基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)的設(shè)計

馬 寧，秦 珩

（南海艦隊裝備部，廣東湛江 524001）

基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)的設(shè)計

馬 寧，秦 珩

（南海艦隊裝備部，廣東湛江 524001）

可調(diào)螺距螺旋槳CPP（簡稱可調(diào)槳或調(diào)距槳）廣泛應(yīng)用于拖船、漁船、工程船（布纜船、挖泥船等）、調(diào)查船、科學(xué)考察船、油船、渡船、滾裝船、破冰船等。基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)使用PLC為主要控制單元，通過程序控制系統(tǒng)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(tǒng)。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(shè)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(shè)計要求，工作穩(wěn)定可靠，而且產(chǎn)品維護升級非常方便。基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)，將PLC和HMI技術(shù)引入船舶CPP智能控制領(lǐng)域，增強了產(chǎn)品功能，降低了產(chǎn)品成本，具有較好的經(jīng)濟效益，同時對推動船舶電氣的標準化建設(shè)也具有十分重要的意義。

調(diào)距槳 PLC HMI

0 引言

可調(diào)螺距螺旋槳 CPP（Controllable Pitch Propeller)，一般稱為可調(diào)槳或調(diào)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(chǎn)品，性能好，價格高。調(diào)距槳能夠在不改變螺旋槳和主機轉(zhuǎn)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(gòu)，有效地協(xié)調(diào)了船的多工況與單一主機的矛盾，在非設(shè)計點的其它工況，均能發(fā)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(jié)能效果。

廣泛采用調(diào)距槳的船型有：拖船、工程船（布纜船、挖泥船等）、調(diào)查船、科學(xué)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(diào)距槳電控系統(tǒng)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(shù)易漂移、精度不高、調(diào)試點多、故障率高等缺點，維修調(diào)試十分困難。各個廠家生產(chǎn)的控制板規(guī)格不同，接口電路沒有統(tǒng)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(diào)距槳控制系統(tǒng)為例，探討了使用PLC結(jié)合HMI技術(shù)，設(shè)計出穩(wěn)定性高、操作使用方便的CPP控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

結(jié)合船舶的實際情況，對CPP控制系統(tǒng)需求分析如下：

1）本系統(tǒng)要求能夠在駕駛室、集控室操縱控制調(diào)距槳及主機轉(zhuǎn)速；對調(diào)距槳的控制應(yīng)使集控室比駕駛室優(yōu)先。兩部位間設(shè)置聯(lián)鎖機構(gòu)，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(yīng)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(diào)距槳的原工況應(yīng)保持不變，各控制部位設(shè)有操縱部位的指示信號；

3）每個部位均設(shè)有操縱臺，操縱臺上設(shè)有操縱手柄、螺距表、主機轉(zhuǎn)速表、操作開關(guān)及狀態(tài)指示報警燈；

4）控制箱面板設(shè)置一臺HMI，便于使用、管理和維修維護；

5）螺距失控時系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號；

6）調(diào)距槳控制角度范圍：+100～0～-100（相對值），轉(zhuǎn)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(diào)距槳負荷控制功能；

9）具備調(diào)距槳恒速控制功能；

10）本系統(tǒng)應(yīng)具備一定的抗干擾能力，也不應(yīng)產(chǎn)生正常工作所不允許的傳導(dǎo)感應(yīng)和輻射干擾，各系統(tǒng)之間應(yīng)能電磁兼容；

上述功能能夠最大限度的發(fā)揮調(diào)距槳的作用，可平穩(wěn)精確控制艦船的航速，非常有利于船舶的戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮。系統(tǒng)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(diào)距槳控制系統(tǒng)工作原理

調(diào)距槳控制系統(tǒng)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(zhuǎn)速測量裝置（艉軸艙）

10）負荷測量裝置（主機艙）

11）調(diào)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(jié)合圖1，CPP控制系統(tǒng)工作過程如下：PLC控制系統(tǒng)根據(jù)（駕駛室或集控室）操縱手柄的指令，按照預(yù)先編制的程序，同時對調(diào)距槳和主機轉(zhuǎn)速進行控制。控制系統(tǒng)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(fā)生變化時，保持主機已調(diào)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(tǒng)和備用控制系統(tǒng)采用獨立供電方式。主控制系統(tǒng)由總配電板的380 V輸出，經(jīng)7LP、8LP電力分電箱到主機變壓器轉(zhuǎn)換為220 V；備用控制系統(tǒng)由總配電板的220 V直接供電。

為安全考慮，在意外情況下調(diào)距槳控制系統(tǒng)能夠繼續(xù)使用，控制系統(tǒng)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(zhí)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(shù)器：4,096位：C0～C4095

DM區(qū)：32K字：D0～D32767

跟蹤存儲器：4,000字（500個樣本用于追蹤數(shù)據(jù)，最多為31位和6字。）

線性驅(qū)動器輸入：兩軸用于相位A、B和Z

線性驅(qū)動器輸出：兩軸用于CW和CCW

圖1 系統(tǒng)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(zhuǎn)速測量模塊：選用HXG-253N型轉(zhuǎn)速測量模塊

4）比例閥驅(qū)動板：選用HXG-253P型比例閥驅(qū)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(xiàn)

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(fā)生器（由精密電位器產(chǎn)生），將手柄信號即調(diào)距槳角度指令信號送給PLC的A/D通道1。同時，調(diào)距槳配油器內(nèi)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(jié)合主機轉(zhuǎn)速等其他狀態(tài)信息綜合判斷運算后，輸出控制信號驅(qū)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(nèi)的液壓缸帶動槳葉轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一調(diào)距槳角度，使之與操縱手柄指令一致，從而完成調(diào)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(huán)控制系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)由液壓站和配油器承擔，被控對象為調(diào)距漿，檢測變送由螺距傳感器來完成。PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，運算后得到差值e(t)，存在指定的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過PLC運算處理后輸出c(t)給執(zhí)行機構(gòu)。

2.2 控制算法的設(shè)計

螺距角度控制為前饋加閉環(huán)控制，前饋控制可以使螺距角度快速到達設(shè)定值，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而閉環(huán)控制可以調(diào)節(jié)由位置干擾引起的螺距角度波動，螺距角度閉環(huán)控制采用了位置式 PID 算法，實現(xiàn)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(shè)定值與被控量之差）；

Kp—控制器的比例放大系數(shù)；

Ki—控制器的積分系數(shù)；

Kd—控制器的微分系數(shù)。

該公式依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)整比例、積分和微分三項參數(shù)，使得調(diào)距槳控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。

3 轉(zhuǎn)速控制功能實現(xiàn)

3.1 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號，PLC在接收到這個信號后，綜合當前控制模式開關(guān)量狀態(tài)，以及柴油機的負荷狀態(tài)和柴油機的轉(zhuǎn)速等外部條件，適時調(diào)整柴油機的轉(zhuǎn)速。其工作原理如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速控制原理示意圖

系統(tǒng)進入轉(zhuǎn)速控制時，將啟動轉(zhuǎn)速控制程序。軟件在每個掃描周期執(zhí)行一次轉(zhuǎn)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(jīng)D/A單元轉(zhuǎn)換為電壓信號，控制轉(zhuǎn)速比例閥。

Ph——輸入信號，操縱手柄的指令，電壓信號，經(jīng)A/D單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

Pf——輸入信號，轉(zhuǎn)速的反饋電壓，經(jīng)A/D單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

f1——轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)1，由PLC的輸出精度和參考電壓計算得出。

f2——轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)2，也稱為校準系數(shù)，與手柄的電壓信號以及系統(tǒng)輸出誤差相關(guān)。

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(diào)用。實際的轉(zhuǎn)速控制程序比較復(fù)雜，在使用公式(2)的同時，需考慮幾個方面的因數(shù)，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(zhuǎn)速是否大于200 rpm；

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

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

5）當駕控手柄的輸入信號＜“調(diào)速+ 死區(qū)”時，DA輸出最小值Dmin，驅(qū)動轉(zhuǎn)速比例閥；

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

7）結(jié)果加上最小值Dmin，通過DA輸出，驅(qū)動轉(zhuǎn)速比例閥。

4 HMI人機界面設(shè)計

工作主界面是系統(tǒng)工作時最常用的界面。根據(jù)系統(tǒng)需要，在EB8000軟件上設(shè)計CPP控制主界面如圖4所示。

主界面的左邊設(shè)有19個位狀態(tài)指示燈，分為兩列擺放。最左側(cè)位狀態(tài)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(tài)指示燈用于指示集控室的控制方式和主機工作狀態(tài)。

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(diào)距槳的螺距狀態(tài)。

主界面的右邊是6個表針元件。分別用于指示艉軸轉(zhuǎn)速、主機負荷、調(diào)速氣壓、齒條表、螺距微調(diào)和負荷限制。

圖4 工作主界面

5 結(jié)論

本文介紹了基于PLC和HMI的調(diào)距漿控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)的要點。該設(shè)備與以前的分離元件電路板產(chǎn)品相比，具有集成度高，性能穩(wěn)定，操作簡單方便的特點。

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

本文的創(chuàng)新點在于將PLC和HMI技術(shù)引入船舶CPP智能控制領(lǐng)域，增強了產(chǎn)品的功能與性能，降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品的可維護性，具有較好的經(jīng)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。