基于PLC的船舶安全報警系統(tǒng)設(shè)計

蔣向東，魏 偉

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程系，重慶404020;2.中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京100081)

0 引 言

船舶安全報警系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的自動化控制系統(tǒng)，能夠保證船舶在安全狀態(tài)下進行航行。它可以實時并準確地監(jiān)控船舶上所有機電設(shè)備以及整艘船舶裝置的運行情況與工作參數(shù)，并把監(jiān)控結(jié)果顯示在屏幕上，給船舶駕駛員對動力儀器的實施和管理給予幫助。如果正在工作的設(shè)備出現(xiàn)問題，船艙監(jiān)控報警系統(tǒng)能自動發(fā)出聲音及光報警信號，而且是把報警信息儲存起來。近年，由于科學(xué)技術(shù)不斷進步，新建造的船舶自動化程度非常高，用于監(jiān)控和報警的控制系統(tǒng)需要讓報警信號傳輸至駕駛艙、乘客船艙及輪機技術(shù)人員的臥室。所以，船舶艙室監(jiān)控報警系統(tǒng)不僅減少了輪機工作人員的工作量，此外還有效幫助改善輪機管理人員辦事的工作效率。由于科技的不斷進步，國際標準對船舶自動化的程度有了更苛刻的需求［1］。

目前，國內(nèi)正在建造或者已經(jīng)建造的船舶里，絕大多數(shù)的船艙監(jiān)控報警系統(tǒng)由國外企業(yè)制造，國內(nèi)自主開發(fā)的系統(tǒng)非常少，因此技術(shù)和發(fā)達國家有非常大的差距，所以對船舶安全報警系統(tǒng)進行研究非常有價值。

1 船舶安全報警系統(tǒng)組成

船舶安全報警系統(tǒng)的監(jiān)控對象有許多，然而監(jiān)控對象的一些特性參數(shù)主要包含有數(shù)字信號以及模擬物理信號。數(shù)字量就是有且僅有2 種情況的數(shù)字，一般可以用開關(guān)的通與斷進行表示，并且通常以0 與1 進行描述。在船舶安全報警系統(tǒng)里，數(shù)字信號可以表示機電儀器的啟動與制動情況，以及正常工作情況與故障情況。模擬信號為持續(xù)改變的物理量，此系統(tǒng)里主要包含溫度信號、液位信號、壓力信號以及轉(zhuǎn)速信號等。一旦模擬信號超過了檢測的接線，報警系統(tǒng)會立即進行報警。此外，系統(tǒng)的供電電源必須能夠持續(xù)供電，一旦主電源發(fā)生故障，就需要運行應(yīng)急電源裝置，應(yīng)急電源可以使用蓄電池組串并聯(lián)提供的高壓進行逆變，也可以由升壓電路把蓄電池提供的低壓進行升壓后再逆變。目前，最常用的應(yīng)急電源由備用發(fā)電機進行供電。

通常情況下，船舶安全報警系統(tǒng)如圖1所示。其構(gòu)成主要包括用于各種儀器或裝置的傳感器，集中控制室里的關(guān)鍵操控箱以及顯示器，船舶駕駛平臺、乘客活動場所、輪機長和輪機技術(shù)員臥室附屬的遠程安全報警系、報表打印等。整個系統(tǒng)的控制核心是安全報警控制器，控制器的性能很大程度上決定了安全報警系統(tǒng)的響應(yīng)速度［2］。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

圖1 船舶安全報警系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of vessels security alarm system

船舶安全報警系統(tǒng)能夠保證船舶在海上航行時，不會發(fā)生危險事故，保障船舶的安全以及船艙內(nèi)所有工作人員及乘客的人身安全。所以，在設(shè)計船舶安全系統(tǒng)的硬件時，硬件系統(tǒng)中各種元器必須嚴格進行選型，保證其運行的可靠性。綜合考慮，此系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準確性，本文選擇性能比較優(yōu)越的西門子PLC，型號為S7-300 為主控制器，它可以利用傳感器對現(xiàn)場參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行檢測，然后進行狀況判斷，一旦發(fā)生非正常的情況，就立馬啟動報警。船舶安全報警裝置的硬件框架如圖2所示。

圖2 硬件框架Fig.2 Hardware framework

硬件系統(tǒng)包括傳感器信號檢測層、控制設(shè)備層及人機交互層3個層次。傳感器信號檢測層的構(gòu)成包括各種傳感器、擴散的I/O 接口和本地的I/O 接口等，其主要擔(dān)任檢測船舶所有監(jiān)控對象的物理量，本地的I/O 接口可以和傳感器進行連接，擴散的I/O 接口經(jīng)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)把所有采集到的物理量全部一起傳輸給PLC控制器。控制設(shè)備層由PLC的各種控制模塊構(gòu)成，其擔(dān)任把所有檢測到的物理量傳輸?shù)街醒胩幚砥鲉卧械娜蝿?wù)，然后中央處理器單元再把傳遞過來的信息進行歸類處理，并執(zhí)行存儲操作和報警任務(wù)。PLC控制器把分析的結(jié)果經(jīng)過MPI 網(wǎng)絡(luò)傳輸給集中控制平臺上的顯示器上以及所有遠程的信息報警顯示，把可視化的數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給所有操控人員［3］。

模擬傳感器位于船舶安全報警系統(tǒng)的最底層，擔(dān)任檢測和監(jiān)視現(xiàn)場的各種物理量。因為船舶上需要監(jiān)控的目標物理量有很多種，所以就需要很多種模擬傳感器。例如用來監(jiān)控油溫的溫度傳感器，用來監(jiān)控冷卻水溫的溫度傳感器，用來檢測油壓的壓力傳感器，用來監(jiān)控主發(fā)電機中轉(zhuǎn)子速度和位置的傳感器，以及用來監(jiān)控飲用水艙液位和液體貨物艙液位的液位傳感器。

PLC的供電電源可以把輸進來的220 V 市電進行電源轉(zhuǎn)換后給其他模塊提供工作電壓。PLC 對供電電源有很高要求，比如穩(wěn)定的隔離性能、短路預(yù)防性能以及發(fā)生開路后的保護性能，而且必須既要能夠用作PLC 內(nèi)部的供電模塊，還要能夠給負載提供電能。CPU 為PLC的中央處理器單元，1個PLC最少應(yīng)該包含1個CPU 內(nèi)核。內(nèi)核的主要組成包括計算中心、控制中心、信息儲存中心、數(shù)據(jù)總線以及控制總線等。一旦內(nèi)核進行工作，內(nèi)核按照程序自動執(zhí)行監(jiān)控，同時掃描所有輸入接口，不停地查看相應(yīng)的標志位，進行對所有現(xiàn)場信息和通訊中的交換數(shù)據(jù)進行采樣，運行用戶設(shè)計的軟件，并把所有輸出寄存器中的狀態(tài)全部進行刷新操作，實施編程器的輸入信號以及顯示屏的刷新，對PLC 進行自檢等。

PLC的存儲器有2 種，系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)程序，用戶存儲器用來存放用戶程序和運行的中間參數(shù)。I/O 接口與傳感器直接相連，并把現(xiàn)場的物理量信息傳遞進來，PLC 把采樣的物理量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換成PLC 可以識別的模擬信號和數(shù)字信號，PLC 對輸入信號進行分析和處理后，把數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號并進行輸出。船舶安全報警系統(tǒng)監(jiān)控需要輸入點數(shù)和輸出點數(shù)和需要的I/O 接口數(shù)量相等，但是PLC 能夠擴展的最大I/O 接口數(shù)與PLC本身的資源配置能力相關(guān)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

下位機PLC 中軟件的作用是把船舶上的數(shù)字信號以及模擬信號進行采樣，然后CPU 對這些物理量進行控制，開關(guān)信號和模擬信號分開進行分析和處理，對運行狀態(tài)進行檢測并傳輸給PC 機等上位機。一旦裝置的工作參數(shù)發(fā)生變化就立即報警，利用監(jiān)控報警系統(tǒng)輸出的聲和光來提醒和故障指示，并且把報警數(shù)據(jù)在上位機的界面上顯示出來。另外，把報警的信息進行歸類并分別傳輸給遠程報警系統(tǒng)。軟件開發(fā)使用模塊化的編程思路，把許多功能的子程序放在各個的功能塊FB和FC 里，然后從組織模塊的OB 里根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的功能塊，采樣到的數(shù)據(jù)和分析處理后的數(shù)據(jù)依照規(guī)定的次序放在PLC的數(shù)據(jù)塊DB 里，軟件系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)Fig.3 Software system

硬件診斷功能可支持快速查看PLC的工作狀態(tài)以及指示各個模塊有沒有出現(xiàn)故障，鼠標雙擊故障模塊就能夠查看有關(guān)這個故障的具體情況，比如故障的原因。數(shù)據(jù)采集模塊首先采集的數(shù)字量和模擬量，然后PLC的數(shù)據(jù)處理子程序?qū)?shù)據(jù)進行處理和加工，結(jié)果立馬傳輸給上位機上的人機交互界面進行顯示［4］。同時，報警處理子程序輸出聲光報警信號進行報警，用戶軟件的測試步驟如圖4所示。

船舶安全報警系統(tǒng)的主要職責(zé)是進行報警指示，報警處理程序流程如圖5所示。首先系統(tǒng)進行初始化，然后進入主循環(huán)程序，主循環(huán)程序不停地判斷是否有報警申請。一旦有報警申請后需要繼續(xù)判斷是否已閉鎖，如果確實已閉鎖，則需要繼續(xù)判斷是否需要延時。如果需要延時，則需要繼續(xù)判斷延時時間是否到了，如果沒有到，則需要返回到報警恢復(fù)操作。如果不需要延時，下一步是指示燈快速閃爍進行報警，發(fā)出報警聲，并進行分組報警，同時把故障打印出來。接下來需要檢測報警是否消失，如果報警已消失，則報警指示燈需要以很慢的頻率進行閃爍，然后對報警的情況進行確認，如果不確認，程序就一直處于等待狀態(tài)。一旦確認報警之后，就取消之前的報警指示和分組報警，恢復(fù)到之前的正常狀態(tài)。如果報警一直沒有消失，則需要判斷是否需要報警。通過調(diào)用報警判斷中斷程序來判斷哪個故障報警，同時把相應(yīng)的報警指示燈點亮，直到故障完全消失。當故障消失之后，下一步就需要啟動故障排除打印。

圖4 用戶軟件的測試步驟Fig.4 Test procedure of user software

柴油機油門的控制采用伺服電機來控制，從而控制閥門的開啟度，最終實現(xiàn)對油門的控制。當船舶安全報警系統(tǒng)遇到報警信息時，可以自我修復(fù)并解除報警。詳細程序的敘述如下:整個程序主要包括觸摸屏組態(tài)軟件部分以及PLC的控制軟件部分。觸摸屏組態(tài)程序的主要任務(wù)是對定位系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，而PLC 程序的工作是負責(zé)采集伺服電機的編碼器信號，然后伺服驅(qū)動器直接負責(zé)伺服電機的定位控制。采用PLC的方向控制脈沖輸出端口對伺服控制器的PULS2端口進行伺服電機的方向控制。采用PLC的高速脈沖輸出端口對伺服控制器的SIGN2 端口進行電機的速度控制，相對位置的脈沖輸出程序。要對伺服電機的位置進行實時控制，首先需要進行原點搜索工作，確定原點位置。原點搜索及返回的過程是首先把原點搜索功能繼電器設(shè)定為1，然后進行運行參數(shù)的設(shè)置，最后啟動ORG 原點搜索任務(wù);當原點接近信號功能繼電器置1 時，代表原點搜索任務(wù)順利完成。把原點返回功能繼電器置1，由軟件自動完成原點的返回任務(wù)。系統(tǒng)在斷電情況下，再次啟動必須重新執(zhí)行原點搜索任務(wù)。編碼器地址為A272和A273，通過編碼器的地址可以查看電機實際運轉(zhuǎn)的圈數(shù)，并顯示在觸摸屏上。

報警處理程序時船舶安全報警裝置的軟件系統(tǒng)的核心部分，直接影響到整個系統(tǒng)的整體性能。報警處理的關(guān)鍵是采用最優(yōu)算法，有效縮短了程序的執(zhí)行時間和系統(tǒng)的工作效率。當系統(tǒng)發(fā)生報警后，首先應(yīng)該斷開船舶上相關(guān)的機電設(shè)備和儀器，然后啟動自修復(fù)程序。如果修復(fù)成功，則接觸報警。如果修復(fù)不成功，需要調(diào)用故障處理程序，一直進行相應(yīng)的故障報警。值得強調(diào)的一點是，即使報警信號已接觸，也不能立即置位相應(yīng)的功能，必須進行一定的時間延時，可以大大增強船舶的安全系統(tǒng)性能。此外，程序的調(diào)試基于PLCSIM 模塊進行［5］。

圖5 報警處理程序流程圖Fig.5 Flow chart of alarm processing program

4 人機界面設(shè)計

人機界面設(shè)計的主要模塊是組態(tài)軟件與運行軟件，但是WinCC的工程管理器也為組態(tài)軟件的關(guān)鍵，它能夠?qū)φ麄€工程的信息組態(tài)以及系統(tǒng)的設(shè)置實施全面掌控。當進行工程開發(fā)以及項目組態(tài)的時候，利用WinCC 工程管理器里的所有編輯器來完成所有工作項。其中，觸摸屏的組態(tài)界面由系統(tǒng)運行主界面、伺服電機的控制界面、當前轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)界面、報警界面以及系統(tǒng)的I/O 端口分配界面。

觸摸屏的型號選擇為歐姆龍公司的NT631/C。它的主控芯片使用高速的32 位的RISC，并且其內(nèi)存單元可以方便地進行圖像傳輸，把現(xiàn)場的信息實時顯示在人機界面上，并且系統(tǒng)的運行參數(shù)可通過觸摸屏進行隨意修改。此外，通過串口RS232，觸摸屏還可以實現(xiàn)與PC 進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)遠程控制，便于輪機長和軟件技術(shù)人員對船舶的安全信息進行監(jiān)控。

WinCC的圖形編輯器是用來把各種現(xiàn)場物理量監(jiān)控畫面進行組合，當設(shè)定好相關(guān)控件的特性以及動作后，人機界面將能夠顯示動態(tài)的畫面。船舶安全報警系統(tǒng)的人機交互界面需要方便操縱人員操作，清楚并且準確把現(xiàn)場物理量的狀況顯示出來，人機界面中所有對象的顏色和整體的設(shè)計風(fēng)格應(yīng)該盡量人性化。

5 結(jié) 語

船舶安全報警系統(tǒng)是船舶上一個重要的系統(tǒng)。船舶一般都配備了一套完整的安全報警系統(tǒng)，對保證船舶的安全航行以及船舶上的人員安全具有重要作用。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，船舶正向著信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展，船舶安全報警系統(tǒng)各方面的性能指標和要求也越來也高。本文結(jié)合當前船舶安全報警系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求，以PLC 為核心控制器設(shè)計了一套完整的船舶安全報警系統(tǒng)，可以滿足船舶安全報警需求。

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