基于PLC 技術的船舶輔助機械自動化設備控制研究

吳小鋼

（宜昌測試技術研究所，湖北 宜昌 443000）

隨著現代工業的不斷發展，更加凸顯了船舶輔助機械自動化控制的作用。船舶輔助機械設備在船舶海上行駛中發揮著重要的作用，是船舶正常航行的重要保證，為船舶提供必要的服務。大量的輔助機械設備有獨立的控制系統，相互之間也存在一定的關聯。自動轉舵控制系統、起貨機控制系統、鍋爐自動控制系統等，都是船舶輔助機械設備控制系統。工業領域向智能化、自動化方向發展，廣泛應用可編程邏輯控制器（PLC）技術，船舶輔助機械自動化控制進一步發展，有必要充分應用PLC 技術。編寫PLC 程序，合理確定變頻器的參數，設計變頻控制系統，可以提升自動化控制效果，促進船舶的正常穩定運行。

1 PLC 工作流程

可編程邏輯控制器（PLC）是一種數字運算操作電子系統，專門為工業環境的應用而設計，是工業控制設備，具有通用性。PLC 系統啟動后，先進行初始化操作，檢查I/O 接口，檢測電源狀態，復位定時器，繼電器清零等。然后，進行自檢，外部公共操作，保證PLC 的可靠性。每個任務執行周期，都需要自檢PLC 系統，及時發現異常。然后，執行用戶程序，從存儲器中讀取、掃描相關指令，調用運算器，處理指令，在PLC 的映像區存儲運算結果。狀態刷新就是PLC 的輸輸出激勵、輸入采樣。運算處理指令向輸出鎖存器傳輸，然后，向I/O 端口傳送，為輸出激勵，控制外圍負載。I/O 端口上的信號采集后，向CPU 寄存器區傳輸，為輸入采樣。

2 基于PLC 技術的船舶輔助機械自動化控制系統

2.1 鍋爐系統

為鍋爐系統中供汽壓力和燃油比重調節基本原理。起動時，從40s 鍋爐進行預掃風，以防止點火時發生冷爆現象。到了40s 后開始點火，如能在7s 內點火成功，鍋爐便進入正常燃燒狀態。如在7s 內點火不成功，鍋爐便停爐，同時，發出聲光報警信號，故障熄火指示燈亮。鍋爐在正常燃燒過程中，當汽壓到達設定的上限值時，會正常熄爐，不發出報警信號。當汽壓又降到控制汽壓的下限值時，鍋爐又重新起動，開始自動點火時序控制，重新燃燒。

利用PLC 技術，能夠實現高質量的調節功能。根據鍋爐的質量控制要求、大小、性能，合理選擇鍋爐系統的給水自動調節方式。

由于船舶艙內有明顯的振動特征，并且溫度相對較高，許多干擾源會影響海上航行狀態，對控制系統要求更高。需要科學選擇PLC 型號，提高內部元器件的環境承受能力。保證船舶安全可靠地運行，是船舶輔助機械自動化控制的基礎，同時，節省能源消耗，提升船舶運行的經濟性，減少維修費用。考慮到以下幾方面，可選用FX 2N PLC。FX 2N 指令功能豐富，且指令執行速度快。FX 2N 配置靈活，設計需I/O 40 點。FX2NPLC 可用內部輔助繼電器M、計數器C、寄存器D、定時器T、狀態繼電器S，滿足系統控制要求的需要。輸入、輸出點設計如表1。

表1 輸入、輸出點設計

2.2 自動化導航控制系統

如下圖所示，為基于PLC 技術的船舶自動導航控制系統。包括衛星接收模塊、顯示器、電子羅盤等子模塊，以PLC 邏輯控制器為中心，與衛生接收模塊、電子羅盤、互聯網、EL顯示器等連接，通過智能導航系統輸入端輸入，自動化控制導航。

圖1 基于 PLC 技術的船舶自動導航控制系統

2.3 安全監視應用

為保證系統運行的安全性，需要加強對系統的安全監視。系統初始化的功率輸出如下圖所示，前6s 系統沒有輸出。PLC 技術是系統本身發揮監控功能的重點，如果PLC 失去效用，容易引發一系列的問題。因此，需要利用PLC 自診斷的功能，完善系統的硬件與軟件的設計。同時，也要使用自診斷監視器。自診斷監視器有明顯的獨立性特征，屬于數字電路，包括比較器、脈沖發生器。有效結合硬件與軟件，對PLC 系統內的微處理器、存貯器、程序邏輯的執行等情況，進行實時監視。如果某個部分出現故障，立即報警，同時復位系統，使輸出點能夠安全運行。

本文針對普遍情況下的船舶輔助用電設備故障診斷問題，設計了一種基于PLC 的設備故障診斷系統。該系統主要分為用戶程序、輔助控制系統內核和PLC 硬件3 個主體部分。實現系統的目標，主要利用兩路標準脈沖串的對比。通過PLC 用戶程序，形成，第一路的脈沖。設定程序的前提下，傳送給PLC 系統的首個模塊。向PLC 返回，主要是與相同模塊輸入點外部接線連接。利用設定的用戶程序，可以輸出脈沖傳遞到第二模塊。操作反復進行，PLC 硬件與軟件的脈沖串，就可以在最終模塊的基本輸出點獲得。然后，傳輸給WatchDog 裝置。對PLC 系統進行有效監視，需要充分結合硬件與軟件。在各模件中，兩點創建硬件鏈接的通道被占據。實際的船舶輔助機械運行中，并沒有明顯的影響。需要設計備用的脈沖發生器，有效監控設備狀態，規避內部硬件脈沖發生器的故障。

圖2 系統初始化的功率輸出曲線

2.4 起貨機三相異步電動機控制

本文研究中，船舶起貨機三相異步電動機控制，應用PLC 技術。如圖3 所示，建立三相異步電動機電路模型。 旋轉角速度以w 表示，電感以L 表示，磁鏈以ψd 表示，定子電阻以Rs 表示，電壓方程為：。磁鏈方程為：三相異步電動機控制應用PLC 技術，通過邏輯控制命令，可以實現自動轉速調節，并且正轉與反轉互鎖電動機的控制開關。分析信號特征向量，通過PLC 的信號監測功能，監測三相異步電動機的運行狀態，從而可以有效診斷電動機的故障，及時進行處理。

圖3 三相異步電動機電路模型

3 結語

船舶正常運行，依賴于船舶輔助機械設備。合理引入PLC 技術，可以提升船舶輔助機械設備的自動化水平，實現有效的自動化控制，提高機械設備的運行性能。PLC 技術可以改善船舶輔助機械運行的安全性，使控制效果更加智能化、自動化，有利于現代船舶事業的發展。