PLC技術(shù)在船舶機(jī)艙監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

楊少昆

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430212)

0 引 言

船舶作為海上重要的交通運(yùn)輸工具，其機(jī)艙內(nèi)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境對(duì)于船舶系統(tǒng)的安全起著至關(guān)重要的作用，船舶的可靠性、安全性與之息息相關(guān)。因此完善可靠的用于管理、控制船舶艙內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視系統(tǒng)必不可少。隨著電力電子、自動(dòng)化控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的不斷提高，并伴隨著船舶技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化程度不斷提升的智能船舶機(jī)艙監(jiān)視系統(tǒng)的重要性越來越受到人們的關(guān)注。

傳統(tǒng)的船舶機(jī)艙監(jiān)視系統(tǒng)采用繼電器控制，具有使用數(shù)量多、控制線路復(fù)雜、調(diào)試維修不便等缺陷，因此選擇一種可靠性高、兼容性好、集成度好的控制器是本文研究的關(guān)鍵。

經(jīng)過詳細(xì)的市場(chǎng)調(diào)研，本文選用西門子公司推出的S7 －300 PLC 控制器，搭建以該控制器為核心的船舶機(jī)艙監(jiān)視系統(tǒng)。當(dāng)船舶機(jī)艙內(nèi)設(shè)備工作狀態(tài)異常、運(yùn)行參數(shù)超標(biāo)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠發(fā)出諸如報(bào)警、指示燈閃爍等信號(hào)并能夠自動(dòng)記錄故障發(fā)生的時(shí)間、船舶的運(yùn)行狀態(tài)等準(zhǔn)確信息，免除了傳統(tǒng)船舶中機(jī)艙輪值人員費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的巡回檢測(cè)［1］。

1 系統(tǒng)組成

本文研究的船舶系統(tǒng)包括有2 臺(tái)主機(jī)、2 臺(tái)輔機(jī)、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、火警系統(tǒng)、艙內(nèi)進(jìn)水警報(bào)系統(tǒng)等，這些設(shè)備的運(yùn)行工況均需采集到PLC 控制器中，另外還有一些其他遙測(cè)、監(jiān)控屏、RS485 通信需要傳遞給PLC。

圖1 PLC 控制原理方框圖Fig.1 The block diagram of PLC control schematic

PLC 是一種結(jié)合了微控制器、自動(dòng)控制、通信技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化裝置。它具有集成度高、體積小、抗干擾性好、靈活性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。市場(chǎng)上不同廠家PLC 產(chǎn)品的原理基本上可用圖1 所示結(jié)構(gòu)圖表示。本文選用的S7 －300 PLC 具體配置如表1 所示。

表1 PLC 選型配置Tab.1 PLC model configure

該型號(hào)PLC，西門子有對(duì)應(yīng)的電源模塊PS307，其輸出負(fù)載能力有從2 ～10 A 三種不同型號(hào)，統(tǒng)計(jì)上述不同模塊的功耗，并取30%的余量，本文選用PS307 5A 的供電模塊。

對(duì) 于 通 信 協(xié) 議，CP340 有 RS232、20mA、RS422/485 三種通信接口，本文采用RS485 來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與船長室、技術(shù)室、輪機(jī)長室及有關(guān)輪值人員住所之間的數(shù)據(jù)傳遞與發(fā)送。

上述配置可以同時(shí)輸入56 路監(jiān)控信號(hào)，這其中主要包含風(fēng)機(jī)排氣溫度、主輔機(jī)冷卻水溫、主輔機(jī)滑油壓力、空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)、舵機(jī)失靈、艙室火警、艙室進(jìn)水預(yù)報(bào)等涉及船舶安全的關(guān)鍵信號(hào)。PLC 的AI 口采集到的這些模擬量與事先設(shè)置好的相應(yīng)閾值進(jìn)行比較后將邏輯信號(hào)送入到PLC，以做出相應(yīng)的報(bào)警行為供艙室人員引起注意［2］。

基于PLC 的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)控制框圖如圖2 所示。

圖2 基于PLC 監(jiān)控系統(tǒng)控制框圖Fig.2 The control block diagram of engine room monitoring system based on PLC

2 硬件部分

本系統(tǒng)中需要采集到的變量，除了數(shù)字信號(hào)還有模擬信號(hào)。對(duì)于開關(guān)類型的數(shù)字量可以在PLC 緩存區(qū)中獲取相應(yīng)點(diǎn)通道的信號(hào)，然后存入到事先創(chuàng)建的DB 塊中。對(duì)于模擬量主要依靠如圖3 所示流程來采集。

圖3 模擬點(diǎn)通道信號(hào)流圖Fig.3 The flow diagram of analog channel signal generator

對(duì)于采樣保持電路，運(yùn)用跟隨器原理，實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬量的頻率，同步調(diào)整相應(yīng)通道的采集頻率，在1 個(gè)周期內(nèi)保證采樣到滿足一定數(shù)量的信號(hào)點(diǎn)數(shù)，盡可能地還原出真實(shí)的模擬量，然后在一定時(shí)間內(nèi)保持住，以供后續(xù)電路獲取數(shù)據(jù)。

對(duì)于數(shù)據(jù)處理部分，通過采用保持電路得到離散后的信號(hào)，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換后送入到MCU 中進(jìn)行加工處理，得到該模擬量的各種關(guān)鍵信息，諸如幅值、相位、頻率等。MCU 一方面監(jiān)控得到這些關(guān)鍵信息，將其與程序中預(yù)先編制好的門限值進(jìn)行比較，并通過中斷服務(wù)程序產(chǎn)生相應(yīng)的警報(bào)信號(hào);另一方面，這些特征值再通過D/A 轉(zhuǎn)換成模擬量并通過模擬輸出口轉(zhuǎn)換為各種儀表上的模擬量，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控的設(shè)備狀態(tài)。

3 PLC 軟件

3.1 STEP7 軟件編譯環(huán)境

軟件編譯環(huán)境是采用基于SIMATIC 可編程控制器的STEP 7 組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是基于Windows 2000/XP 下，并與Windows 圖形界面和面向?qū)ο蟮牟僮鞣绞较嗉嫒荨?/p>

圖4 STEP7 標(biāo)準(zhǔn)軟件包Fig.4 STEP7 standard software package

可以看到應(yīng)用于SIMATIC S7 －300 環(huán)境的編程語言有梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能塊圖(FBD)3 種。用戶在用STEP 7 進(jìn)行編程時(shí)可以選擇一種語言進(jìn)行編程，也可使用幾種語言混合編程。這些編程語言都面向?qū)ο螅柚谒鼈兛梢詷O大地簡(jiǎn)化程序的編程過程。用梯形圖編制的程序語句，一定可以轉(zhuǎn)化成語句表的形式;而用語句表編寫的程序，不一定能轉(zhuǎn)換成梯形圖語言。一般來說，梯形圖編程系統(tǒng)中各變量之前的關(guān)系比較直觀易懂，電氣工程出身的技術(shù)人員喜歡采用這種編程方式。本系統(tǒng)下位機(jī)PLC 程序采取常用的梯形圖方式進(jìn)行程序語句的編寫［3］。

圖5 SIMATIC 管理器的主窗口Fig.5 The main window of SIMATIC manager

圖5 是基于SIMATIC STEP7 的軟件編程管理器主界面，用來創(chuàng)建、修改和編輯不同的模塊，并可將編寫好的程序語句下載到PLC 硬件中。在管理器界面中打開HW Config 窗口，在右側(cè)目錄中選擇相應(yīng)的硬件模塊，并拽到與實(shí)際模塊同樣的槽位，建立一個(gè)與實(shí)際硬件相同的模擬系統(tǒng)，并可對(duì)CPU 與各模塊的參量進(jìn)行配置。

3.2 STEP7 硬件組態(tài)

基于硬件組態(tài)，就可以開發(fā)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的程序代碼。PLC 控制器作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它首選需要將機(jī)艙各種設(shè)備的狀態(tài)信息采集，并通過內(nèi)部程序的轉(zhuǎn)換與邏輯處理，最后做出相應(yīng)判斷。若需要發(fā)出報(bào)警，則將聲光信號(hào)分別送至蜂鳴器與LED 信號(hào)燈，并可自動(dòng)打印以記錄發(fā)生報(bào)警的時(shí)間、船舶狀態(tài)等信息;對(duì)需要送至上位機(jī)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，通過RS485 通信快速發(fā)送至主機(jī)，并接受主機(jī)的反饋指示命令［4］。

3.3 PLC 控制程序

其中針對(duì)司控室聲光報(bào)警系統(tǒng)的信號(hào)流程圖如圖6 所示。上述報(bào)警器安裝于司控室，為防止報(bào)警發(fā)生時(shí)司控室需經(jīng)常執(zhí)行消音動(dòng)作，所以程序中會(huì)在集控室設(shè)有消音按鈕，當(dāng)集控室執(zhí)行此動(dòng)作后，司空室就不必操作，但此時(shí)司控室的燈會(huì)產(chǎn)生平光，只有故障消除，燈光才會(huì)熄滅［5］。

圖6 司控室聲光報(bào)警系統(tǒng)流程圖Fig.6 The flow diagram of sound and light alarm system for driver control room

編制好流程圖后，就可以將其直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的梯形圖語句。梯形圖程序語句如圖7 所示。

圖7 梯形圖程序界面Fig.7 The program interface of LAD

4 研究結(jié)果

通過上述設(shè)計(jì)與研究發(fā)現(xiàn)，PLC 控制器是一種非常適用于船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的控制器，以PLC 控制器作為船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的控制器具有許多傳統(tǒng)繼電器控制方式所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在:

1)提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。使用集成度高的PLC 控制器替代傳統(tǒng)的繼電器控制方式，能夠大量的簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)布線，同時(shí)可以使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。

2)提高了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性。PLC 控制器自帶故障檢測(cè)功能，控制系統(tǒng)自身的定期排錯(cuò)功能，為船舶監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供充足保障，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性。

3)程序編寫調(diào)試簡(jiǎn)單。使用圖形化的梯形圖語言編寫程序語句，直觀易懂，同時(shí)也便于后期的代碼修改維護(hù)，從而極大地降低了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試周期。

4)顯著地縮減了設(shè)備的安裝維護(hù)費(fèi)用。由于PLC 運(yùn)行壽命長，可靠性高，使得監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備故障率明顯減少。

5)軟件開發(fā)環(huán)境具有很強(qiáng)的真實(shí)模擬性。軟件開發(fā)環(huán)境可以模擬真實(shí)的試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)，從而可以方便地核查硬件線路設(shè)計(jì)是否合理以及排查硬件線路的故障。

6)提高了監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。通過基于PLC 的智能監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步解放人工勞動(dòng)力，在很大程度上減輕了巡查船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得他們只需要通過上位機(jī)，就可以便捷地清楚整個(gè)船舶系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀態(tài)。

7)操作易于掌握。PLC 軟件開發(fā)環(huán)境是基于Windows 的圖形和圖像編程界面，操作簡(jiǎn)單方便，直觀清晰，程序編程人員容易上手。

5 結(jié) 語

隨著船舶技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)艙內(nèi)各種高端設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)船舶系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用，這就對(duì)機(jī)艙監(jiān)視系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)苛的要求。本文研究基于PLC 控制器的船舶機(jī)艙監(jiān)視系統(tǒng)，搭建了以西門子S7 －300 控制器為核心的硬件控制系統(tǒng)，并于STEP7 環(huán)境下編寫了梯形圖程序代碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備關(guān)鍵信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括在故障狀態(tài)下準(zhǔn)備發(fā)出各種報(bào)警信號(hào)與打印記錄報(bào)警的時(shí)間、船舶運(yùn)行狀態(tài)等信息。本文研究結(jié)果證實(shí)PLC 控制器作為整個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)的核心，可以極大地簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)電路，同時(shí)基于面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境可以使設(shè)計(jì)更加便捷，從而顯著提升了監(jiān)視系統(tǒng)自動(dòng)化程度，進(jìn)一步降低了巡視人員的工作強(qiáng)度，使得船舶監(jiān)視系統(tǒng)更加安全可靠地運(yùn)行，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］王鄭睿．一種基于衛(wèi)星通信與GIS 的艦隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(12):152 －156．WANG Zheng-rui． A real-time fleet monitoring system based on satellite communication and GIS［J］．Ship Science and Technology，2014，36(12):152 －156．

［2］吳霆，陸平，李芳，等．PLC 和觸摸屏相結(jié)合的控制系統(tǒng)在檢測(cè)儀器中的應(yīng)用［J］． 艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(S2):247 －250．WU Ting，LU Ping，LI Fang，et al． The application of PLC and touch screen in the analysis instrument［J］． Ship Science and Technology，2008，30(S2):247 －250．

［3］梁國彬．基于PLC 控制的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其軟件實(shí)現(xiàn)［J］．自動(dòng)化博覽，2008，25(7):84 －86．LIANG Guo-bin． Real-time monitoring system based on PLC for marine engine room and Its software implementation［J］．Automation Panorama，2008，25(7):84－86．

［4］王琪．船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．機(jī)電設(shè)備，2007，24(6):32 －38．

［5］戰(zhàn)興群，翟傳潤，張炎華，等．周期無人值守機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)方案研究［J］．中國造船，2002，43(1):75 －80．