基于PLC的金槍魚延繩釣投繩機(jī)控制系統(tǒng)

崔秀芳，張 斌，邵 祺，許正文，曲曉文

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

金槍魚是一種重要的商業(yè)捕撈物種[1,2],是世界海洋漁業(yè)的主要捕撈物種之一。金槍魚的捕撈效率受釣鉤水深的影響極其顯著,劉莉莉[3]等人在研究中發(fā)現(xiàn)167.57m水層的捕撈概率密度最大。同時，戴小杰等[4]發(fā)現(xiàn)金槍魚延繩釣對瀕危海龜物種的誤捕情況十分嚴(yán)重，深水延繩釣的淺鉤對海龜誤捕的仍然占較大比例。由此可以看出優(yōu)化鉤的深度，不僅有助于提高捕撈效率，同時也將有助于減少鯊魚和海龜?shù)燃娌段锏恼`捕[5～7]。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以從數(shù)值模擬的角度建立延繩釣漁具的動力學(xué)模型，獲取在不同海況影響下延繩釣漁具的載重分布和水下形態(tài)[8]。傳統(tǒng)的金槍魚延繩釣釣具理論深度通常按照懸鏈線公式計(jì)算[9]，得出每個釣鉤的理論深度。在此基礎(chǔ)上，宋利明使用SPSS軟件，通過建立多元線性逐步回歸模型，建立了預(yù)測鉤深和理論深度的關(guān)系模型[10]，根據(jù)測量的風(fēng)速、風(fēng)向、投放的鉤子數(shù)能夠計(jì)算獲得最佳的投繩速度、掛鉤的時間間隔以及航速。本文將從PLC控制的角度來，以文獻(xiàn)[10]中的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出基于PLC的金槍魚延繩釣自動投繩機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于PLC控制的金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置，通過觸摸屏輸入鉤子數(shù)，通過風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器測量出風(fēng)速、風(fēng)向、船舷角，PLC通過以太網(wǎng)線連接PC電腦端，通過OPC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，PC電腦端在SQL Server中查找相關(guān)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的最佳投鉤參數(shù)，將最佳的投繩時間間隔、投繩速度以及航速下傳給PLC，PLC通過以太網(wǎng)線或者DP9接口利用RS485協(xié)議在觸摸屏上顯示最佳的航速，利用變頻器PID控制電機(jī)以及利用霍爾傳感器測量投繩速度從而自動控制投繩速度，通過外接提示燈以及蜂鳴器按照最佳的投繩時間間隔利用聲光提醒掛上支線，從而按照事先規(guī)劃好的控制方案進(jìn)行工作，基于PLC控制的金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

金槍魚延繩釣自動投繩機(jī)的動作過程，涉及到控制的硬件有HMI觸摸屏、西門子S7-200 SMART PLC、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、霍爾傳感器等。本系統(tǒng)是基于捷勝海洋裝備股份有限公司的金槍魚延繩釣裝置進(jìn)行改進(jìn)研究，根據(jù)現(xiàn)有條件只需選型新的處理器模塊與風(fēng)速儀、風(fēng)向儀。

2.1 處理器模塊

西門子SR40型S7-200 SMART PLC，繼電器輸出，220V交流供電。集成在模塊上的Micro SD卡插槽，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)程序的功能。CPU標(biāo)配網(wǎng)線接口，支持多種通信協(xié)議，可與其他PLC、上位機(jī)、變頻器、觸摸屏等連網(wǎng)通信，同時CPU的處理性能優(yōu)秀，基本指令執(zhí)行時間最快可低至0.15μs。SR40型CPU板載I/O有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，可以應(yīng)用于控制邏輯復(fù)雜、I/O點(diǎn)數(shù)多的項(xiàng)目之中。PLC模塊如圖2所示。

圖2 西門子SR40型 S7-200 SMART PLC

2.2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器模塊

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用RS485總線Modbus-RTU 通信協(xié)議與PLC通訊，能夠同時傳輸風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀相比傳統(tǒng)的三杯式風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)風(fēng)向儀具有較大的性能優(yōu)質(zhì)，其受自然環(huán)境干擾小，分辨率高，精度好，無啟動風(fēng)速限制（傳統(tǒng)的三杯式風(fēng)速儀大多是需要一定的啟動風(fēng)速的），無角度限制（傳統(tǒng)的風(fēng)向標(biāo)風(fēng)向儀精度低，大多為八方向與十六方向），具備IP66的高防護(hù)等級，堅(jiān)固耐用，無需調(diào)試校準(zhǔn)。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PC Acess SMART、SIMATIC WinCC Explorer、STEP 7 -Micro/WIN SMART、SQL Server 2016軟件的相關(guān)配置與程序編寫；操作系統(tǒng)選用Windows10，主控制器采用西門子S7-200 SMART型PLC。軟件的設(shè)計(jì)主要包括: 數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸。投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)流程圖

3.1 PC Access SMART軟件與S7-200 SMART CPU建立連接

PC Access SMART軟件可以通過以太網(wǎng)接口或者RS485接口與S7-200 SMART CPU建立連接，本文選擇通過連接以太網(wǎng)網(wǎng)線建立連接。

3.1.1 設(shè)置計(jì)算機(jī)的IP地址

給計(jì)算機(jī)設(shè)置一個固定的地址，在“網(wǎng)絡(luò)連接屬性界面”里選擇“以太網(wǎng)屬性”，選擇網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)下的“Internet協(xié)議版本4（TCP/IPv4）”，點(diǎn)擊“屬性”，點(diǎn)擊“使用下面的IP地址”選項(xiàng)，根據(jù)需求輸入一個固定的IP地址與子網(wǎng)掩碼，如圖5所示。

圖5 設(shè)置固定的IP地址與子網(wǎng)掩碼

3.1.2 設(shè)置S7-200 SMART CPU的IP地址

在STEP 7-Micro/WIN SMART軟件的“通信”窗口中編輯CPU的IP地址。在“通信接口”下選擇客戶計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡進(jìn)行通信。單擊“查找CPU”按鈕，會把連接在以太網(wǎng)上的所有設(shè)備都搜索出來。根據(jù)需要修改S7-200 SMART CPU的IP地址。在選項(xiàng)框右側(cè)的“站名稱”、“默認(rèn)網(wǎng)關(guān)”、“子網(wǎng)掩碼”、“IP地址”處設(shè)置相關(guān)內(nèi)容，最后單擊“確認(rèn)”完成設(shè)置，如圖6所示。

圖6 設(shè)置S7-200 SMART CPU的IP地址

3.1.3 設(shè)置PC Access SMART軟件

在PC Access SMART軟件的進(jìn)行OPC通信的設(shè)置。在項(xiàng)目下的“MWSMART(TCP/IP)”右擊選擇“新建PLC”。單擊“查找CPU”按鈕，連接在以太網(wǎng)上的所有設(shè)備都在對話框中顯示出來。確認(rèn)對應(yīng)的S7-200 SMART CPU的IP地址。在“本地TSAP”與“遠(yuǎn)程本地TSAP”處設(shè)置相關(guān)內(nèi)容，然后單擊“確認(rèn)”按鈕完成地址設(shè)置，如圖7所示。

圖7 設(shè)置PC Access SMART軟件

右擊NewPLC新建文件夾，右擊新文件夾新建條目，設(shè)定對應(yīng)的名稱以及讀寫地址、讀寫屬性、數(shù)據(jù)類型，并能夠設(shè)置上下限以及注釋，并保存。

3.2 設(shè)置SQL Server數(shù)據(jù)庫

使用管理員賬戶打開Microsoft SQL Server Management Studio數(shù)據(jù)庫管理軟件，進(jìn)入主界面。新建數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫名稱根據(jù)需求設(shè)置，本文設(shè)置為“最佳參數(shù)”，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，刷新后能看到新生成的“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫”，右擊“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫”下的“表”，選擇“新建”，選擇“表”，在右邊的新視窗中輸入列名以及數(shù)據(jù)類型，選擇輸入[HOOK_NUM]、[WIND_SPEED]、[SIN_ANGLE]、[PROCESS_TAG]、[SHOT_SPEED]、[SHIP_SPEED]，數(shù)據(jù)類型根據(jù)不同變量不同設(shè)置，需要與WinCC中的變量類型相匹配，點(diǎn)擊保存，命名為“最佳參數(shù)表”。

最后使用Excel作為中間工具，將最佳的參數(shù)導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫中。右擊“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫”選擇“任務(wù)”，點(diǎn)擊“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”，出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入和導(dǎo)出向?qū)б暣埃瑪?shù)據(jù)源選擇Microsoft Excel，填入正確路徑，點(diǎn)擊“Next”。“目標(biāo)”選擇“Microsoft OLE DB Provider for SQL Server”，“數(shù)據(jù)庫”下拉選擇“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫”，點(diǎn)擊“Next”，默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊“Next”。“目標(biāo)”下拉選擇“[dbo].[最佳參數(shù)表]”，點(diǎn)擊“編輯映射”，將相關(guān)參數(shù)一一對應(yīng)確認(rèn)后點(diǎn)擊確定，點(diǎn)擊“Next”。接下來的新視窗全部默認(rèn)設(shè)置選擇“Next”完成所有操作，完成所有的參數(shù)導(dǎo)入。

3.3 設(shè)置SIMATIC WinCC Explorer組態(tài)軟件

打開SIMATIC WinCC Explorer軟件，點(diǎn)擊“文件”選擇“新建”，選擇“單用戶項(xiàng)目”，點(diǎn)擊“確認(rèn)”。

打開變量管理窗口，右擊“變量管理”，點(diǎn)擊OPC選項(xiàng)，添加OPC驅(qū)動，如圖8所示。右擊OPC下的“OPC Groups”，點(diǎn)擊“系統(tǒng)參數(shù)”，打開OPC管理?xiàng)l目，等待片刻，加載出本地計(jì)算機(jī)，選中“S7200SMART.OPCServer”，點(diǎn)擊瀏覽服務(wù)器，勾選“讀訪問”與“寫訪問”，點(diǎn)擊“下一步”，如圖9所示。選擇所需要的變量條目，點(diǎn)擊 “添加條目”，完成變量的設(shè)置。

圖8 添加OPC驅(qū)動

圖9 添加變量

打開圖形界面，將變量作為輸入輸出域添加到界面上，添加2個按鈕“獲取最佳參數(shù)”、“開始投繩”，給“開始投繩”賦予動作開始的中間變量M0.0，相當(dāng)于運(yùn)行開關(guān)按鈕，給“獲取最佳參數(shù)”添加鼠標(biāo)單擊的VBS腳本事件，用于獲取最佳的動作參數(shù)，主要程序如下所示。

‘讀取變量

data7=HMIRuntime.Tags (“HOOK_NUM”).Read’讀取鉤子數(shù)

data8=HMIRuntime.Tags (“WIND_SPEED”).Read’讀取風(fēng)速

data9=HMIRuntime.Tags (“SIN_ANGLE”).Read’讀取風(fēng)舷角正弦值

‘在SQL數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)數(shù)據(jù)

sSql=”SELECT*FROM最佳參數(shù)表 WHERE HOOK_NUM=‘”&data7&”’AndWIND_SPEED=‘”&data8&”’andSIN_ANGLE=‘”&data9&”’;”

‘顯示到輸入/輸出域

HMIRuntime.Tags(“PROCESS_TAG”).Write data4‘寫入掛支線的時間間隔

HMIRuntime.Tags(“SHOT_SPEED”).Write data5‘寫入投繩速度

HMIRuntime.Tags(“SHIP_SPEED”).Write data6‘寫入船速

上面的data7,data8,data9變量為在Wincc組態(tài)界面所輸入的查詢變量HOOK_NUM（鉤子數(shù)）以及PLC上傳的通過傳感器獲取的環(huán)境變量WIND_SPEED、SIN_ANGLE（風(fēng)速、風(fēng)舷角正弦值），結(jié)合后面的SELECT語句，將輸入變量與數(shù)據(jù)庫最佳參數(shù)表中的參數(shù)比較，若有三個參數(shù)都對應(yīng)相等，則取出該行值，并顯示到輸入/輸出域中，同時輸入/輸出域所關(guān)聯(lián)的PROCESS_TAG、SHOT_SPEED、SHIP_SPEED三個變量也被賦予最佳的控制參數(shù)，從而通過OPC協(xié)議改變PLC程序中掛支線的時間間隔、投繩速度、船速相對應(yīng)地址的變量值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所述的基于PLC的投繩機(jī)控制軟件部分，現(xiàn)輸入已有的可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過SIMATIC WinCC Explorer的組態(tài)窗口查看PLC通過PC上位機(jī)獲取的控制量（掛支線的時間間隔、投繩速度、船速）與已有的可靠數(shù)據(jù)中的最佳控制量進(jìn)行對比，如圖10所示。根據(jù)所給定的鉤子數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)舷角正弦值獲得了相對應(yīng)的控制參數(shù)，驗(yàn)證整個控制軟件系統(tǒng)的可靠性。

圖10 SIMATIC WinCC Explorer組態(tài)窗口

5 結(jié)語

本文介紹了PLC應(yīng)用于金槍魚延繩釣投繩機(jī)部分的基本原理以及傳感器、PLC下位機(jī)、PC上位機(jī)相互之間的通訊原理，重點(diǎn)闡述了基于PLC的投繩機(jī)控制部分的具體運(yùn)用，其中主要包括金槍魚延繩釣吊鉤鉤深與鉤子數(shù)、風(fēng)向角、風(fēng)速、風(fēng)弦角、船速，掛支線的時間間隔、投繩速度的關(guān)系以及金槍魚延繩釣投繩機(jī)控制部分的軟硬件設(shè)計(jì)。本文所介紹的基于PLC控制的金槍魚延繩釣自動投繩機(jī)將為現(xiàn)有的半自動的投繩機(jī)自動化升級提供參考。隨著機(jī)械自動化的迅速發(fā)展，基于PLC控制的金槍魚延繩釣裝置也將會更加自動化和智能化。