基于PLC的船舶壓載艙監控系統設計

陳 進，施海濤，李 橋

(1.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇遠望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300)

基于PLC的船舶壓載艙監控系統設計

陳 進1，施海濤1，李 橋2

(1.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇遠望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300)

以MCGS組態軟件和ABBAC500系列PLC為核心，建立了具有數據采集、數據處理、設備執行以及上位機顯示功能的監控系統。系統以船舶壓載艙液位、船舶吃水、壓載泵進出口壓力等參數作為監測對象，通過使用PLC控制壓載艙閥門、壓載泵等設備，運用模糊PID算法進行閥門控制。利用MCGS組態軟件來開發上位機監控界面，主要包括系統的主控界面、參數的設置界面、歷史數據報表和報警記錄等。通過這些界面，用戶可以實時監測壓載水調節過程中的船體浮態參數和設備的運行狀態。試驗表明，上位機呈現的畫面直觀、操作簡單，具有良好的人機交互性；下位機程序運行穩定；整個系統能實現預期的功能。

MCGS組態軟件； PLC； 壓載水調節； 模糊PID； 控制算法； 閥門開度； 人機交互； 監控系統

0 引言

船舶在裝卸貨物的過程中，會不可避免地出現橫向傾斜，為了維持船體的穩定性，工作人員需要根據壓載艙的液位和船舶吃水情況計算配載，然后打開壓載系統的閥門，不斷調節各艙室的閥門開度，對各個壓載艙進行排水或者壓水。這樣的人工調節方式存在如工作效率低、勞動強度大和安全性能不高等缺點[1-2]。為解決這些問題，需要設計新的監控系統，降低人員的勞動強度，提高壓載水操作效率。

隨著工業自動化水平的迅速提高，通用的組態軟件應用到了實際的工程問題中。組態軟件強大的界面顯示及仿真功能、豐富的功能模塊、可編程的命令語言使系統設計周期大為縮短。本文設計了基于MCGS組態軟件和PLC的船舶壓載艙監控系統。系統能實時顯示各艙室液位、船舷吃水、橫傾等信息，對故障作出快速預報警和記錄，并根據船體實時狀態對壓載艙閥門作出相應的控制。

1 監控系統總體結構設計

1.1 設計原則

本監控系統參照了中國船級社《鋼質海船入級規范2011年修改通報》“電氣裝置”和“主機、輔助機械”章節中的自動控制系統軟硬件的設計規范，同時參照了《浮船塢入級規規范(2009)》和《Rules For Building And Classing Steel Vessels(2010)》中的硬件設計規范。硬件系統的設計遵循性能安全可靠原則，同時兼顧其抗干擾能力和低能耗性能，并遵循可標準化、可擴展性和低成本的原則。

1.2 監控系統結構設計

監控系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構簡圖

系統主要由以下模塊組成：數據采集模塊、數據運算模塊、指令執行模塊和遠程監測模塊。數據采集模塊用于對系統中壓載艙液位、船舷吃水液位、油管壓力等參數進行采集；數據運算模塊(即可編程控制器PLC)用于對采集得到的信號進行運算處理，根據不同的數據輸出相應的信號；執行模塊根據PLC發出的控制指令，壓載泵和電動蝶閥進行相應的動作；遠程監測模塊即MCGS上位機組態軟件，其對整個系統進行動態監控[3-5]。

2 監控系統軟件設計

船舶壓載艙監控系統軟件設計分為以下幾部分：下位機PLC控制軟件設計、上位機MCGS組態軟件設計、蝶閥開度模糊PID控制算法。PLC控制軟件主要實現數據處理、邏輯判斷、故障診斷和控制執行等功能；上位機MCGS組態軟件主要能夠實時顯示壓載艙室的液位、船舷吃水、油管壓力等參數，電動蝶閥閥門開度狀態，及時作出預報警和記錄。監控系統軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件總體結構圖

2.1 PLC軟件設計

采用Codesys軟件編寫系統梯形圖，應用于ABB AC500系列PLC。程序編寫采用模塊化編程和多任務系統，由主程序調用多個子程序來實現閥門的開度控制。PLC控制主程序流程如圖3所示。

圖3 PLC控制主程序流程圖

開機之后，系統首先完成初始化工作，對一些參數的初始值進行設置，然后對整個系統的通信狀態(上位機/傳感器/執行器)進行自檢。若通信正常，則進行下一步操作；若通信發生故障，則立刻中斷自控程序，啟用自保程序。當上位機處于在線狀態時，傳感器開始實時采集各壓載艙液位、船舷吃水和油管壓力信號，并送入PLC相應模塊，調用相應的閥控、泵控子程序，實現對電動蝶閥和壓載水泵的控制。同時上位機實時顯示采集到的數據信息以及執行設備的動作情況。若閥門開度未到位，則繼續循環，直至閥門開度到位。

2.2 上位機軟件設計設計

上位機軟件主要是方便操作人員在集控臺和駕駛艙實時查看船舶壓載艙實時參數，進而對整個壓載系統進行操控。上位機軟件結構圖如圖4所示。監控軟件主要由用戶管理界面、壓載艙液位監測、船體橫傾監測、故障報警以及報表記錄等模塊組成[6]，可以實現以下功能。

①全面監測系統狀態。監控軟件實時監測各壓載艙液位、船舷吃水、管路壓力等信息，實時顯示壓載水泵以及蝶閥的運行狀態。

②人機交互界面。操作人員可以在集控室和駕駛艙通過上位機畫面實時顯示對下位機發出的控制指令，控制執行設備的運行。

③報警處理。船舶在裝卸貨物過程中出現報警時，監控軟件會發出蜂鳴聲，提示操作人員對其進行處理。

④報表記錄。監控軟件會將實時的液位壓力等數據保存下來，方便日后查看和參考。

圖4 上位機軟件結構圖

2.3 蝶閥開度模糊PID控制算法

在裝卸貨物過程中，船舶實現船體平衡的方法是工作人員根據監測到的船舷吃水值，經過判斷，手動調節壓載艙內的各管路閥門開度，實現各壓載艙進水、排水速率的調節。本系統考慮將這種人工調節的方式轉化為模糊控制規則，來實現壓載水的自動控制。

將傳統的PID控制和模糊控制相結合，可以有效地將模糊邏輯推理方法用于調整PID控制的Kp、KI、Kd三個參數。這種控制綜合了PID控制和模糊控制的優缺點，具有動態響應更快、超調更小和穩態精度更優的特點[7]。

本系統的模糊PID控制是針對蝶閥開度變量實施控制，以船舶的正浮狀態即零傾角為給定值，以船體實際橫傾角與給定零傾角的偏差e和偏差變化率ec為模糊控制器的輸入，以Kp、KI、Kd三個參數的變化量ΔKp、ΔKI、ΔKd作為控制的輸出變量。橫傾角θ的計算方法如下：

(1)

式中：T為船舷吃水差;W為船舷吃水測點的水平距離。

由于給定值是正浮狀態的零傾角，因此控制器中偏差e即為橫傾角值。

設傾角偏差e的基本論域為[-emax，emax]，傾角偏差變化率ec的基本論域為[-ecmax，ecmax]，輸出量ΔKp的基本論域為[-ΔKpmax，ΔKpmax]，輸出量ΔKI的基本論域為[-ΔKImax，ΔKImax]，輸出量ΔKd的基本論域為[-ΔKvdmax，ΔKdmax]。e、ec、ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊集合的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，e、ec、ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊集均為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，對應語言變量值分別為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊控制規則表[8]如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊控制規則表

表1中，如果橫傾角偏差為NB、偏差變化率為NB時，說明實際橫傾角度小于給定值且有繼續變小的趨勢，所以比例增益ΔKp選擇正大，即PB，減小靜態偏差；積分增益ΔKI選擇負大，即NB，快速消除偏差；微分增益ΔKd選擇正小，即PS，減小超調量，穩定系統。如果橫傾角偏差為NM，偏差變化率為PS，說明實際橫傾角度小于給定值且有緩慢變大的趨勢。此時，ΔKp選擇正小，即PS；ΔKI選擇負小，即NS；ΔKd選擇負中，即NM。其能夠使系統具有較小的超調量、一定的響應速度，并且確保系統具有良好的穩定性。若偏差為PS，偏差變化率為PB，ΔKp、ΔKI、ΔKd分別是負中、正大、零，則可減小系統的輸出震蕩、提高系統的抗干擾性。

3 試驗室試驗與運行

2015年5月，在遠望儀器有限公司試驗室進行系統運行測試。系統開機后，輸入登錄密碼，進入壓載系統主界面。界面中，壓載艙的分布與實際壓載系統接近，首先點擊參數設置按鈕，對艙室的比重、盲區值進行調整。旋動液位模擬器旋鈕，對應艙室的液位發生明顯變化。當液位超過系統預設的高位、低位報警值，實時報警窗口就會彈出，顯示對應艙室實時液位信息。點擊壓載歷史報表按鈕，進入歷史報表界面查看不同艙室的液位報警信息。點擊不同艙室BWV按鈕時，彈出是否開閉以及復位閥門對話框，等待20 s，若無任何操作，則默認此次閥門操作無效。經過運行，該系統可以實現以下基本功能：①壓載系統監控；②全面監測船舶運行過程中的重要參數；③故障報警且數據以報表的形式實時顯示在界面中；④界面上的按鈕可以實現不同畫面的切換。

4 結束語

船舶壓載艙監控系統能夠實時采集、顯示各壓載艙液位和船舷吃水等數據。根據采集到的信號對蝶閥以及壓載水泵進行控制。組態軟件強大的人機交互界面，方便操作人員實時了解船體運行狀態，及時作出預報警和記錄。模糊PID控制算法的運用，提高了閥門開度控制的精確度。基于PLC的監控系統能夠適應惡劣的船艙環境，減少故障率，具有良好的穩定性。試驗室的調試結果表明，該系統工作穩定，性能優良，達到了預期的設計目標。

[1] 趙曉變. 液位遙測在監測船舶裝卸安全方面的應用研究[D].大連：大連海事大學，2013.

[2] 陳進，劉仕杰，李橋，等. 基于力控的焓差室內空調器性能測試監控系統[J].計算機測量與控制,2014,22(4):1079-1082.

[3] 劉仕杰. 船舶柴油機供油單元監控系統的設計與研究[D].鎮江：江蘇大學，2014.

[4] 陳進，季圓圓，李耀明. 基于PLC和觸摸屏的聯合收割機監控系統設計[J].儀表技術與傳感器，2014(7):78-81.

[5] 周少華，周根明，郭霆，等. 浮船塢沉浮自動控制系統的設計與實現[J].船舶工程,2013,35(5):55-58.

[6] 石辛民，郝整清. 模糊控制及其Matlab仿真[M].北京：清華大學出版社，2008.

[7] 姜海濤，王超. 基于PLC的PID控制[J].計算機系統應用,2012(21): 144-147.

[8] 徐鵬. 船舶氣動式抗橫傾裝置自動控制系統控制策略的研究[D].大連：大連海事大學，2010.

Design of the PLC-Based Monitoring System for Ballast Tank of Ship

CHEN Jin1,SHI Haitao1,LI Qiao2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Jiangsu Yuanwang Instrument Co., Ltd.,Taizhou 225300,China)

With MCGS configuration software and AC500 series PLC from ABB as the core,the monitoring system integrating the functions of data acquisition,data processing,equipment execution and host computer display is built. The monitored objects of the system are the parameters of water level of ballast tank of ship,4-corner of draft,inlet and outlet pressures of ballast pump;the ballast tank valves,and pumps,etc.,they are controlled by PLC and fuzzy PID algorithm. The monitoring interface of host computer is developed by using MCGS configuration software,mainly includes main control interface,parameter setting interface,historical data report and alarm records,etc. The hull floating parameters and operational status of the equipment in regulation process of ballast water can be monitored in real time through these interfaces. The tests show that the displays provided in host computer are intuitive,the operation is simple,the man machine interaction is excellent;the program in slave computer is running stably;thus the overall system implements the expected functionality.

MCGS configuration software; PLC; Reguration of ballast water; Fuzzy PID; Control algorithm; Valve opening; Man machine interaction; Monitoring system

陳進(1959—)，女，博士，教授，主要從事系統監測與智能控制方向的研究。E-mail：chenjinjd126@126.com。

TH86;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703008

修改稿收到日期:2016-03-09