基于PLC控制的船舶轮机员安全报警系统
摘 要
二十世纪九十年代以来，计算机的不断发展引发了各个领域的革命性变革。航运界也受其影响，使得现代航运对船舶自动化程度和信息集成程度的要求也越来越高。为了适应现代自动化机舱的要求，PLC控制逐渐取代继电接触器控制成为船舶机舱控制的主要环节，使控制系统更加安全、迅速、可靠。 船舶在正常航行过程中，机舱出现故障经常需要轮机员下去对主机，辅机等设备进行维修和保养，由于现在大多数船舶采用的是无人机舱的模式，所以在机舱工作的数量就很少。故而当轮机员进入机舱工作就需要有可靠的监测报警系统，传统的继电器控制的轮机员安全报警器，虽说能够提供报警但是其容易发生故障且不易被察觉。然而采用PLC控制这能使轮机员报警系统的安全系数大大的提高，从而使轮机员的工作更加安全可靠。上述设计满足了《2006钢质海船建造入级规范》的迅速、实时、可靠、直观等要求。所以用PLC控制轮机员报警器就能够使轮机员在机舱工作地安全系数得到大大的提高
关键词 ：船舶轮机员安全 监视报警系统 PLC 继电器控制
Abstract
Since the 1990s, the computer has developed unceasingly has initiated each domain revolutionary transformation. The shipping interest also receives its influence, causes the modern shipping is also getting higher and higher to the ships automaticity and the information integration degree request. In order to adapt the modern automation engine room request, the PLC control substitutes gradually following the electrical pick-off control into ships engine room control key link, causes the control system to be safer, to be rapid, is reliable. The ships in the normal navigation process, the engine room present the breakdown to need the marine engineer to get down frequently to the main engine, equipment and so on auxiliary engine to carry on the service and the maintenance, what because the present majority ships use is the unmanned engine room pattern, therefore are very few in engine room work's quantity. Therefore works as the marine engineer enters the engine room work to need to have the reliable monitor alarm system, the traditional black-white control marine engineer safety alarm apparatus, although can provide the warning, but it easy to break down and was realized not easily. However uses PLC to control this to be able to cause the marine engineer alarm system's safety coefficient big enhancement, thus causes marine engineer's work to be safer reliably. The above design has satisfied "2006 Steel Sea boats Construct Into Level Standard" rapidly, real-time, reliable, direct-viewing and so on requests. Therefore controls the marine engineer alarm apparatus with PLC to be able to enable the marine engineer to have the big enhancement in the engine room job site safety coefficient
Keywords Engineers to monitor the ship security alarm system control PLC relay
目 录
1 引言 1
2 工作原理 2
2.1系统的基本组成 2
2.2工作原理及过程 2
3 PLC简介及程序设计 3
3.1 PLC简介： 3
3.2 PLC控制的船舶轮机员安全报警系统设计 3
3.3 PLC控制的轮机员安全报警系统程序 5
3.4 PLC接线图 6
3.5 I/O接线列表 7
4、 PLC控制的轮机员安全报警系统与继电器控制的轮机员报警系统的比较 7
4.1 继电器接触器控制的缺点 7
4.2 PLC控制的的优点 8
结 论 9
致 谢 10
参考文献 11
1 引言
随着船舶建造水平的发展，大量高科技设备得到应用，使得很多设备的运行已不再需要人工看护和操作，出现了无人机舱或一人机舱，人们只需要在必要的时候对机舱设备进行巡检就可以了。
因此，为了保证轮机员的安全，产生了轮机员安全报警系统。当轮机员下机舱工作前，开通此系统就可以保证轮机员安全地工作。如果在工作期间出现了人身伤害，不能在固定时间内将本系统复位时，本系统会发出警报，报警信号送至机舱延伸报警灯柱和机舱报警检测系统。
机舱报警检测系统又会将此报警送至延伸报警系统，再送至驾驶室及相关船员房间以及公共场所，提醒大家进入机舱救人。
值班轮机员能够在固定的时间内复位本系统，则本系统将重新报警计时，直至轮机员安全离开机舱关闭本系统时，本系统才不再进行报警计时。该系统的采用大大的提高了轮机员的人身安全系数，有的船厂将其称为死人报警。
图1传统轮机员安全报警系统（继电器接触器控制）
2 工作原理
由于每个厂家的原理图有所不同，但都是大同小异，在这里我只以上面的一种电路图为例进行讨论。
2.1系统的基本组成
该系统主要由控制回路（都安置在集控台内），启动／停止按钮箱（每个机舱的入口位置）和复位按钮箱（在机舱的报警灯柱还机舱报警检测的楼梯口）等。
2.2工作原理及过程
如图1在控制回路中的K2旋转开关和机舱入口位置的启动停止按钮，它们的关系是并联的，都可以对本系统进行启动和停止的操作，当启动按钮按下时，继电器KM2动作。KM1继电器经KM3继电器的常闭触点（1、9）和KM2继电器的常开触点（5、9）闭合而动作。并经自身的触点KM1(5、,9)自保。启动/停止按钮箱的指示灯H1由于KM1继电器的触点（6、10）闭合，并经KM6继电器的常闭触点（8，11）供电灯亮，表示系统开始工作。同时KM1继电器的触点（7.11）闭合，使控制板上的指示灯H2也得电灯亮。此时，时间继电器KT1进KM8继电器的常闭触点（1，9）得电开始延时。当延时到设定的时间，时间继电器KT1动作，它的延时闭合触点（1，3）闭合，使继电器KM5,KM6和时间继电器KT2线圈得电，KM6继电器的常闭触点（8，11）断开，切断遥控启动/停止按钮箱上的指示灯H1的电源；指示灯熄灭。KM5继电器的常开触点（8，11）闭合，将信号传送至机舱的延伸报警灯柱上，整个机舱出现声光报警，并且KM5继电器的触点使报警灯柱板鸣音器发出声音。假如工作人员在3min没有复位或者停止该系统工作那么时间继电器KT2将延时动作，它的常开触点（8，11）闭合，将信号传至机舱检测报警系统，机舱检测报警将报警输送至延伸报警系统，送到公共场所和值班轮机员的房间中并且通知船员到机舱救人但是如果在KT1时间继电器延时过程中，将复位按钮箱中的复位按钮按下或者是控制板上的T1复位按钮被按下，继电器KM8动作，它的常闭触点（1，9）断开，此时时间继电器KT1的电源被切断。当复位按钮松手后，继电器KM8失电，它的常闭触点（1，9）闭合，从而使时间继电器KT1又得电，使系统重新进行报警计时。如果系,统启动后的任何时间内，在控制板或者在启动/停止按钮箱按下停止按钮，KM3继电器得电动作，它的常闭点（1，9）断开，切断KM1继电器的电源，KM1继电器的自保点（5，9）脱开，同时因为km1的常开触点（11，7）断开，切断时间继电器KT2的电源，控制板上的指示灯H2熄灭，KM1的常开触点（6，10）切断启动/停止遥控按钮箱上的指示灯H1的电源,当指示灯熄灭后则表示值班轮机员可以安全的离开机舱.
3 PLC简介及程序设计
3.1 PLC简介：
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
3.2 PLC控制的船舶轮机员安全报警系统设计
本轮机员安全报警系统由轮机员安全主控模块、轮机员安全复位模块、轮机员安全起/停模块三部分构成。
其中，一个轮机员安全主控模块可配置4个区域的轮机员安全子系统，每个轮机员安全子系统可配置多个轮机员安全复位模块和一个轮机员安全子系统起/停模块。
本系统可实现启动、停止、复位和求救信号的采集、报警定时、预报警和报警输出等，轮机员安全主控模块安装在各机舱舱室内，轮机员安全复位模块上含有报警灯、复位按钮、求救按钮、喇叭等，它被安装在一个区域的多个部位，实现轮机员安全监控和求救的功能。轮机员安全子系统起/停模块上含有电源指示灯、起/停按钮、声光报警等，它被安装在一个区域的入口处，实现轮机员安全监控子系统的运行和停止运行等功能。系统原理框图如图１所示。当船员进入机舱内开启起停模块上的起停开关后，系统初始化后进入正常工作状态，计时器开始计时，到达预报警指定时间时开启预报警，复位模块声光报警启动，此时计时器继续计时。若船员按下复位键，报警取消，计时器重新计时；如果复位没有按下且已经到达事故报警指定时间则开启事故报警，起停模块声光报警启动。
图1
3.3 PLC控制的轮机员安全报警系统程序
图2系统程序图
3.4 PLC接线图
图3 PLC接线图
3.5 I/O接线列表
I0.0 SB1复位按钮 I0.3 启动按钮
I0.1
I0.2 转换开关K2 I0.4 停止按钮
Q0.0 KM1 Q0.7 机舱报警灯柱
Q0.1 KM2 Q1.0 机舱检测报警
Q0.2 H1 Q1.1 KM3
Q0.3 KM5 Q1.2 H2
Q0.6 KM8
4、 PLC控制的轮机员安全报警系统与继电器控制的轮机员报警系统的比较
4.1 继电器接触器控制的缺点
对于传统继电控制的机舱轮机员安全报警系统，由于采用的是机械式的控制元件，所以存在许多的缺点。
而对于现在的船舶其自动化程度越来越高对控制系统的精确度和安全系数的要求就要更高。
（1）传统的`继电控制的轮机员安全报警系统，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
（2）继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
（3）继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。
4.2 PLC控制的的优点
（1）采用PLC控制则PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好LC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作。
（2）PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序。PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
（3）PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
结 论
本系统主控制器采用了西门子S7-200 PLC，其紧凑的结构，良好的扩展性能，强大的指令功能，利用485标准的通信口进行信息传送, 并自行设计相应接口而组成的船舶机舱巡回监测报警系统充分应用了该微型PLC的硬件资源，发挥了其软件优势。输入输出采用差动方式，提高了抗干扰能力，同时，主机和多台终端可以全部并联在一对双绞线上进行多机通讯，节省了传输线，所以本系统小但功能齐全，稳定性好。为用户带来极大的方便;在近两年的实际运行中未出现故障，为船舶的安全、可靠的航运起到了非常重要的作用，同时也为航运公司带来了巨大经济效益。通过PLC程序的控制使得轮机员安全报警器的工作过程更加的安全可靠，使得无人机舱技术应用得到更好推广和发展。同时利用PLC程序的控制能够大大的节约机械继电装置的应用，从而使的轮机员报警器的形状更加小继而节约船舶的空间。
致 谢
这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！ 感谢我的指导老师——老师，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。 感谢班主任周静，王丽，赵玥老师三年的生活相处不久，却从您身上学到了太多，必将终身受益。感谢所有教授过我课程的暨海事学院的老师们，是你们诲人不倦才有了现在的我。感谢我的父母，没有你们，就没有我的今天，你们的支持与鼓励，永远是支撑我前进的最大动力。 感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们三年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。
参考文献
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[10]唐唯唯. 船舶机舱监视与报警人机交互系统的设计: [学位论文]，大连海事大学，轮机工程
[11]《1974年国际海上人命安全公约SOLAS公约》
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