的设备之一t6.”，控制系
统已经逐步完善。20世纪90年代以后，新造大型船舶的锅炉控制系统大都采用微
基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统
处理器为核心单元，但目前还有为数不少的船舶仍用凸轮时序控制器及多回路继
电器控制系统。这些控制系统经多年的使用，线路、元器件老化，可靠性变差，
特别是那些为数众多的触点开关，在恶劣的环境下反复使用后表面磨损、氧化，
有些触点甚至己发生严重的机械变形，导电性能及接触可靠性降低，经常造成各
继电器的误动作，影响锅炉的正常工作，甚至烧毁电器设备，造成事故。
目前应用较多的控制器有单片机及可编程控制器(PLC)，由于单片机的开发和
应用需要专业人员，抗干扰能力较差，维护也比较困难，因此在船舶设备技术改
造方面的应用受到限制。PLC是专为工业现场环境开发的控制单元，不但具有很强
的抗干扰能力及负载驱动能力，而且简单易学、维护方便。随着PLC控制技术的
发展，其控制能力越来越完善，不仅在逻辑控制方面有优势，而且在位置伺服控
制、PID调节、网络通信等方面也具有强大的功能，并逐步成为工业现场控制的主
流产品，所以其在船舶设备上的应用己日益广泛。
机舱辅助设备自动化是轮机自动化的重要组成部分。随着船舶电气技术的发
展，船舶的自动化成度越来越高。船舶锅炉若以微机控制，可以使执行过程更加精
确，减少继电器等机械控制中的机械滞后性和设备老化问题。并且微机控制可精
确的控制空燃比，从而减少浪费，节约燃油等。使用计算机监控还可以实时的监
视和记录设备运行过程中的参数，从而更加准确的确定设备的状况。
1.3本文研究的主要内容
船舶辅助锅炉作为远洋运输船舶必备的辅机之一，在内燃机动力装置船舶中，
主要用来加热燃油、滑油，主机暖缸，驱动辅助机械及生活杂用等。锅炉对船舶
的安全运行起着非常重要作用。
在收集丰富资料的基础上，通过调研和分析，掌握了国内、国际船舶动力装
置发展的现状和方向。同时，在详细研究了辅助锅炉的结构、工作原理的基础上，
应用目前广泛使用的PLC和组态王软件对船舶辅锅炉计算机监控系统进行了分析
和设计。具体安排如下:
第1章简单介绍船舶辅锅炉自动控制系统的各个组成部分以及锅炉自动控制
系统的现状与发展。
第2章详细分析了可编程序控制器的结构及工作原理、性能特点、应用范围
第1章绪论
以及发展趋势等。
第3章阐述组态王软件的功能、特点和组态王开发过程的主要步骤。
第4章对船舶辅锅炉的结构和控制原理进行分析，包括锅炉的自动点火过程、
锅炉的水位控制系统、蒸汽压力控制系统、锅炉的安全保护系统和手动控制系统。
第5章详细叙述了应用PLC与组态王软件实现船舶辅锅炉计算机监控系统的
设计过程，包括锅炉控制系统的输入输出设计、PLC及其扩展模块的选型、输入输
出口的分配、PLC程序控制设计以及组态王监控软件的设计等。
结果表明，应用PLC和组态王软件设计的船舶锅炉监控系统性能稳定可靠，
该监控系统对提高船舶锅炉的自动控制，具有一定的参考和实用价值。
基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统
第2章可编程序控制器及其工作原理
2.1可编程序控制器简介
2.1.1可编程序控制器的基本概念
可编程序控制器(PLC)，是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系
统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部
存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字
式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程〔8.”。PLC是微机
技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的
机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用
了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC
的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形
图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。用户在购到
所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，
就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
可编程序控制器一直在发展中，国际电工学会(IEC)于1987年2月对PLC
作了如下定义:可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境
下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、
顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和
输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，
都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
2.1.2可编程序控制器的特点
PLC发展如此迅速的原因在于它具有一些其它控制系统所不及的一些特点。
(1)可靠性
可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，
系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。可编程控制器采用一系
列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警，运行
信息显示和信息保护及恢复等。可编程控制器的硬件设计方面采用了一系列提高
第2章可编程序控制器及其l_作原理
可靠性的措施，例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺制
造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等。存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断
措施，便于维修和设计等。
(2)易操作性
对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行
程序输入和更改操作。现在PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序
也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然
后可以在线或离线更改。PLC有多种程序设计语言可以使用，编程过程简单易学。
PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬
件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示
等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排
除故障和修复节省了时间。
为便于维修工作的开展，有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备，提
供故障维修树等维修用资料。有些厂商还提供维修用的智能卡或插件板，使维修
工作变得十分方便。此外，PLC的面板和结构设计也考虑了维修的方便性，例如，
对需要维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的位置，接线
端子采用便于接线和更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，大大缩
短了维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水作业，使维修用备品备件
简化等，也使维修工作变得方便。
(3)机电一体化
为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗的方向发
展，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要
求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有
体积小、功能强、抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设
备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数
控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自
动化三大支柱(PLC，机器人，CAD/以M)之一。
可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系
统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，
基于PLC与组态软件的船舶锅炉监控系统
让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。
2.1.3可编程控制器的应用
PLC具有体积小、可靠性高、功能强、程序设计方便、通用性强、维护方便等
优点，在各个行业中有着广泛的应用〔l0j。
(1)逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能可实现对机床、自动生产线、
电梯等的扩展。
(2)位置控制
较高档次的PLC具有单轴或多轴位置控制模块，可实现对步进电动机或伺服
电动机的速度和加速度的控制，确保运行平滑。
(3)过程控制
PLC的模拟量输入输出和P工D控制，可构成闭环控制系统，可应用于冶金、化
工等行业。
(4)监控系统
PLC能记忆某些异常情况，并可进行数据采集。操作人员还可利用监控命令进
行生产过程的监控，及时调整相关参数。
(5)集散控制
PLC与PLC，PLC与上位机之间的联网，可构成工厂自动化网络系统。
2.1.4可编程控制器的发展趋势
(l)向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.lms/k步左右。PLC的扫描速度己成为很重要的
一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储
容量，有的公司己使用了磁泡存储器或硬盘。
(2)向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种多
方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有1/0点数达14336点
的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能非
第2章可编程序控制器及其工作原理
常强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场
需要己开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的1/0点数为8~16点，
以适应单机及小型自动控制的需要。
(3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高
速计数模块、温度控制模块、远程I/0模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU
和存储器的智能工/0模块，既扩展了PLC功能，使用也灵活方便，扩大了PLC应
用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两
类:一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;另一
类是PLC与计算机之间的联网通信，一般