基于PLC與Win CC flexible動力定位報警監控系統的研究

陸振君

(南通市船舶檢驗局，江蘇 南通 226000)

本文以某工作船為例，進行其動力定位報警監控系統的研究。該船主要為深海石油和天然氣勘探開采平臺、工程建筑設施等提供拋起錨、拖航、供應和值班守護等服務[1]，其動力系統組成如表1。

1 動力定位報警監控系統主要功能

1)數據的采集和處理。監控系統主要對動力系統、推力器系統和動力定位控制系統的各種數據進行采集和處理[2]。采集信號分為模擬量信號(電壓、功率、轉速、可調漿螺距、風速等)及各開關量信號。

2)參數的顯示功能。在觸摸屏顯示動力定位系統主要數據，工作船的相應部位船員可通過顯示的數據了解系統各設備的運行狀況。可顯示所有模擬量及開關量的報警狀態，正常為綠色，報警為紅色，沒有應答的報警點用閃爍方式表示[2]。

表1 某工作船動力系統組成

3)報警功能。監控系統對工作不正常的監測參數以及傳感器故障、系統自身故障等進行報警。船舶監控人員可以通過報警監控系統，迅速發現報警，并根據報警原因和種類采取措施。主要包括聲光報警、延伸報警、報警顯示、報警記錄及報警閉鎖功能[3]。

4)數據存儲和參數修改功能。監控系統還需及時將動力定位系統相關的監控參數及報警情況，定時存入數據庫，方便監控人員進行查詢和分析。為了提高系統的靈活性能，系統配備有對報警延時、報警閉瑣、開關報警狀態、自動閉鎖的解鎖延時、測量精度、報警限值等系列參數的修改功能，以適應船舶在久用之后機械狀況的變化[3]。

5)打印功能。本系統還具有隨時打印報表功能，可以進行數據報表打印，包括當前測量數據表和報警記錄表。

2 動力定位報警監控系統的設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 S7-300硬件組態

S7-300 PLC是模塊式的PLC，采用的是緊湊的、無槽位限制的模塊結構。本系統硬件的設計采用模塊化設計方法[4]。系統采用“觸摸屏+PLC控制器+執行機構”的分層控制，觸摸屏選用西門子Multi Panels系列的MP270 10′Touch觸摸屏，PLC控制層選擇西門子公司的S7-300系列PLC，他們之間通過MPI網絡連接。根據中國船級社(CCS)《動力定位系統檢驗指南》的要求，結合報警監控系統實際需求，監測點共包括140個數字量和30個模擬量，其硬件組態如圖1所示。

圖1 系統硬件組態圖

2.1.2 系統硬件

1) 電源。系統供電電源采用工業控制專用電源，可靠性高，適應能力強[5]。根據《檢驗指南》要求，系統配有UPS 不間斷電源，在全船失電的情況下，保證系統主體部分還能正常工作15 min。

2) 隔離與接地。輸入/輸出信號間采用光電隔離技術，防止干擾信號和強電信號進入系統。內部采用單獨的隔離接地，提高監控微機的穩定性。

3)冗余設計。系統在報警顯示、網絡通信、報警信息處理等主要功能上采用了冗余技術[2]，并且主要模板及顯示器都配有備件，以提高系統的可靠性，方便進行更換和維護。

2.2 系統軟件設計

1)SIMATIC STEP 7與Win CC flexible的集成。通過在STEP 7的SIMATIC管理器中創建一個HMI站，將Win CC flexible項目集成在STEP 7中，實現HMI設備和PLC之間的通信和數據交換。它具有以下優點：系統具有更好的容錯能力；減少修改工作量；減少組態工作量。組態過程中，Win CC flexible可以直接訪問STEP 7符號表、數據域及其控制器[6]。

2)網絡組態。系統的上位機為MP270 10′Touch觸摸屏，下位機為S7-300系列PLC，它們之間采用MPI網絡進行通訊連接。為了實現PLC與HMI設備之間的自動數據交換，采用網絡組態工具NetPro來進行系統的網絡組態[5]。

3)用STEP 7編程軟件實現系統的自動監控與報警。動力定位報警監控系統的編程軟件主要采用STEP 7，編程語言為梯形圖(LAD)。報警監控系統采取模塊化設計，主要包括系統管理模塊、實時監控模塊、系統控制模塊、數據分析模塊和報表管理模塊等幾個方面，其總體框架圖如圖2所示。

圖2 系統總體框架圖

系統工作流程為：傳感器采集的數據實時傳輸到PLC S7-300，由系統對所采集的各個設備的參數進行分析和處理，通過Win CC flexible人機界面實時顯示處理后的數據，并存入數據庫模塊。如果發現數據異常，系統發出警報，船員根據報警進行故障判斷和處置[3]。警報處理結束之后，系統自動將這次警報以報表的形式存入數據庫，供監控人員查詢、分析，其系統流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

4)用Win CC flexible組態軟件設計報警監控系統人機界面。人機界面是PLC的最佳搭檔，這是因為它的穩定性和可靠性較高，能夠長期在惡劣的工業環境下持續運行。本文選用西門子的觸摸屏(Touch Panel)作為系統的人機界面，因其具有面積小,直觀方便等優點[5]。系統人機界面主要包括4個頁面，他們分別是：初始畫面、動力系統監控頁面、推力器系統監控頁面及系統性能狀態監控頁面。

3 動力定位報警監控系統的仿真調試

由于實驗條件的限制，無法用硬件來對設計的船舶動力定位報警監控系統進行聯合調試。本文用S7-PLCSIM來模擬S7-300的運行，用Win CC flexible的運行系統(Runtime)來模擬HMI設備的功能[4]。由于在系統設計時已經將HMI的項目集成在STEP 7中，在調試時在沒有硬件設備的條件下，通過計算機模擬實現HMI設備和PLC之間的通信和數據交換，從而模擬出真實的PLC和HMI設備組成的實際功能[6]。圖4為系統部分調試頁面，包括風力、航向、水流、速度、張力等數值的顯示以及各個報警指示燈。

圖4 系統部分仿真調試圖

4 結束語

本文采用SIEMENS PLC S7- 300與組態軟件Win CC flexible相結合的方法，研究了動力定位報警監控系統自動控制與人機界面。該系統開發周期短、人機界面直觀、控制可靠、維護方便等優點。