开题报告
电气工程及自动化
基于PLC的船舶电站监测系统的设计
一、主题叙述本课题在国内外研究发展的动态，说明选题意义
1.1本课题研究目的作为一个可移动的海上城市——船舶，它的很多设备都必须使用电能，所以在船舶上都必须配备有由发电装置、配电装置和用电装置组成系统，即船舶电力系统。船用设备中随着船舶自动化程度的不断提高，需要用电来控制和驱动的地方也越来越多，故而自动化程度随着船舶电力系统的日益复杂、庞大，也变得越来越重要，现在的主要方向发展有：数字化、集成化、网络化、标准化以及智能化。并且电站自动化程度在船舶电站供电可靠性和连续性质量指标中是一个十分重要的环节，对其进行设计研究具有很重要的现实意义和经济价值。
船舶电站自动化监测系统的主要目的是在提高运行经济性的基础上保证供电过程的安全、可靠，并尽可能的改善船舶上恶劣的工作环境。因此要求能够实现以下功能：柴油机组自动起动、停机控制；重要负荷分级自动起动；发电机组状态控制；自动分级卸载；自动并车；自动调频调载；励磁调整及无功功率自动分配；电力系统及发电机组的自动巡回检测；重载询问；电力系统保护；电网；总体控制等。本文以船舶电站监测为研究对象，采用三菱PLC控制器中的FX2N系列与船舶电站相结合来实现自动化，着重设计了柴油机组自动起动和停机部分，完成了对船舶电站监测装置的部分软、硬件设计，提升了船舶电站的自动化程度。
1.2课题的国内外研究状况
在经济体全球化的发展过程中，船舶作为一种重要的交通工具承担着超过90%的国际贸易货运量，扮演着无可替代的角色。适应新出现的船舶运输要求，电站在船舶上是一个重要的辅助动力装置，给船舶辅助机械和全船提供必要的电力。船舶动力系统是船舶的重要组成部分，是产生连续的供应电力的发电设备，原动机、发电机、附属设备以及配电板共同组成了船舶电站。船舶通过电气机械及设备的数量来选择发电机的容量，一般采用的频率为50赫兹和60赫兹的400伏三相交流电。与陆地上电站相比，船舶电站有电站容量小；船舶电气设备工作环境比陆地恶劣，影响设备工作的可靠性、正确性和使用寿命；船舶电站发电设备和用电设备之间的直线距离很短，故而在计算电网压降时有可以忽略电缆电抗的特点。
船舶电站自动化控制系统的发展大体经历了4个阶段：由继电器和接触器所构成的有触点控制系统；由分立元件和集成元件所构成的无触点控制系统；大规模、结构化、模块化的集成电路控制系统；现在己经发展到了微机控制系统。
这使控制系统中控制部分所占的体积、重量减少，整体工作可靠性大大提高。而控制方式也由硬件控制为主变为以软件控制为主，这使功能的组合与扩展变得更加的简洁、方便。由大型机集中控制方式向多微机分散控制方式转变的计算机控制使控制系统的工作可靠性进一步的提高，继而出现由多级计算机共同构成的分布式控制系统
。目前己经形成了较为完整的船舶电站自动化的管理系统。
随着船舶的大规模化、自动化、自动控制技术和电子信息技术的快速发展，船舶的自动化水平变得越来越高。随着对船舶电站自动化的程度要求也越来越高，二十年来船舶电站的自动化发展非常的迅速，自动监测水平也得到了进一步的提高。船舶电站自动化技术的主要发展方向有以下四个:
（1）通过模拟信号的信号处理加工开发，信号处理尽可能的使用数字量进行处理和通信。
（2）从大型机计算机集中控制，多机控制分散控制的发展，大大提高了工作的可靠性，那么光纤通信、网络技术的应用由多计算机构成了分布式控制系统。对逆功率，过流，欠压等参数，实现了监测控制、报警；频率、功率因数、电压、电流、功率等参数和并关状态也有软配电屏进行指示。在任何时间点或选定点，实现所有的打印记录。它可以取代传统的通话记录。当参数的值超出检测范围，则有声音报警，并自动打印记录，上下设置了测量参数限制值，可以很容易地修改。
（3）从传统的继电器分立元件的形式来控制到无触点控制的发展，大规模和模块化的集成电路结构。使用电脑，例如可编程控制器。使控制部分的体积、重量大大减小，减少了工作量、提高了可靠性。控制也是从硬件控制为主变为软件控制为主的，这样使功能的扩展与修改变得很方便，维修方便，模块具有很强的通用性。
（4）船舶自动化领域正在增加嵌入式系统的使用。嵌入式监测系统在船舶电站中按结构可以分为管理、控制、设备三层。其中对电站进行的集中控制、管理，由管理层完成；数据采集、控制发电机组则由嵌入式控制作为主机的控制层来完成；设备层控制器位于发电机旁边，方便检测发电机组的运行参数和发现问题时进行报警。用工业以太网连接管理层和控制层；用CAN总线连接控制层与设备层，三层之间通过各种数据的交换和应对。最终得到高度自动化、智能化、网络化的改进型船舶电站监测系统。
嵌入式控制主机的控制层有数据采集和控制发电机组的功能，而与设备层的控制主机可以通过CAN总线连接。采集电站运行参数，如发电机组的有功功率、功率因数、三相电流，电网中各节点的电压、频率等。可以控制发电机组起动、停机、加速、减速、应急起动、应急停机；可以控制发电机主开关的分断与闭合；还可以对发电机故障进行报警，并且检查故障原因和进行故障处理。
管理层是监控系统的最上层，位于中央控制室的监视终端。可以通过电站运行信息，对船舶电站的运行状态进行集中的控制管理；可以根据电站实际运行情况进行调频、调载；可以对发电机故障进行报警；还可以对在电网运行的故障发电机组自动换机。
设备层控制器在发电机组旁边。以便就近对机组进行运行参数检测，如柴油机的冷却水温度、滑油压力、转速等。可以直接控制发电机组起动、停机、加速、减速、应急起动、应急停机；还可以在运行参数超过设定的报警值时进行报警；当机组滑油压力过低、超速、冷却水温度过高时自动对机组进行应急停机。
船舶电站嵌入式监控系统中控制层、管理层和设备层需要相互协调工作，方能实现电站整体得自动或半自动运行。对发电机组与主配电板实施各种有效的保护措施，提高船舶电站运行的整体可靠性。
提高船舶电站自动化的水平有许多优点：一是能够提高船舶电站供电的可靠性和连续性，提高电站供电的品质和电量，并增加船舶的生命力；二是改善了船员工作的条件，减轻了值班的强度；三是提高了船舶航运的经济指标。
目前，我国的船舶电站控制系统都是以集散型控制方式为主。而可编程控制器（PLC）的优越性使得将PLC应用到船舶电站自动化监测系统中，一定可以提高船舶的网络化和智能化水平。
1.3课题意义
船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，电站运行的可靠性和经济性对保证船舶安全航行营运具有重要意义。随着计算机和网络技术的发展及其在现代船舶上的应用，船舶电站的管理和操作越来越趋向于自动化与智能化。
提高船舶电站自动化的水平有许多优点：一是能够提高船舶电站供电的可靠性和连续性，提高电站供电的品质和电量，并增加船舶的生命力；二是改善了船员工作的条件，减轻了值班的强度；三是提高了船舶航运的经济指标。
目前，我国的船舶电站控制系统都是以集散型控制方式为主。而可编程控制器（PLC）的优越性使得将PLC应用到船舶电站自动化监测系统中，一定可以提高船舶的网络化和智能化水平。
二、研究的基本内容，预备解决的主要问题：
(1)查相关资料，熟悉当今船舶电站监测系统的发展方向。
(2)学习可编程逻辑控制器的使用，了解三菱FX2N系列PLC以及PLC在船舶电站监测系统中应用的优势。
(3)了解船舶电站监测系统的组成和工作原理。
(4)对船舶电站监测系统进行硬件设计。
这里我主要对船舶电站中的船舶辅机进行设计：设计了船舶电站的自动起动和自动停机及部分外部电路。
(5)对船舶电站监测系统的软件设计
这里我主要也是对船舶电站监测系统进行软件设计：设计了PLC控制船舶电站原动机自动起动和自动停机的程序。
三、研究方法、步骤以及措施：
方法步骤：
(1)了解现行船用PLC监测的船舶电站系统的技术
(2)分析相关基于PLC的船舶电站监测系统
(3)基于PLC的船舶电站监测系统的设计
(4)分析设计成果
(5)得出结论
措施：首先在图书馆查找相关的书籍、期刊等文献，其次通过上网查找相关的一些文献资料，并了解当代对该技术的最新的动态和研究成果。进一步的理解和准备系统设计所需的相关知识要点。在设计过程中要及时与指导老师探讨，定时汇报设计进度，有不了解的问题及时向老师、同学以及专业人士请教。
四、参考文献：
[1]王焕文.船舶电力系统及自动装置[M].北京：科学出版社，2006.[2]王闯.基于PLC的船舶电站综合监控系统的设计[D].大连：大连海事大学，2008.[3]闰明.基于PLC的船舶网络综合监控系统的研究[D].大连：大连海事大学，2008.[4]廖常除.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.[5]范永胜，王岷.电气控制与PLC应用（第二版）[M].北京：中国电力出版社，[6]刘艳梅，陈霞，李一波，渠莉娜，等.三菱PLC基础与系统设计[M].北京：机械工业出版社，2010.[7]连建华，张怀广.PLC应用技术[M].北京：国防工业出版社，2009.[8]白一鸣.船舶电站自动监控系统的设计与研究[D].大连：大连海事大学，2009.[9]杜晓滔.基于PLC和串行通信的船舶电站监控系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工学院.[10]于风卫，孙红英.一种基于PLC的发电机组转速检测方法[J].现代电子技术,2006,234(19).
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