基于PLC和MCGS的船舶側(cè)推監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

欒榮華　崔守娟

摘要：文章根據(jù)船舶側(cè)推器控制的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)一套以PLC為控制器的側(cè)推控制系統(tǒng)，利用PLC技術(shù)對過程中最重要的螺距和負(fù)荷功能進(jìn)行就地和遠(yuǎn)程控制，結(jié)合MCGS組態(tài)軟件來對人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對側(cè)推器不同工況的實(shí)時監(jiān)控、歷史查詢，并能及時做出調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的操控性和可靠性。

關(guān)鍵詞：船舶設(shè)計(jì)；側(cè)推器；PLC；MCGS；側(cè)推監(jiān)控系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP277 文章編號：1009-2374（2015）36-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.004

側(cè)推器（side thruster）也叫橫向舵，安裝有側(cè)推器的船舶在進(jìn)行港內(nèi)操縱時，如靠離泊和避碰，可以用側(cè)推器使船舶在較低船速情況下方便地轉(zhuǎn)頭或產(chǎn)生橫向位移。同時，在拋起錨作業(yè)時可用其來方便地控向。鑒于側(cè)推器較大的優(yōu)越性以及在船舶建設(shè)中的重要地位，側(cè)推控制技術(shù)無疑也是當(dāng)下船舶自動化研究的重點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展并顯現(xiàn)出無限的生命力。近十年來，隨著船舶業(yè)的發(fā)展，側(cè)推器及其控制技術(shù)也有了較快發(fā)展，PLC控制技術(shù)己逐步應(yīng)用到側(cè)推器中，很多公司所設(shè)計(jì)的側(cè)推器雖然已能夠滿足客戶的基本需求，但是對于側(cè)推系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方面做得還不夠完善。

本文通過N：N鏈接通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主、從站PLC的遠(yuǎn)程通信，達(dá)到安全可靠的遠(yuǎn)程控制效果，并采用MCGS組態(tài)軟件來對人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對螺距的實(shí)時控制、監(jiān)控，并及時做出調(diào)整以達(dá)到自動控制的效果。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要功能

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)推監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下部分組成：電源、本地控制站（機(jī)旁控制站）、遙控系統(tǒng)、MCGS觸摸屏、安全系統(tǒng)等。本系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）控制技術(shù)為核心單元，引入N：N鏈接通信技術(shù)，通過RS-485BD通信模塊達(dá)到主站PLC與從站PLC通信的要求，進(jìn)行信息的互相交換，對側(cè)推器實(shí)現(xiàn)遙控控制，對整個側(cè)推器采用集中控制方式，包括螺距、負(fù)荷及指示各個系統(tǒng)；基于MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，設(shè)計(jì)可視化程度更高的人機(jī)界面，提高其控制系統(tǒng)的自動化程度和可靠性，方便用戶進(jìn)行操作。

1.2 系統(tǒng)的部分主要功能

1.2.1 螺距控制。側(cè)推器控制系統(tǒng)可實(shí)時控制側(cè)推器螺距以實(shí)現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退、停止和變速等要求。操縱控制桿或手柄，將位置信號傳遞到控制單元PLC并經(jīng)過比較進(jìn)行處理和控制。

1.2.2 負(fù)荷控制。主機(jī)的負(fù)荷取決于主機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油量，轉(zhuǎn)速信號通過機(jī)旁的轉(zhuǎn)速傳感器測得，噴油量信號由燃油泵的負(fù)荷控制。

1.2.3 螺距指示。螺距指示系統(tǒng)用于實(shí)際螺距的連續(xù)指示。該系統(tǒng)有一個單獨(dú)的螺距反饋傳感器，反饋信號送到控制單元PLC經(jīng)過處理，然后輸出到螺距表或是觸摸屏。

1.2.4 備用螺距控制。備用螺距控制獨(dú)立于主控系統(tǒng)，當(dāng)主控系統(tǒng)螺距控制失效時，操縱人員啟用備用螺距控制，可以通過左舷或右舷按鈕直接驅(qū)動電磁閥進(jìn)行變螺距操作，此時螺距反饋不參與控制過程，僅用于指示當(dāng)前螺距角位置。

2 控制器的選擇與確定

本系統(tǒng)控制器采用由具有現(xiàn)場總線的可編程控制器PLC，其特點(diǎn)為可靠性高、體積小、功能強(qiáng)、集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、通用性好、模塊化程度高等，具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，檢修及備件更換升級方便迅捷。采用日本三菱公司的FX系列一體化可編程控制PLC，型號FX2N48+3A。PLC配置BD485協(xié)議模塊、串行通訊模塊、AD模塊和DA模塊等，使得應(yīng)用中外圍電路簡單化，減少了擴(kuò)展部分器件，減少了功率消耗，具有很高的可靠性。同時，采用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化器件，使得備件供給全球化。

開關(guān)量的輸入輸出都采取隔離技術(shù)，并盡可能使用模塊外部主24V電源，減少內(nèi)部功率消耗，減少了開關(guān)量對模塊的干擾。

對接線端口采用了比較多的保護(hù)技術(shù)，減少因接線錯誤、靜電、強(qiáng)感應(yīng)脈沖等對模塊造成的損壞。內(nèi)部采用了多種屏蔽技術(shù)，提高系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。

取消了模塊內(nèi)部模擬量調(diào)節(jié)電位器，通過軟件設(shè)置來調(diào)節(jié)模擬量的輸入輸出，消除了因電位器的漂移而產(chǎn)生的不良影響。

提供了比較多的端口，以便實(shí)際使用中的擴(kuò)展，同時減少模塊的種類，提高其通用性，通過內(nèi)置控制軟件的更改來實(shí)現(xiàn)多種功能要求，并使每一種應(yīng)用都有端口可供備用，既提高了可靠性，又提供了靈活性。

控制器分別為駕駛室PLC和側(cè)推艙P(yáng)LC。

2.1 駕駛室PLC

主要負(fù)責(zé)駕駛室控制面板/兩翼控制臺或后控制面板指令的采集、處理、發(fā)送，并處理顯示報(bào)警信息。同時，具有與MCGS的接口能力，通過串行通訊，將側(cè)推器的信息傳送到觸摸屏上，并根據(jù)PLC處理情況進(jìn)行反饋操作。

2.2 側(cè)推器艙P(yáng)LC

負(fù)責(zé)螺距控制計(jì)算及反饋信號的處理；負(fù)責(zé)相關(guān)電機(jī)啟停控制和采集電機(jī)負(fù)荷信號；負(fù)責(zé)側(cè)推裝置報(bào)警信號的采集。

2.3 PLC之間通信

駕駛室PLC與側(cè)推器艙P(yáng)LC之間的通信，采用N：N鏈接通信技術(shù)，通過RS-485BD通信模塊達(dá)到主站PLC與從站PLC通信的要求。總線的使用極大限度地減少了銅質(zhì)電纜的使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文通過對現(xiàn)場施工情況的分析，結(jié)合側(cè)推器的工作原理，創(chuàng)新性地提出側(cè)推器軟件設(shè)計(jì)方案。將N：N鏈接通信技術(shù)通過FX2N-485BD通信模塊應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)側(cè)推裝置主站PLC與從站PLC之間的遠(yuǎn)程通信，并通過FX2N-232BD實(shí)現(xiàn)主站PLC與觸摸屏之間的通信，方便操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控，同時提高自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；MCGS組態(tài)軟件的應(yīng)用通過RS-485通信方式，將從站PLC中的所有現(xiàn)場信息反饋至人機(jī)界面上，根據(jù)反饋的信息執(zhí)行相應(yīng)的控制、顯示和查詢，完成信息互換，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)推裝置的自動化控制。

在上位機(jī)和下位機(jī)的通信模塊間要接入一個電平轉(zhuǎn)換設(shè)備，因?yàn)镻C機(jī)的串口是RS-232電平，而下位機(jī)是RS-485電平將RS-232電平轉(zhuǎn)換到RS-485電平，方可進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

由于RS-485BD通信距離大約為500m左右，故主站PLC大約能實(shí)現(xiàn)500m的遠(yuǎn)程控制距離，實(shí)現(xiàn)側(cè)推裝置風(fēng)機(jī)馬達(dá)、液壓馬達(dá)、主電機(jī)等設(shè)備運(yùn)行控制和主電機(jī)起動失敗、主電機(jī)過載、主電動機(jī)繞組高溫、液壓系統(tǒng)低壓、液壓油泵過載等控制量在人機(jī)界面上顯示。從站PLC控制左和右螺距輸出（電磁閥驅(qū)動）、驅(qū)動電機(jī)啟動和停止、液壓電機(jī)啟動和停止、風(fēng)機(jī)啟動和停止等。

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

船舶側(cè)推裝置的控制系統(tǒng)是在三菱PLC編程軟件GX Developer 7.08版編寫。GX Developer是三菱通用性較強(qiáng)的編程軟件，它能夠完成Q系列、QnA系列、A系列（包括運(yùn)動控制CPU）、FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。

由三菱GX Developer 7.08編寫的系統(tǒng)程序通常包含梯形圖和SFC兩大塊程序，其中梯形圖程序中一般包含系統(tǒng)啟動、停止、聯(lián)鎖和N：N通信的程序，例如本系統(tǒng)中除了包含上述的一般功能，還可以有急停、繼續(xù)運(yùn)行、斷電保持以及和觸摸屏的部分關(guān)聯(lián)信息的處理，如密碼鍵入、比較、跳轉(zhuǎn)等功能處理。而SFC塊基本是包含的機(jī)旁和遙控的程序流程。

3.1.1 N：N鏈接通信技術(shù)。N：N鏈接通信協(xié)議用于最多8臺FX系列PLC之間的自動數(shù)據(jù)交換，可以設(shè)定其中一臺為主機(jī)，其余為從機(jī)。該通信技術(shù)必須使用FX2N-485BD模塊，F(xiàn)X2N-485BD是用于RS-485通信的特殊功能板，可連接FX2N系列PLC。N：N的鏈接示意圖如圖2所示：

PLC系統(tǒng)程序中的通信程序，把公共數(shù)據(jù)區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到通信接口上，并且把通信接口上接收到的數(shù)據(jù)放入公共數(shù)據(jù)區(qū)的接收區(qū)中。用戶應(yīng)用程序中，只需編寫把發(fā)送的數(shù)據(jù)送入公共數(shù)據(jù)區(qū)的發(fā)送區(qū)和從公共數(shù)據(jù)區(qū)的接收區(qū)讀取接收的數(shù)據(jù)的程序，即可實(shí)現(xiàn)PLC之間的相互信息傳遞，完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

3.1.2 部分梯形圖和SFC程序。

梯形圖程序1、2給出了系統(tǒng)常規(guī)的啟動、聯(lián)鎖、急停及繼續(xù)運(yùn)行等功能。整個側(cè)推系統(tǒng)功能是非常復(fù)雜的，但可以理解是各經(jīng)典程序的邏輯性疊加，這樣程序?qū)崿F(xiàn)就比較容易。梯形圖程序3給出了觸摸屏密碼設(shè)定的過程，系統(tǒng)并未選擇在觸摸屏里通過“用戶使用權(quán)限”來設(shè)置，而是通過三菱PLC程序里給出，打破了常規(guī)做法，并能夠讓系統(tǒng)更加安全。

SFC程序：SFC部分通常是給出系統(tǒng)主體流程，從圖6可以看出結(jié)構(gòu)清晰，通過不同的塊處理不同流程或階段的功能點(diǎn)。

3.2 MCGS軟件設(shè)計(jì)

MCGS（Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）是為工業(yè)過程控制和實(shí)時檢測領(lǐng)域服務(wù)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件，具有功能完善、操作便捷、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。

本文采用昆侖通態(tài)人機(jī)界面TPC7062KS，是一款實(shí)時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)。MCGS嵌入版的不同窗口切換來管理用戶系統(tǒng)組態(tài)，其窗口組態(tài)有數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、用戶組態(tài)、主控窗口和運(yùn)行策略，對應(yīng)于五個不同的窗口頁面，每一個頁面負(fù)責(zé)管理用戶應(yīng)用系統(tǒng)的一個部分，通過鼠標(biāo)單擊切換可選取不同窗口頁面，對應(yīng)用系統(tǒng)的相應(yīng)部分進(jìn)行組態(tài)操作。下文分別介紹這幾個控制界面的功能。

3.2.1 登陸界面。為了防止非操作人員的誤操作，系統(tǒng)設(shè)置了登陸界面，如圖所示，并要求使用指定密碼進(jìn)行登錄。圖7為系統(tǒng)登錄首頁：

3.2.2 密碼輸入界面。只有當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)工作人員鍵入正確密碼方可進(jìn)入控制系統(tǒng)，否則觸摸屏將提出“！密碼錯誤，不能進(jìn)入系統(tǒng)”的提醒字符以警戒非工作人員不能進(jìn)入下一步系統(tǒng)操作，如圖8所示。首頁中實(shí)現(xiàn)“歡迎使用側(cè)推裝置控制系統(tǒng)”采用滾動循環(huán)字幕要求進(jìn)入運(yùn)行策略，點(diǎn)擊新建策略，選擇“循環(huán)策略”確認(rèn)后雙擊“循環(huán)策略”進(jìn)入，新建并選擇“策略工具箱”中的選擇腳本程序。

3.2.3 側(cè)推控制系統(tǒng)主界面，如圖9所示：

3.2.4 遙控界面。圖9是MCGS參照控制功能要求設(shè)計(jì)的遙控控制界面。

在各個界面的底部都加入了界面切換按鈕，用來實(shí)現(xiàn)不同控制界面之間的相互切換，并通過MCGS中的歷史數(shù)據(jù)功能可以直觀顯示各重要參數(shù)的變化情況，查詢起來非常方便。

4 結(jié)語

相對于市場上目前的側(cè)推控制系統(tǒng)，本文采用PLC為控制單元結(jié)合工控組態(tài)軟件的使用，使其系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)。在硬件設(shè)計(jì)方面，只需要確定PLC的硬件配置與I/O的外部接線，無需大量的硬接線電路和諸如繼電器、電路板之類的固體電子器件。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，只需改變存儲器中的控制程序并重新下載到相應(yīng)的PLC中即可；（2）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。在PLC的設(shè)計(jì)和制造過程中，采取了多層次的抗干擾措施，使得PLC的平均無故障工作時間MTBF通常在2萬小時以上，這是一般電氣設(shè)備不可能達(dá)到的；（3）能直接進(jìn)行模擬量處理。這是有別于繼電器控制的最大優(yōu)點(diǎn)。用PLC進(jìn)行模擬量控制的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行模擬量控制的同時，也可以進(jìn)行數(shù)字量（開關(guān)量）控制。這是其他控制系統(tǒng)所不具備的或?qū)崿F(xiàn)起來不如PLC方便；（4）使用PLC易于操作和維護(hù)，設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短，具有強(qiáng)大通信功能，便于與其他系統(tǒng)通訊，并能與MCGS觸摸屏結(jié)合構(gòu)建友好的人機(jī)界面；（5）MCGS工控組態(tài)軟件概念簡單、功能齊全、便于方案設(shè)計(jì)，為解決工程監(jiān)控問題提供了豐富多樣的手段，從設(shè)備驅(qū)動到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動畫顯示、報(bào)表輸出、曲線顯示等多個環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件和常用圖形庫選用，使得組態(tài)工作既簡單直觀又靈活多變。對于這種智能化控制的側(cè)推裝置，其所節(jié)省的電纜及智能控制效果是非常可觀和方便的，對提高船舶自動化建設(shè)具有十分重要的意義。

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作者簡介：崔守娟（1980-），女，江蘇連云港人，供職于鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，博士，研究方向：高效節(jié)能機(jī)械設(shè)計(jì)與系統(tǒng)監(jiān)控。

（責(zé)任編輯：周 瓊）