基于PLC的船舶甲板機械集散控制

浦瑾瑩

(無錫市地方海事局，江蘇 無錫 214043)

0 引言

隨著海洋工程的發展，相應配套船舶所需作業機械數量、種類大量增多，容量亦大幅提高，傳統上操作這些設備需要多人在多個處所配合作業，效率低下、精確性低，又存在相當程度的安全隱患。因此，將這些設備整合成一個控制集中、簡單、精確的有機整體成為保障作業安全和提高作業效率的重要前提。

PLC是一種將繼電器控制技術、微電子技術、計算機技術和通信技術相結合制作的控制裝置［1］。微電子技術與控制技術相結合能實現精確、自動控制，計算機技術及通信技術使得集中控制、遠程控制更為簡單，因此，將PLC技術運用到船舶甲板機械控制并實現預定功能完全可能。

1 PLC工作原理及實現過程

PLC是專為工業環境下應用而設計的一種數字運算操作的電子系統，它采用可編程序存儲器，用來在其內部存儲、執行邏輯運算、順序控制、定時、計算等操作指令，通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械生產過程［2、3］。

1.1 PLC組成及工作原理

PLC與一般計算機類似，由硬件及軟件兩部分組成。硬件主要包括中央處理器(CPU)、存儲器、輸入接口、輸出接口、通信及其他接口、電源。軟件主要包括系統軟件和應用程序的編程語言。

PLC是一種典型的串行工作方式，其流程如圖1所示。其中自輸入采樣至輸出的過程稱之為一個掃描周期，PLC的工作過程就是周而復始的執行掃描周期直至系統停止運行。

圖1 PLC工作過程

1.2 PLC工業控制實現過程

與其他控制裝置使用類似，PLC在工業控制中實現過程一般可分以下5個步驟:

①了解系統工藝過程和控制要求;

②控制方案分析;

③系統配置;

④編寫控制程序及調試;

⑤組裝并運行。

2 某打撈船簡介

該打撈工程船為單甲板、艉部設具備100 t起重能力的起重機、船首設升高甲板、船首底部帶流線型的箱形非自航打撈工程船，適用于黃海、渤海等海域的沉船、沉物、航天航空飛行物的打撈，還具有航道、港口清疏等能力。

該打撈工程甲板機械由8臺200 kN液壓絞車、2臺100 kN液壓絞盤、4臺160 kN液壓絞盤、2臺100 kN液壓系泊絞車組成，其布置如圖2所示。

本船設1個液壓泵站以驅動上述絞車或絞盤。泵站由4個泵組組成，共用1個油箱。4個泵組可同時工作，亦可分為2組，互為備用。

圖2 甲板機械布置圖

3 甲板機械PLC控制實現

3.1 系統控制要求

系統應能就地控制和集中控制，且相應設備獨立操作互不影響。為確保安全，在機旁應有就地/集中控制模式轉換。而集中控制處，應能指示當前控制位置，顯示所有設備工作狀態和相關參數。

對絞車/絞盤控制包括:卷筒收回/釋放操作、急停、離合器嚙合/脫離操縱和指示、剎車制動/打開操縱和指示、液壓系統壓力顯示、鋼索放出長度顯示、鋼絲繩張力顯示、電液比例無級調速等。

對液壓泵站的控制包括:動力站液壓油泵電動機啟動/停止操縱、液壓系統綜合報警等。

3.2 系統控制方案

根據系統控制要求，本船甲板機械集中監控系統采用集散控制方案，在泵站、駕駛臺控制室和現場分別設置控制器及標準的輸入/輸出模塊實現對信號的采集、處理和顯示。各控制器通過網絡相連進行信息交換組成PLC控制網絡，并在駕駛控制室進行集中顯示及操控。每臺設備附近設置就地操作箱，實現遠程的集中操控和就地獨立分散控制。其控制系統的總體方案如圖3所示。

圖3 控制系統的總體構架

3.3 系統硬件配置

從甲板機械布置圖可以發現，絞車和絞盤集中在船舶尾部主甲板左右舷和艏升高甲板左右舷四處，而且每臺設備所需的輸入信號約為4～5，輸出信號約為3～4。考慮每處配置1臺微型PLC，即控制2臺絞車和2臺絞盤，輸入信號總數約16～20，輸出信號約12～16，因此選用性能穩定可靠、性價比較高的西門子S7-200系列中的CPU226，其I/O數量40(24輸入16輸出)［4］。因為需要輸入模擬量(鋼絲繩張力)，所以配1塊EM235擴展模塊(4輸入1輸出［4］)，能符合控制要求。在泵站和駕控臺各設置1臺控制器以便控制泵站和駕控臺集中控制，從便于維護的角度考慮，亦選用CPU226。

從控制系統總體架構分析，本系統通信比較簡單，主要集中在駕控臺—現場控制臺、駕控臺—泵站、泵站—現場控制臺，因此通信方式選擇自帶的PPI主—從通訊協議方式。該協議下，可以使用NETW(寫)和NETR(讀)指令實現主站與從站之間的數據通信(主站亦能接收其他主站的數據訪問［5］)。CPU226安裝2個RS-485串行通信口(Port 0及Port 1)，通過雙絞線即可方便連接，因此將4臺現場控制臺設置為從站，泵站和駕控臺設置為主站，即可符合本系統通訊要求。

3.4 控制程序

軟件主要采用西門子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6進行開發，包括主站和從站兩部分。程序表達方式一般有梯形圖和指令表兩種方式。以下是主站部分程序:

4 結語

以PLC為系統控制核心的甲板機械集中控制系統在該打撈工程船上的應用，提高了工作效率和安全性。同時，由于采用了標準化和模塊化的設備，使得該系統結構簡單，可根據現場工藝情況進行靈活配置、安裝、調試與維護。

［1］肖明耀.西門子S7－200系列PLC應用技能實例［M］.北京:電力出版社，2010.

［2］李建興.PLC技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2011.［3］何衍慶.常用 PLC應用手冊［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［4］武紅軍，張萬忠.可編程控制器入門與應用實例［M］.北京:電力出版社，2010.

［5］韋尚潮，曹聲.西門子PLC入門經典問答［M］.北京:電子工業出版社，2011.