基于PLC的船舶機艙設備的雙層網絡控制系統設計

蘇攀，吳杰長

(海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

基于PLC的船舶機艙設備的雙層網絡控制系統設計

蘇攀，吳杰長

(海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

針對船舶機艙監控系統模塊化、網絡化、調試維護簡便化和高效費比等方面的設計要求，利用PLC技術成熟、配置靈活、編程及調試方便、網絡構建簡單等技術特點，設計基于PLC的船舶機艙設備雙層網絡控制系統。實驗室條件下模擬功能試驗表明，該系統能較好滿足相關設計要求，具有很好的適用性。

船舶機艙設備;PLC;雙層網絡

目前通常采用單片微控制器等技術，由研制單位自行設計專用監控系統的方法，整個系統的設計過程開發周期長、成本高、調試及維護難度大、設備的互操作性和通用性差，難以適應船舶機艙監控系統模塊化、網絡化、調試維護簡便和高效費比等方面的設計要求。由于PLC及基于PLC的網絡通信技術的快速發展，開發手段成熟完善［1-3］，采用基于PLC的船舶機艙設備控制系統將具有可靠性高、抗干擾能力強、實時性好、安裝調試及維護方便、組網成本低等優點。考慮到施耐德PLC技術和產品的優良特性，以施耐德Modicon M340 PLC控制器為核心，設計配置雙層網絡的船舶機艙設備控制系統，在實驗室條件下進行試驗考核。

1 網絡化硬件系統構建

1．1 監控對象概述及雙層網絡總體設計

現代船舶需要集中監控的機艙設備、裝置及系統包括:主機及輔助系統、發電機組、空壓機、各類泵組、液壓及通風機械、損害管制設備和系統等，安裝分布于主機艙、輔機艙、軸系艙等多個艙室，涉及溫度、壓力、流量、液位、轉速等多類監測和控制信號。這些被監測量不僅數量眾多，而且控制要求不盡相同［4-6］。基于高性能的網絡架構不僅可確保機艙控制系統對惡劣工作環境和各種干擾的適應性，而且還能夠保證各類信號高速準確地傳輸。

為實現集中監控和管理，簡化控制系統的安裝、調試和維護，根據Modicon M340 PLC的技術特點，在設計中采用以太網和Modbus總線雙層網絡架構形式。考慮到信息處理量相對較大，上位機監控操作和信息管理站與PLC控制設備之間采用基于TCP/IP協議的以太網;PLC控制設備和觸控屏設備之間通過Modbus總線構建底層通訊網絡。按此思路設計雙層網絡結構見圖1。

圖1 雙層網絡控制系統總體架構

圖1中，駕控和集中信息管理站基于加固微機技術實現，一方面具有通常監控功能，同時便于應用基于微機的豐富軟件資源開發船舶機艙設備的狀態監測、故障診斷，以及健康預測等功能，并提供與岸基遠程支持平臺的信號交互接口，實現功能擴展;基于PLC觸控屏的集中監控站位于機艙集中控制室，用于全面實現機艙設備的監測報警、自動控制和安全保護等功能。系統正常工作時，現場傳感設備采集的參數信號經PLC控制站處理后傳輸至上層網絡，操作人員根據人機界面上顯示的數據信息發出控制指令、或由系統自動給出控制指令，經PLC控制站處理轉發后，最終由現場設備執行機構完成終端設備控制動作，從而實現船舶機艙設備網絡化控制系統的控制、調度、監測和管理功能。為了防止網絡通信故障導致系統監控功能失效，將PLC到上位機的管理網配置為冗余網絡，進一步提高系統的可靠性。

1．2 控制系統硬件配置

為滿足控制系統的高可靠性要求，保證整個系統不間斷工作，PLC控制站選用2套配置完全相同的PLC主機和冗余處理模塊構成冗余熱備控制系統。其中一塊為主控制器，另外一塊作為備用控制器。

當主控制器出現故障時，冗余處理模塊迅速將控制功能切換到備用控制器，該過程的切換時間不超過PLC的一個掃描周期。熱備切換時，以太網地址自動切換，對上位機無任何影響;Modbus地址自動切換，對現場設備和儀表無任何干擾。所有數據交換在一個掃描周期內完成，確保所有命令同步操作，冗余控制器從中斷點繼續執行，不會丟失任何信號。

基于PLC的船舶機艙設備雙層網絡控制系統工作的核心是PLC控制站，根據機艙設備一般所涉及的溫度、壓力、流量、液位、以及開關量信號輸入/輸出處理要求，通過Modicon系列模塊優化選型，配置PLC控制站見圖2。

圖2 PLC控制配置示意

圖2中，CPU模塊實現各類信號的甄別和定值處理等功能，以及保證PLC控制站通過以太網完成與信息管理站的數據交換;Modbus通信模塊實現Modbus總線的通信連接，保證PLC與集中監控站之間的網絡通信;繼電輸出模塊分別向各個設備的執行機構提供控制信號，故障時向報警裝置輸出報警信號。

2 網絡通信及HMI程序設計

2．1 Modbus總線及以太網通信

船舶機艙雙層網絡化監控系統的通訊任務主要涉及Modbus總線和以太網通信兩大部分內容，通信功能的實現依賴于網絡配置和通信程序。Modbus總線網絡通信中使用主從技術，上位機與下位機的通信只能由上位機發起［7-9］。當用戶執行某個命令時，調用命令處理程序，形成Modbus協議幀格式，通過串行口將數據發送出去，數據發送出去后即啟動定時器等待下位機返回數據。Modbus通信程序的編程過程可描述為①對Modbus通信端口的參數如設備地址、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗進行設置;②根據實際功能要求編寫Modbus通信程序代碼，Modbus協議下的串行通信需調用特定的通信功能塊才能完成，本設計中Modicon M340 PLC通信程序中的收、發數據的基本ST語句如下。

對以太網通信而言，為了實現高通信效率采用全雙工并行的通信模式，允許站點同時發送和接受數據。Ethernet網絡通信的設計過程可描述為①對CPU模塊的以太網端口進行初始化，設置網絡的IP地址、子網掩碼和網關地址等參數;②配置以太網通訊的I/O掃描服務，該服務能夠確保CPU定期從掃描設備中讀取數據，或將數據寫入掃描設備;③編寫以太網通信的相關程序，并建立網絡與模塊之間的關聯，應用程序與模塊之間各種類型的數據交換方式見圖3。

2．2 觸控屏與控制器通信及HMI程序

圖1中集控站基于觸控屏及其通信技術而實現，其人機交互界面(HMI)組態軟件開發在施耐德Vijeo-Designer軟件平臺下實施。Vijeo-Designer的通信系統可以將不同制造商的不同類型、不同型號的多個設備連接到一個目標機器，在創建的觸控屏的工程內簡單地添加各種驅動程序即可實現網絡通信［10］。系統中實際的硬件連接是將觸控屏與要通信的PLC模塊的以太網端口進行連接，在程序中添加驅動程序并在項目程序中進行與通信相關的編程，從而實現觸控屏與控制器之間的通訊。

圖3 應用程序與模塊之間的數據交換方式

HMI程序參照船舶機艙自動化系統軟件的功能要求進行設計，用以監控推進裝置、輔助機械、船舶電站等設備的運行狀態，實現的基本功能有:實時監控、過程控制、參數設置、數據記錄、在線組態和報警及狀態顯示。在HMI程序的編程設計中，利用PLC的內部寄存器創建實時數據庫，將人機界面的各種圖案符號與實時數據庫中的變量連接，即可實時監測各設備的運行狀態，同時也可以通過人機界面的仿真開關向PLC發出控制指令。所設計的觸控屏HMI典型界面(液壓裝置監控界面)見圖4。

圖4 液壓裝置監控界面

3 功能調試試驗

由于在實驗室條件下無法完整構建實際監控對象，采用硬件在環仿真方法對所構建的網絡化控制系統進行功能模擬試驗，即采用仿真微機+ I/O模塊的方法模擬監控對象、由實時仿真模型提供圖2中與PLC模塊交互的機艙設備參數、信號。考慮主要研究基于PLC控制器及雙層網絡控制問題，試驗中以網絡通信功能、PLC控制器冗余切換過程為考察重點，試驗方法及結果如下。

1)系統正常監控功能試驗。仿真微機接收系統控制站觸控屏控制指令信號準確，軟件界面監測顯示參數和信號與實驗仿真微機接收指令后模型運行參數、信號一致。

2)報警和安全保護功能試驗。在仿真微機中模擬設備一般性和需安全保護的故障，控制系統中PLC控制器實時發出報警和安全保護信號、指令，報警及安全保護功能正常。

3)網絡時延、實時性試驗。仿真微機中同時設置多設備、復雜變工況環境，模擬生成可預計范圍內、最大量實時變參數信號，觀察控制系統監控參數信號響應情況，數據最大延時約350 ms。

4)PLC冗余控制器切換過程試驗。人為設置主控制器故障，控制系統切換過程無錯亂、監控信號自動保持切換時實際狀態，切換后系統工作正常、數據無丟失。

4 結論

采用基于PLC的船舶機艙設備控制系統雙層網絡結構極大簡化了系統的安裝、調試和維護工作，且可建立可靠、穩定的冗余網絡通信，具有配置靈活簡單、成本低、可靠性高、抗干擾能力強和可擴充性好等優點，在船舶機艙設備自動化監控、管理領域具有良好的適應性。系統中使用冗余熱備器件，可靠性得到很大提高，但如何優化主從控制器同步數據結構、減輕PLC程序掃描負擔，仍有待做更深入研究。

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Design of the Double-network Controlling System for Marine Engine-room Equipment Based on PLC

SU Pan，WU Jie-chang
(College of Power and Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

According to the design requirements of monitoring and controlling system for the marine engine room such as modularization，networking，simplification of debugging and maintenance，and high effectiveness/cost，the technical features of PLC as mature technology，flexible configure，easy programming and debugging and simple network-building are made full used to design the double-network controlling system for the marine engine-room equipment based on PLC.The experiment of function debugging proves that the system can meet relational requirements well，and has excellent applicability.

marine engine-room equipment;PLC;double-network

U663.8

A

1671-7953(2015)02-00104-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.027

2014-09-20

修回日期:2014-09-28

國家部委基金資助項目

蘇攀(1990-)，男，碩士生

研究方向:艦船動力裝置自動化與仿真技術

E-mail:243923527@qq.com