基于PLC技術的船舶搖擺平臺模型程序設計

余泛泳，劉彥東，陳海泉

（大連海事大學 航海訓練與研究中心，遼寧 大連 116026）

管理現代化

基于PLC技術的船舶搖擺平臺模型程序設計

余泛泳，劉彥東，陳海泉

（大連海事大學 航海訓練與研究中心，遼寧 大連 116026）

針對某船舶搖擺平臺所實現的功能要求，對平臺搖擺模型進行可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller，PLC）程序設計。對平臺搖擺控制原理及系統進行分析，基于實際海況推導船舶橫搖數學模型，運用PLC模塊化編程思想設計平臺搖擺模型程序。試驗結果表明，改進設計后的平臺仿真效果明顯，能實現實際海況下的船舶搖擺仿真運動。

船舶搖擺平臺；可編程邏輯控制器；橫搖數學模型

0 引 言

船舶在海上航行時會因諸多因素的影響產生搖擺運動。船舶的搖擺運動會給船員和乘客的工作及生活帶來不適感，并影響推進裝置及其他設備的性能。因此，船舶的搖擺運動是目前船舶運動控制領域研究的重點，在軍用和民用方面都有著深遠的意義[1]。

與海上實船試驗相比，運用船舶運動仿真平臺對船舶的搖擺運動進行研究可有效降低成本和節省時間[2]。基于機電液技術設計的某船舶搖擺仿真平臺目前只能完成不同周期、不同幅度下的單個規則正弦波模型運動，為使平臺實現真實海況下的船舶復雜隨機搖擺運動，這里以橫搖為例對平臺可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller，PLC）橫搖模型程序進行改進設計。

1 船舶搖擺平臺原理

圖1為船舶搖擺平臺控制原理。該平臺通過液壓泵站驅動2對液壓缸實現橫搖和縱搖運動；2個呈并聯關系的電液比例換向閥控制進入液壓缸內的油的流速和方向；傾角傳感器用來測量平臺橫搖和縱搖實際傾角值；傾角信號通過A/D（模擬數據量）轉換模塊反饋到PLC控制器中；PLC將預先設定的搖擺模型（設定值）與實際傾角值相比較，通過模糊 PID（比例積分微分）控制算法求出數字量控制值；最后通過D/A（數據模擬量）模塊輸出的模擬量控制值控制電液比例換向閥，以實現平臺傾角位置閉環控制[3-4]。

系統基于上位機上的 WinCC組態軟件開發設計操控界面，通過與PLC進行數據交換實現平臺搖擺模型的設定和系統運行監控。

2 實際海況下的船舶橫搖模型

由于船舶在海上航行時會受到海浪等復雜因素的影響，因此想要建立一個精準的橫搖數學模型非常困難。這里基于目前工程設計中普遍采用的Conolly橫搖方程建立平臺的橫搖數學模型，并進行一定的簡化處理[5]。

船舶在海上作搖擺運動時，依據動平衡原理，其平衡條件是所有力矩之和為零[6]，船舶的橫搖運動數學方程可表示為

處理變換式(1)可得

由隨機過程理論可知，海浪有效波傾角可表示為

式(3)中： Sζ(ω)為海浪波譜密度； ωi為波傾角頻率； εi為 0 ～2π內均勻分布的隨機初相位值。將式(3)代入到式(2)中，使用不同有義波高（海況）下（國際船模試驗池會議（ITTC））提供的單參數海浪波譜[7]來計算有效波傾角，以某一具體船舶為例，根據其參數便可求出具體橫搖角。由此可看出，船舶橫搖角是由無數個不同幅值、頻率和初相位的正弦波疊加而成的。

3 橫搖模型程序設計

3.1 PLC程序模塊化設計

利用STEP7軟件對PLC進行模塊化編程，將實現平臺不同功能的程序放到特定的程序塊中[8]，根據需要在主程序中分別調用不同功能的子程序塊。系統子程序塊主要有：常數設置塊、傾角模擬量輸入值轉換處理塊、液壓功能控制塊、平臺搖擺運動模型選擇模塊、橫搖模糊PID控制塊及存儲數據的共享、背景數據塊等。程序塊調用分層結構見圖2。

PLC啟動時，首先執行初始化程序塊（OB100），然后循環執行主程序OB1。在OB1中調用不同功能的程序塊，其中平臺搖擺運動模型選擇模塊（FB140）又調用正弦模型計算模塊（FB1100）和海況等級選擇模塊（FB147），FB147可根據上位機選擇分別調用3～7級海況下船舶搖擺模型計算模塊（FB200～204）。利用循環中斷組織塊 OB35調用 FB141實現搖擺運動的模糊PID控制。

3.2 基于實際海況下的橫搖模型程序設計

3～7級海況下5個橫搖模型程序塊相似，這里以 3級海況為例對平臺橫搖模型程序設計進行分析。

圖3為選擇并調用3級海況橫搖模型程序，當在上位機監控界面選擇3級海況搖擺模型時，調用功能塊FB200，屏蔽其他等級海況下船舶搖擺模型計算模塊。FB200基于第2節某一具體船舶在3級海況下的橫搖模型，調用多個不同幅值和周期的正弦計算模塊并對其進行求和，最后傳送到地址“DB25.DBD36”中，即模糊PID控制的設定值。

3.3 正弦計算模塊

當開啟橫搖運動時，“DB25.DBX7.2”變成高電平，讀入儲存在3級海況數據塊中的正弦周期和幅值，見圖4。

調用周期振蕩器（見圖 5）功能塊（Tmr-Cycle），當DB25.DBX7.2變成高電平時，根據輸入的正弦周期值輸出一個隨PLC時鐘在0到正弦周期值之間變化的雙整型時間值（D.Tmr-Cycle-ACC-DI），時間值達到正弦周期值時從0再次循環。

通過功能塊 FC1250 將浮點型時間值（R.Tmr-Cycle-ACC-R）量化，轉換成 π2～0 內變化的實數值，并存入到變量 R.Scale_Tmr_Cycle_ACC_R中（見圖6）。轉換公式為：

對變量R.Scale_Tmr_Cycle_ACC_R求SIN運算，并乘以正弦幅值，最終求得正弦波值（見圖7）。

4 結 語

將基于實際海況的船舶橫搖模型程序下載到PLC中，操作上位機對平臺進行搖擺試驗（見圖8）。結果表明：通過對實際海況下的船舶搖擺模型進行分析及對PLC程序進行改進設計，平臺能實現實際海況下的船舶搖擺仿真運動，效果較好，具有一定的實際意義。

[1] 王立軍. 船舶大舵角轉向時艏搖與橫搖的耦合仿真研究[J]. 船舶與海洋工程，2013 (1)： 6-11.

[2] 王旭永，駱涵秀，吳江寧，等. 六自由度并聯電液伺服平臺的特點及應用[J]. 液壓與氣動，1995 (2)： 16-18.

[3] 王守城，段俊勇. 液壓系統PLC控制實例精解[M]. 北京：中國電力出版社，2011.

[4] 袁立鵬，趙克定，李海金. 閥控液壓缸統一流量方程的分析研究[J]. 機床與液壓，2005 (8)： 97-99.

[5] 金鴻章，姚緒梁. 船舶控制原理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2014.

[6] 李積德. 船舶耐波性[M]. 北京：國防工業出版社，1992.

[7] 徐琳琳. 船舶運動仿真及建模預報研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[8] 王生海. 垂直方向主動式波浪補償控制系統設計研究[D]. 大連：大連海事大學，2013.

PLC Based Model Programming Design for Ship Swaying Platform

YU Fan-yong，LIU Yan-dong，CHEN Hai-quan

（Navigation Training and Research Center Dalian Maritime University, Dalian 116026, China）

A Programmable Logical Controller (PLC) programming design is performed for the platform swaying model according to the functional requirement of a ship swaying platform. The control principle and control system of the platform are analyzed based on a ship roll mathematical model derived according to the real sea conditions, and the platform swaying model program is designed with PLC modular programming concept. The experiment result shows that the platform simulation effect is significantly improved along with the amendment of the design, which could realize the simulation of ship swaying motions under real sea conditions.

ship swaying platform; PLC; roll mathematical model

U661.7

A

2095-4069 (2017) 01-0072-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.013

2016-05-06

余泛泳，男，助理實驗師，碩士學位，1991年生。2014年大連海事大學船舶與海洋工程碩士畢業，現從事航海教育工作。