基于PLC的調距槳控制系統的設計

馬 寧，秦 珩

（南海艦隊裝備部，廣東湛江 524001）

基于PLC的調距槳控制系統的設計

馬 寧，秦 珩

（南海艦隊裝備部，廣東湛江 524001）

可調螺距螺旋槳CPP（簡稱可調槳或調距槳）廣泛應用于拖船、漁船、工程船（布纜船、挖泥船等）、調查船、科學考察船、油船、渡船、滾裝船、破冰船等。基于PLC的調距槳控制系統使用PLC為主要控制單元，通過程序控制系統各部件工作；輔以HMI為主要顯示部件，組成高性能的CPP控制系統。克服了以往的分立元件控制方式下故障多、維修困難的問題，使設備具有集成度高，簡單靈活，易于維護的特點。在海洋勘察船上一年多的使用，取得良好的效果，不僅各項性能完全達到設計要求，工作穩定可靠，而且產品維護升級非常方便。基于PLC的調距槳控制系統，將PLC和HMI技術引入船舶CPP智能控制領域，增強了產品功能，降低了產品成本，具有較好的經濟效益，同時對推動船舶電氣的標準化建設也具有十分重要的意義。

調距槳 PLC HMI

0 引言

可調螺距螺旋槳 CPP（Controllable Pitch Propeller)，一般稱為可調槳或調距槳，此稱呼是相對于定距槳 FPP（Fixde Pitch Propeller）而言的，在推進器中屬于高端產品，性能好，價格高。調距槳能夠在不改變螺旋槳和主機轉向的情況下，僅用改變螺距的方法得到從最大正值到最大負值的各種推力值，既可以省去換向裝置，又可減少船舶換向的時間。和單工作制的定距槳不同，它是多工作制機構，有效地協調了船的多工況與單一主機的矛盾，在非設計點的其它工況，均能發揮主機螺旋槳的能力與效率，提高船的性能，和定距槳動力裝置相比，可提高約3～5%的綜合效率，具有明顯的節能效果。

廣泛采用調距槳的船型有：拖船、工程船（布纜船、挖泥船等）、調查船、科學考察船、油船、渡船、滾裝船、破冰船等。

但是，我國各類船舶裝備的調距槳電控系統基本上都是采用模擬電路控制方式，即由分離元件電路板組成的模擬控制電路。這種控制模式有參數易漂移、精度不高、調試點多、故障率高等缺點，維修調試十分困難。各個廠家生產的控制板規格不同，接口電路沒有統一的標準，零配件更換困難。

本文以海洋勘察船主推進裝置調距槳控制系統為例，探討了使用PLC結合HMI技術，設計出穩定性高、操作使用方便的CPP控制系統。

1 系統設計

1.1 系統需求分析

結合船舶的實際情況，對CPP控制系統需求分析如下：

1）本系統要求能夠在駕駛室、集控室操縱控制調距槳及主機轉速；對調距槳的控制應使集控室比駕駛室優先。兩部位間設置聯鎖機構，同一時間只能在一個部位進行操縱；

2）駕駛室與集控室之間應能迅速方便的進行切換，切換時間一般不大于3 s；控制部位之間進行切換時，調距槳的原工況應保持不變，各控制部位設有操縱部位的指示信號；

3）每個部位均設有操縱臺，操縱臺上設有操縱手柄、螺距表、主機轉速表、操作開關及狀態指示報警燈；

4）控制箱面板設置一臺HMI，便于使用、管理和維修維護；

5）螺距失控時系統發出聲光報警信號；

6）調距槳控制角度范圍：+100～0～-100（相對值），轉速控制范圍：125～200 r/min；

7）全程變距時間：35±1 s（含電控及液壓動作時間）；

8）具備調距槳負荷控制功能；

9）具備調距槳恒速控制功能；

10）本系統應具備一定的抗干擾能力，也不應產生正常工作所不允許的傳導感應和輻射干擾，各系統之間應能電磁兼容；

上述功能能夠最大限度的發揮調距槳的作用，可平穩精確控制艦船的航速，非常有利于船舶的戰術性能的發揮。系統同時具備完善的安全保護功能，能有效的保護主機的安全運行。

1.2 調距槳控制系統工作原理

調距槳控制系統組成如下：

1）駕駛室操縱臺（含左機和右機）

2）集控室操縱臺（含左機和右機）

3）艉軸艙操縱臺（左機）

4）艉軸艙操縱臺（右機）

5）主控制箱（集控室）

6）備用控制箱（艉軸艙）

7）傳令車鐘（駕駛室和集控室）

8）螺距反饋裝置（艉軸艙）

9）轉速測量裝置（艉軸艙）

10）負荷測量裝置（主機艙）

11）調速比例閥及電磁閥箱（集控室）

12）螺距測量指示裝置（集控室）

其功能框圖如圖1所示。

結合圖1，CPP控制系統工作過程如下：PLC控制系統根據（駕駛室或集控室）操縱手柄的指令，按照預先編制的程序，同時對調距槳和主機轉速進行控制。控制系統具有負荷控制功能，負荷控制可在船舶外部航行條件（風、浪、洋流等）發生變化時，保持主機已調定的負荷，保證操控手柄的安全操作，使主機不會有超負荷的危險。

主控制系統和備用控制系統采用獨立供電方式。主控制系統由總配電板的380 V輸出，經7LP、8LP電力分電箱到主機變壓器轉換為220 V；備用控制系統由總配電板的220 V直接供電。

為安全考慮，在意外情況下調距槳控制系統能夠繼續使用，控制系統還配有獨立的螺距備用控制裝置和備用的駕駛室傳令鐘裝置。

1.3 主要材料選型

1）控制器（PLC）：選用歐姆龍的CP1HXA40DT-D型可編程控制器主機, 主要性能如下：

電源：DC24V

控制方式：存儲的程序方式

程序語言：梯形圖

指令長度：1～7步/指令。

指令執行時間：基本指令：0.10 μs以上，專用指令：0.15 μs以上。

公用處理時間：0.7 ms。

程序容量：20 K步。

子程序編號最大值：256

跳動編號最大值：256

定時器：4,096位：T0～T4095

計數器：4,096位：C0～C4095

DM區：32K字：D0～D32767

跟蹤存儲器：4,000字（500個樣本用于追蹤數據，最多為31位和6字。）

線性驅動器輸入：兩軸用于相位A、B和Z

線性驅動器輸出：兩軸用于CW和CCW

圖1 系統方框圖

2） HMI：選用威綸10寸TK6102I型液晶顯示觸摸屏，主要性能如下：

顯示類型：10”TFT

分辨率（WxH dots）：800 x 480

顯示色彩：65536

顯示亮度（cd/m）：300

對比度：500∶1

觸控類型：4線模擬電阻式

觸控精度：Active Area Length(X）±2%, Width(Y)±2%

Flash儲存器：128 MB

DRAM：64 MB

處理器：32 Bit RISC 400 MHz

COM連接：Com1∶ RS-232/RS-485 2w/4w, Com3∶ RS-485 2w

輸入電源：24±20%VDC

軟件：簡體中文版EB8000 V4.42或更新版

3）轉速測量模塊：選用HXG-253N型轉速測量模塊

4）比例閥驅動板：選用HXG-253P型比例閥驅動板

5）放大板：選用HXGOS.PCB螺距表指示放大板。

2 螺距控制功能實現

2.1 螺距控制原理

駕駛室或集控室操控臺上的操縱手柄軸帶動一支高精度信號發生器（由精密電位器產生），將手柄信號即調距槳角度指令信號送給PLC的A/D通道1。同時，調距槳配油器內部的螺距反饋精密電位器給出一個實際螺距角度信號送往PLC 的A/D通道2，PLC接收到這兩個信號后，結合主機轉速等其他狀態信息綜合判斷運算后，輸出控制信號驅動正車或倒車電磁閥工作。電磁閥接通正車/倒車油壓油路，通過軸內的液壓缸帶動槳葉轉動，產生一調距槳角度，使之與操縱手柄指令一致，從而完成調距槳的控制。控制示意圖如圖2。

圖2 螺距控制原理示意圖

PLC模擬量閉環控制系統模型如圖2所示。圖中虛線部分由PLC的基本單元加上模擬量輸入/輸出擴展單元來承擔，執行機構由液壓站和配油器承擔，被控對象為調距漿，檢測變送由螺距傳感器來完成。PLC模擬量閉環控制系統工作過程為，由PLC采樣來自指令元件的模擬信號r(t)和檢測變送器的反饋c(t)，同時將采樣的信號轉換為數字量，運算后得到差值e(t)，存在指定的數據寄存器中，經過PLC運算處理后輸出c(t)給執行機構。

2.2 控制算法的設計

螺距角度控制為前饋加閉環控制，前饋控制可以使螺距角度快速到達設定值，提高了系統的響應速度。而閉環控制可以調節由位置干擾引起的螺距角度波動，螺距角度閉環控制采用了位置式 PID 算法，實現螺距角度精確控制。公式(1)即為位置式 PID算法。

式中，u(k)—第k 次采樣時刻控制器的輸出值；

e(k)—第k 次采樣時刻控制器的輸入（e(k )=r(k )-c(k )常常是設定值與被控量之差）；

Kp—控制器的比例放大系數；

Ki—控制器的積分系數；

Kd—控制器的微分系數。

該公式依據控制器輸出與執行機構的對應關系，通過調整比例、積分和微分三項參數，使得調距槳控制系統獲得良好的閉環控制性能。

3 轉速控制功能實現

3.1 轉速控制原理

由駕駛室或集控室操控臺上的操縱手柄輸出的指令信號同時被PLC解釋為轉速信號，PLC在接收到這個信號后，綜合當前控制模式開關量狀態，以及柴油機的負荷狀態和柴油機的轉速等外部條件，適時調整柴油機的轉速。其工作原理如圖3所示。

圖3 轉速控制原理示意圖

系統進入轉速控制時，將啟動轉速控制程序。軟件在每個掃描周期執行一次轉速控制程序，輸出的電壓信號由公式2計算得出。

式中，Q——輸出信號，經D/A單元轉換為電壓信號，控制轉速比例閥。

Ph——輸入信號，操縱手柄的指令，電壓信號，經A/D單元轉換為數字信號。

Pf——輸入信號，轉速的反饋電壓，經A/D單元轉換為數字信號。

f1——轉速比例閥系數1，由PLC的輸出精度和參考電壓計算得出。

f2——轉速比例閥系數2，也稱為校準系數，與手柄的電壓信號以及系統輸出誤差相關。

Dmin——最小輸出值。

使用編程語言將公式(2)寫入PLC控制軟件，作為子程序以備調用。實際的轉速控制程序比較復雜，在使用公式(2)的同時，需考慮幾個方面的因數，其工作過程如下：

1）首先，判斷是正車位還是倒車位；

2）再判斷轉速是否大于200 rpm；

3）下面以正車位，轉速小于200 rpm為例說明程序的處理過程。轉速如果大于200 rpm，則不可調整轉速。至于倒車位，控制流程相同，只是使用的轉速比例閥系數不一樣。

4）從A/DCH1讀取駕控手柄的輸入信號，減去設定的“調速+ 死區”，得到差值DU(DU=Ph-Pf)，再與“調速+ 死區”進行比較；

5）當駕控手柄的輸入信號＜“調速+ 死區”時，DA輸出最小值Dmin，驅動轉速比例閥；

6）當駕控手柄的輸入信號≥“調速+ 死區”時，運用公式2計算輸出信號，DU(DU=Ph- Pf)先乘以轉速比例閥系數f1，再除以轉速比例閥系數f2；

7）結果加上最小值Dmin，通過DA輸出，驅動轉速比例閥。

4 HMI人機界面設計

工作主界面是系統工作時最常用的界面。根據系統需要，在EB8000軟件上設計CPP控制主界面如圖4所示。

主界面的左邊設有19個位狀態指示燈，分為兩列擺放。最左側位狀態指示燈用于指示駕控室控制下的9種控制方式；右邊位狀態指示燈用于指示集控室的控制方式和主機工作狀態。

主界面的中部是3個棒圖元件，前兩個棒圖元件分別用于指示駕控手柄和集控手柄的位置，另外一個棒圖元件用于指示調距槳的螺距狀態。

主界面的右邊是6個表針元件。分別用于指示艉軸轉速、主機負荷、調速氣壓、齒條表、螺距微調和負荷限制。

圖4 工作主界面

5 結論

本文介紹了基于PLC和HMI的調距漿控制系統的設計和實現的要點。該設備與以前的分離元件電路板產品相比，具有集成度高，性能穩定，操作簡單方便的特點。

該產品在海洋勘察船上投入使用一年多時間，系統運行穩定，工作可靠，抗干擾能力強，硬件結構簡單。PLC和HMI都是標準化產品，配件供貨方便，系統維護快捷簡單。HMI顯示界面清晰、美觀，主題突出，性能穩定可靠，這些優點使得該產品在船舶CPP自動化控制中有很大的應用前景。

本文的創新點在于將PLC和HMI技術引入船舶CPP智能控制領域，增強了產品的功能與性能，降低了產品成本，提高了產品的可維護性，具有較好的經濟效益。

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The Design of the Pitch Control System Based on PLC

Ma Ning, Qin Heng

（ Facility Department of South China Sea Fleet, Zhanjiang 524001, Guangzhou, China ）

Controllable pitch propeller( CPP) is widely used in tug, fishing boats, engineering ships (cable laying ship, dredger, etc.), boat surveys, scientific investigation ship, oil tanker, ferry and RO ro ships, icebreakers and others. Using PLC as main control unit, CPP control system controls components through the program, and forms high performance CPP control system with HMI as the main display components. It overcomes the problems of many faults and maintenance difficulty in former control method, which makes the equipment have high integration, simple and flexible, and easy to maintain. It gets good results for the system used in marine survey ship more than a year. It meets the design requirements. The operation is stable and reliable, and product maintenance and upgrade is very convenient. Based on PLC, intelligent control of ship CPP enhances the function, reduces the cost and gets better economic benefits. It also has a very important significance to promote the construction of ship's electrical standardization.

CPP; PLC; HMI

TP273

A

1003-4862（2015）08-0061-05

2015-06-08

馬寧（1983-），男，工程師。研究方向：輪機工程。