摘 要

摘要：本文主要介绍了研究设计基于PLC的油船制氮装置控制系统，讲述了氮气即惰气在油船上的重要性。它支持着油船装货，卸货，航行中补气，除气，洗舱等等安全性操作。讲述了PLC历史与发展，原理和作用，和其逻辑运算能力强，硬件结构简单，安装维护方便，抗干扰能力强，性价比高，编程方便等诸多优点组合性的适合于油船制氮装置控制系统的设计的特点。因此，本文也讲述了一种基于PLC的油船制氮装置控制系统设计方案，详细的讲述了此设计方案从硬件上配置的分配到软件上程序的设计。也讲述本人对油船制氮装置控制系统即惰气系统未来的展望，相信PLC在未来的工业领域中依然是中流砥柱，支撑着恶劣工业工作环境下的稳定控制系统。

关键词：船舶，惰气系统，控制系统，PLC，制氮装置

Abstract

Abstract: This article mainly introduces the research and design of a PLC-based control system for the nitrogen production equipment of oil tankers and describes the importance of nitrogen, ie inert gas, on oil tankers. It supports the safe operation of oil tanker loading, unloading, replenishing gas during navigation, degassing, washing tanks and so on. It describes the history and development of PLC, principle and function, and its logical computing ability, simple hardware structure, easy installation and maintenance, strong anti-interference ability, high cost performance, easy programming and many other advantages combined for the oil tanker nitrogen control system The design features. Therefore, this article also describes a PLC-based oil tanker nitrogen control device control system design program, detailed description of this design from the allocation of hardware configuration to the software program design. The future of the inert gas system, which is the control system of the tanker's nitrogen production plant, is also described. It is believed that PLC will remain the mainstay in the future industrial field and support the stable control system in the harsh working environment.

Key words: ship, inert gas system, control system, PLC, nitrogen making device

目录

第一章 绪论 1

1.1选题的背景和意义 1

1.2 PLC的发展历史及研究现状 2

1.2.1 PLC的发展历史 2

1.2.2 PLC的发展现状 3

1.2.3 PLC的未来趋势 3

第二章 油船制氮装置概述 5

2.1船舶制氮（惰气）的作用 5

2.1.1油舱的安全原理 5

2.2油船制氮装置的运转 8

2.2.1惰性系统装置组成 8

2.2.2惰性系统装置运转 11

第三章 油船制氮装置控制系统的硬件设计 13

3.1油船制氮装置控制系统的功能需求 13

3.2控制单元 13

3.2.1 PLC的工作原理 13

3.2.2 PLC的硬件结构 15

3.2.3 西门子S7-200简介 16

3.3 PLC的I/O硬件配置 19

第四章 油船制氮装置控制系统软件设计 22

4.1 PLC编程语言原则 22

4.2油船制氮装置控制系统流程图设计 23

4.4控制系统梯形图设计 24

第五章 总结与展望 27

5.1全文总结 27

5.2研究展望 27

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1选题的背景和意义

油船在世界范围的原油运输中起着至关重要的作用，VLCC可以载着超过三十万吨原油在大洋的狂风巨浪中穿梭，为保障人和生态的安全，油船的安全尤为重要。氮气做为稳定的，相对易得的惰性气体，在油船上一直有着十分重要的作用。在油船装卸货物或航行过程中，氮气通过对油舱内的油气浓度进行干预，控制避免碳氢气体和空气混合气体的浓度进入爆炸曲线，从而达到防止火灾或爆炸发生的目的。在高度自动化的今天，安全的，高效的油船制氮装置控制系统是必须的。PLC（可编程控制器)做为一种高可靠性的工业编程微机，它逻辑运算能力强，结构简单，安装维修方便，抗干扰能力强，性价比高，编程方便。早已被各个工业领域广泛利用[^[1]]。尤其在在一些工况条件恶劣，可靠性要求高的船用控制系统，如主机遥控、自动化电站、辅锅炉等控制系统。所以，油船制氮装置控制系统采用PLC控制无疑是最合适的。且PLC所具备的5条对于油船上的恶劣工作环境的优点是其他控制元件无法比拟的。

（1）灵活易用：PLC硬件标准化，同时产品已系列化，功能模块种类繁多，可灵活的组成各种各样的不同规模的，不同功能的各种控制系统。在PLC控制系统中，只需要把输入/输出信号线接在对应的PLC端子上。如果想改变控制系统的功能，可以通过编程器修改控制程序，同一个PLC装置作用在不同的被制对象，仅仅是输入输出组件和应用软件的差异。

（2）高可靠性：一般微型计算机功能强大但可靠性很差，尤其在工业恶劣的电磁干扰，电流波动，机械振动，剧烈温度和湿度变化下，都有可能造成一般微机设施不能稳定工作；传统的继电器和接触器控制系统抗干扰强，但因为存有许多的机械触点摩擦耗能产热而寿命不长，可靠性差。而PLC所采用微电子技术，许多的开关动作是无触点的电子存储器件来完成，软件程序代替了继电器和负载的接线，所以寿命长，可靠性高。

（3）操作简易：按工业要求设计的PLC接口，具有超强的负载能力，输入/输出可直接链接交流220V，直流24V等强电，同时接口电路采用模块式，十分方便维护与更换。而且一些PLC甚至能够带电插拔输入/输出模块，不脱机停电直接更换故障模块，大大节约了故障修理时间。

（4）体积小、功耗小、性价比高：拿小型PLC（TSX21）来说，它的大小仅仅216×127×110mm3，2.3kg，空载功耗为1.2W，但是它却有I/O接口128个之多，等于400～800个继电器组成的控制系统，成本仅仅等于同功能继电器控制系统的十分之一。且PLC的输入/输出系统可直接反应现场信号变化和运行状态。

（5）易于学习掌握——PLC直面用户群体，其设计充分考虑工作现场人员的技能和习惯。大部分PLC的编程提供常用的梯形图方式和的简单指令方式。编程语言简单形象，指令简易，不需专业计算机知识，有一些电工工艺知识的人员都可短时间掌握。通过专门的编程器，可方便地根据功能需求改变程序[^[2]]。

1.2 PLC的发展历史及研究现状

1.2.1 PLC的发展历史

起源

美国汽车工业的发展推进了PLC诞生，上世纪60年代，通用汽车公司发现继电器，接触器的控制系统有诸多的问题，所以提出著名的“通用十条”。1969年，美国数字化设备公司研制出第一台可PLC，在通用试用后，效果显著；1971年，日本研制出第一台PLC；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，我国开始研制PLC，1977年，我国开始在工业领域广泛推广PLC。

研制PLC最初的想法是取代机械开关。可是自1968年以来，PLC的强大的功能已经渐渐取代了继电器控制板，现代PLC具有更多复杂的功能。它的作用已经从简单的一个过程控制渐渐发展到对整个控制系统的控制和监测[^[3]]。

发展

上世纪70年代初出现了微处理器。人们马上将它用在PLC领域，使PLC加强了计算、传输，处理等功能，使PLC演变成了正真意义上具有计算机特质的工业控制器。此时人们认为PLC是微型计算机技术和普通继电器控制技术组合运用的结果。个人计算机兴起后，为方便反映PLC的特性，PLC才真是被命名为PLC

上世纪70年代后期，PLC开始应用发展阶段，计算机技术已经完全运用到PLC中，使PLC的功能暴涨。更快的运算速度，更小的体积，更高的可靠性，模拟量运算，PID功能和超高的性价比令它坐稳了现代工业控制系统中无与伦比的地位。

上世纪80年代初，PLC在发达国家已经得到广泛的推广。生产PLC的国家也越来越多，产量越来越大，这意味着PLC已经进入成熟阶段。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最迅猛的时间，这期间一直保持着近百分之四十的年增长率。且在这期间，PLC的能力有着极大的提升，使它一点点闯进过程控制领域，在一些方面甚至替代了DCS（集散控制系统）系统。

上世纪末期，PLC的发展变为更迎合现代工业生产需要。此间发展了许多大型机和超小型机、出现了多种多样的特殊功能单元、人机界面单元、通信单元，令PLC的应用配套更简易[^[4]]。

1.2.2 PLC的发展现状

现代伴着集成电路等微电子技术的发展，PLC从最初的一位发展到现今十六位，三十二位处理器组成的微机PC，而且做到了多通道多处理器共同。现在PLC技术已十分成熟，不但控制功能强，功耗和体积小，成本低，可靠性高，编程和故障检测简易，而且伴着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示等功能的发展，PLC向自动化过程控制的方向高速前进。

当今世界上有二百多家PLC厂商，四百多种的PLC产品，在国际市场上，美国为首的PLC强国占据着80%以上的市场，国内虽有生产厂家但主要需求还是以进口为主。