基于PLC控制器的采礦船監控系統

陳 巧，吳登云

（北車船舶與海洋工程發展有限公司，上海 201206）

基于PLC控制器的采礦船監控系統

陳 巧，吳登云

（北車船舶與海洋工程發展有限公司，上海 201206）

采礦船PLC控制系統采用PROFIBUS-DP通訊網絡實現主站與從站的數據交換和分布式控制功能，以可編程序控制器為處理核心，對采礦船各設備進行安全控制和信息采集。介紹了SCADA軟件系統和PLC控制系統，SCADA軟件系統配合PLC控制系統對采礦船實施監控，可使監控界面直觀、使用方便。實踐表明，PLC控制系統性能穩定、可靠性高、監控效果理想。

采礦船；PLC；監控系統；SCADA

0 引言

隨著國內工程船的不斷發展和科學技術的進步，工業生產的自動化是大勢所趨。因 PLC控制系統和SCADA軟件系統具有較高的可靠性及系統穩定性，已成為工程船舶領域最主要的控制系統[1-2]。由于工程船需要控制的設備多，PLC采用現場總線控制技術大大簡化了控制接口，降低了成本。現今，在工程船領域PLC控制系統主要應用于挖泥船[3-4]。采礦船作業工況類似于挖泥船作業工況，需實現移船、采礦、選礦等多項功能，控制較為復雜，因此，采礦船控制系統采用PLC自動化控制技術。

1 PLC監控系統設計

1.1 系統配置

本系統方案中，PLC采用德國 SIEMENS S7-300系列產品的軟件和硬件，主站中央處理器單元選用CPU317-2 DP，從站由4個ET200M從站、2個變頻器從站及9個多圈絕對型絞車編碼器從站組成。所有PLC通過 PROFIBUS-DP總線構成獨立的現場控制網絡，PLC主站通過CP343-1通訊處理器模塊通過工業以太網連接至全船的計算機網絡。控制系統硬件組態如圖1所示。

船的艏部采礦操縱臺設立PLC主站，PLC控制柜設立4個ET200M分布式I/O設備的PLC從站，通過PROFIBUS專用通訊電纜依次按照采礦室操縱臺、PLC控制柜順序把PLC主站和4個ET200M從站進行總線連接構成PLC控制系統。采礦室、移位室和集控室的遙控操縱臺采用硬線連接與PROFIBUS通訊相結合的方法，來實現它的控制和監控設備與其對應子站的I/O連接，達到遙控操作的目的，遙控操縱臺設有相應的控制手柄、按鈕、報警燈、顯示儀表等。同時，采礦船絞刀控制、三纜定位、裝駁絞車、橫移絞車、橋架絞車等核心控制設立了現場就地控制箱，當兩種控制命令同時發出時，優先進行現場控制。

圖1 控制系統硬件組態圖

1.2 PLC控制系統

由集成監控系統采礦工作站或傳統的操縱器件完成的基本動作均可以通過 PLC（可編程邏輯控制）網絡和PLC系統處理來實現，該網絡完全有能力完成這些任務。PLC控制系統輸入在PLC控制器內，是控制系統的控制中心，控制軟件實現安全、可靠的控制，完成所有控制規則的實現[5]。本系統方案中，PLC每個模塊均具有獨立的電氣保護措施，PLC系統具有自檢功能，當PLC網絡出現故障時，能自動偵測故障點，并發出報警。

采礦系統PLC主站，安裝于采礦操縱臺內，進行邏輯判斷與指令下達。液壓系統和泵機PLC從站，安裝于PLC控制柜內，負責采集及控制，液壓系統PLC從站實現液壓泵、閘閥、蝶閥、起橋絞車、橫移絞車、三纜絞車、裝駁絞車等設備的安全控制和數據采集，泵機PLC從站實現絞刀、水下泵、高壓沖水泵、舵槳裝置及其他輔助設備的控制與數據采集。變頻器從站將運行狀態反饋給PLC并進行上位機顯示。絞車編碼器從站實現絞車的狀態監視以及數據采集。

液壓站和變頻器從站由PLC主站控制，PLC主站完成所有與上位機和服務器的通訊，液壓站和變頻器的啟動都需要滿足既定的聯鎖條件。液壓系統PLC從站接收采礦操縱室PLC主站發來的控制指令，通過I/O硬線連接控制液壓站按照不同的工作要求驅動 9臺液壓絞車工作，而泵機PLC從站接收控制指令后，通過I/O硬線和 PROFIBUS通訊網絡控制各個變頻器按照不同的工作要求驅動1臺泥泵電機、1臺絞刀電機、1臺高壓沖水泵電機、2臺舵槳電機和12臺選礦電機工作，以實現對采礦船各設備的運行控制。

2.系統軟件程序設計

2.1 SCADA系統軟件設計

SCADA不是完整的控制系統，而是位于控制設備之上，側重于操作、顯示、管理的純軟件。SCADA系統是監控軟件系統，是基于數據庫的實時監控系統。它能夠為用戶提供豐富的監控界面，實時反映全部采礦設備的各種狀態，可對全船設備進行可視化操作。采用SCADA系統，能節省許多機械觸點和PLC模塊I/O點，簡化PLC設計電路，提高其直觀性。

本船SCADA軟件通過服務器與控制設備PLC相連，進行數據處理和運算。系統由兩臺互為冗余備用的服務器負責數據采集及處理，服務器間可以相互通訊。SCADA軟件系統實時反映液壓控制系統、泵機控制系統的信息。當采用 SCADA軟件進行控制時，計算機進行聯鎖。控制命令聯鎖，即多臺計算機及主令同步按下控制命令時，系統校驗命令的重復與沖突，防止相反的命令同時被執行；分析控制命令過程是分析計算機控制命令的有效性，當命令有效時，系統將命令通過網絡發送到PLC，并反饋PLC的執行情況供給上位機顯示用；PLC控制命令和計算機控制命令的解析可有效得防止沖突、震蕩的指令被執行。

SCADA系統功能模塊包括登陸及權限控制界面、控制與監視界面、故障診斷報警界面、系統狀態顯示界面等。以圖2所示甲板絞車拋錨桿顯示界面為例，界面顯示了甲板絞車工作時橫移壓力、角度、速度、距離、絞刀深度、轉速、橋架速度及水下泵排壓等。橫移距離、角度、速度標尺隨著相關數據的變化而填充不同的刻度值，橫移絞車的升降將進行實時動態顯示。

圖2 甲板絞車拋錨桿顯示界面

2.2 PLC程序設計

在采礦船監控系統中，需要控制的設備較多，要實現的功能也較多，本系統采用S7-300PLC控制功能進行分塊編程，以確保邏輯控制的準確性及可靠性。這種編程方式使系統各個功能具有一定的獨立性及相互參考性，方便后期的系統維護。每個分塊程序的編寫分為三個步驟，一編制邏輯程序流程圖（如圖3艉右錨絞車控制流程圖），二確定輸入變量、中間變量和輸出變量，三根據相關邏輯條件編寫程序。

本系統功能程序主要分為液壓控制系統程序和采礦電氣設備及控制功能程序兩大類。液壓控制系統程序包括液壓泵控制，泵流量控制，電磁閥控制，系統壓力、備壓設定，橋架絞車控制，橫移絞車控制，裝駁絞車控制以及艉三纜控制；采礦電氣設備及控制功能程序包括變頻器切換，變頻器調速，水下泵、1號舵槳驅動系統控制，絞刀、高壓沖水泵、2號舵槳驅動系統控制，選礦泵控制等功能程序。

以圖4 1#選礦變頻器控制程序為例進行簡單的介紹。從圖4程序中可以看出，當中間變量 M300.3、M324.4、M324.3、M606.1 的信號狀態全部為“1”，M324.1、M324.2和M606.2的信號狀態全部為“0”時，則置位存儲器位 M509.6，M424.0是“1”，1#精選變頻器起動。無論 M300.3、M324.4、M324.3、M324.2、M606.1的信號狀態為“1”或為“0”，只要 M324.1和M606.2任一變量的信號狀態為“1”時，將因順序關系執行復位指令，復位優先，則復位存儲器位 M509.6，M424.0是“0”，處于復位狀態。

圖3 艉右纜絞車控制流程圖

圖4 1#選礦變頻器控制程序

3.結論

經實踐應用證明，PLC 監控系統采用PROFIBUS-DP通訊網絡實現了分布式控制，大大降低了現場連接工作量和費用，并提高了信號傳輸精度、靈活性和抗干擾性。本課題采用SCADA軟件系統配合 PLC系統對采礦船實施監控，其監控界面直觀，使用方便，提高了監控系統的穩定性和可靠性，為后續 PLC控制系統在工程船中的應用提供了一定的指導意義。

[1]曾湘.試析 PLC控制系統的可靠性設計問題[J].企業技術開發,2011,30(22): 106-107.

[2]劉小春.SCADA自動化軟件在電力系統監控中的應用.制造業自動化[J],2012,34(2): 48-50.

[3]龍紅剛,梁朝宇.基于PLC通訊網絡的絞吸式挖泥船集成監視與控制系統[J].廣東造船,2011,(05): 58-61.

[4]楊明,柯常國,陶勇.絞吸式挖泥船控制系統設計[J].船電技術,2013,33(1): 43-46.

[5]西門子S7-300參考手冊[M].西門子（中國）有限公司.

Monitoring System Based on PLC Controller for Mining Vessel

CHEN Qiao,WU Deng-yun
(CNR Ship and Offshore Engineering Development Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

The function of data exchange and distributed control between the master and slave station is achieved with PROFIBUS-DP communication network in the PLC control system of mining vessel.Taking programmable controller as core treatment unit,the information collection and safety control are performed for the devices of mining ship.SCADA software system and PLC control system are introduced in this paper.The mining ship is monitored by SCADA software system in combination with PLC control system.The monitoring interface is intuitive and it is convenient to use.The practical application shows that the control system has stable performance,high reliability and ideal monitoring effect.

mining vessel; PLC; monitoring system; SCADA

TP273+.5

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.004

陳巧（1986-），女，工程師，碩士研究生，從事船舶自動化控制工作。