船舶配电系统用嵌入式可编程控制器研究

发布时间：2020-05-21 17:42

【摘要】：随着德国工业4.0以及中国制造2025战略的发布,目的是实现生产业智能升级,与互联网大数据融合发展,这对处于生产制造业核心地位的控制设备以及其涉及技术提出了更高的要求。传统工业现场控制设备PLC由于其封闭性、对使用者有较多要求、成本高以及硬件性能不足等缺点,无法满足智能制造赋予的使命。嵌入式可编程控制器融合了嵌入式技术、传统可编程逻辑控制器技术和软PLC技术,实现了对传统PLC的突破。本文研制一款通用型的嵌入式可编程控制器,并在软硬件方面给出总体设计方案。在总体设计方案基础上,进行硬件方案具体设计与设计细节总结;之后进行软件的具体设计,实现了船舶配电系统参数检测应用;为改善船舶电能质量,在CPU模块中设计智能PID控制算法,应用于柴油发电机闭环控制,以从电能源头改善区域配电系统电能质量。论文主要研究工作如下:(1)以LPC2294微处理器为核心,采用背板总线电源方式模块化设计嵌入式可编程控制器。详细分析了用户需求和软硬件设计需求,包括运行环境要求、处理器性能要求、存储要求、操作系统要求、对外接口要求、测量精度要求等,在此基础上给出了嵌入式可编程控制器软硬件总体设计方案。(2)在嵌入式可编程控制器总体设计方案基础上,具体展开硬件设计。首先对嵌入式可编程控制器数据采集系统进行了整体设计,根据船舶配电系统涉及具体应用功能,对嵌入式可编程控制器进行整体结构设计和系统功能模块化设计;之后对嵌入式可编程控制器整体设计进行展开,依据船舶配电系统中待检测参数特性,针对性设计各部分功能电路和并进行通信电路测试,具体电路设计包括电源电路设计、复位监控电路设计、系统时钟电路设计、数字量输入输出电路设计、模拟量采集电路设计、温度信号采集电路设计、串口通信接口电路设计、CAN通信接口电路设计;最后总结船舶配电系统中存在的干扰源,并总结了针对这些干扰,在设计过程中所运用的硬件抗干扰技术。(3)在嵌入式可编程控制器总体设计方案基础上,进行装置的开发系统和运行系统两部分软件设计。开发系统采用第三方成熟软件NApro,依据船舶区域配电系统结构组成,设计开发系统中用户软件框架,在开发系统的用户梯形图程序设计中详细分析了检测船舶配电区域电能参数和温度参数程序开发过程,记录测试结果并与使用多功能表检测的结果作对比分析;运行系统,涉及硬件驱动设计、操作系统移植以及应用层软件开发;硬件驱动设计包括了串口驱动程序、SPI驱动程序、CAN驱动程序、A/D转换驱动程序以及温度转换驱动程序的编写;详细分析μC/OS-II操作系统的文件构成和移植条件,在此基础上进行系统移植文件编写;应用软件层主要涉及用户任务创建与调度,依据船舶配电待检测参数特点对部分数据采集应用层进行针对性。(4)在嵌入式可编程控制器增量式PID调速功能的基础上,引入RBF神经网络算法,改进了RBF-PID调速控制系统控制结构,实现对船舶电站柴油发电机非线性调速的快速稳定控制。首先对船舶区域配电系统中柴油发电机进行数学建模,将RBF神经网络与PID调速功能结合,之后改进调速控制系统结构,在常规调速控制系统三个输入参数基础上引入了排气总管温度T、排气总管压力P与输入转速r(k)、输出转速y(k)、转速偏差e(k)共同构成了RBF网络的输入,通过RBF网络计算辨识结果,结合梯度下降法计算出比例、积分、微分的增量,实现PID控制器参数整定优化。最后对船舶区域配电中柴油发电机调速系统进行仿真与结果分析。
【图文】：

工作过程,编程控制器,操作命令,嵌入式可编程控制器

第 2 章嵌入式可编程控制器分析和设计编程控制器的工作原理编程控制器进入运行状态后定期扫描运行用户操作命令，在无中断或跳转下，自上而下从左往右顺序运行用户寄存器区操作命令，在完成一遍程序新的一轮扫描循环输出。考虑到 CPU 高速运算，可以认为用户程序是同时可编程控制器详细工作过程如图 2.3 所示。

分布图,开发系统,软件功能,嵌入式可编程控制器

第 2 章嵌入式可编程控制器分析和设计工程项目。运行系统运行于嵌入式可编程控制器硬件装置中，，实现逻辑控制和理等功能。开发系统是嵌入式可编程控制器数据采集系统的重要组成部分，运行于 PC 端机开发软件可为用户提供便捷的项目管理，人机良好的编程开发环境和仿真在功能。结合 IEC61131-3 标准，可得到如图 2.4 所示的开发系统软件功能分布图
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U665.1

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