萬 濤，張海艷

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，局部艙室環(huán)境參數(shù)的采集、監(jiān)視和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的人為手動(dòng)操作已無法滿足現(xiàn)代船舶自動(dòng)化的要求。對(duì)新型船舶環(huán)境控制系統(tǒng)而言，要求實(shí)現(xiàn)艙室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、集中監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信、故障報(bào)警、診斷和自動(dòng)控制功能。

可編程控制器 (PLC)作為一種在可靠性和通用性方面均優(yōu)于單片機(jī)的新一代控制器，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。它具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力、使用方便靈活，并具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以很好地滿足現(xiàn)代船舶自動(dòng)化程度的要求。此外，伴隨著PLC發(fā)展而產(chǎn)生的觸摸面板，則是專為PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的一種人機(jī)界面產(chǎn)品，憑借其強(qiáng)大的顯示和操作功能，簡單和靈活的開發(fā)方法以及高度的系統(tǒng)集成性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、船舶和軍事等控制領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)功能

艙室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)的組成部分，它是維持船員正常生活，設(shè)備正常運(yùn)行的重要系統(tǒng)。船舶艙室是一個(gè)有限的密閉空間，空間內(nèi)的大氣環(huán)境不斷受到油、水、霧，以及各種含有害氣體成分揮發(fā)物的污染，當(dāng)有害氣體濃度達(dá)到某一極限值后，會(huì)對(duì)人員的正常生理活動(dòng)造成極大危害，而且影響設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，實(shí)現(xiàn)船舶艙室大氣環(huán)境系統(tǒng)的集中監(jiān)控，具有十分重要的意義。此次構(gòu)建的船舶艙室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)信號(hào)采集功能。多測點(diǎn)、多類型參數(shù)是船舶環(huán)境控制系統(tǒng)參數(shù)的主要特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要采集全船重要部位的空氣溫度、相對(duì)濕度、氣體組分濃度和系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

2)顯示功能。在友好的人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)測參數(shù)和系統(tǒng)重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

3)故障報(bào)警和診斷功能。提供被監(jiān)測參數(shù)的越限報(bào)警和系統(tǒng)故障的診斷報(bào)警功能。要求一旦發(fā)生誤操作和系統(tǒng)故障報(bào)警時(shí)，一方面限制誤操控制指令的發(fā)出，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行，另一方面提供誤操作的信息提示和故障原因分析，指導(dǎo)船員執(zhí)行正確的操作并及時(shí)排除故障。

4)控制功能。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)控制功能，以維持重要環(huán)境參數(shù)在一定范圍內(nèi)。

5)通信功能。利用先進(jìn)的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享和對(duì)外的信息傳輸。

然而，在以上功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的復(fù)雜性和功能的多樣性對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求:

1)提供顯示的信息量大，內(nèi)容豐富，種類繁多。

2)實(shí)時(shí)性要求高，能正確快速地反映系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

3)顯示畫面要求清晰直觀，人工操作合理、簡單，畫面元素布局合理、層次感強(qiáng)。

4)提供實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)流程圖以及故障報(bào)警診斷信息和誤操作提示信息。

5)按照數(shù)據(jù)類型、系統(tǒng)和設(shè)備分類對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和劃分，提供不同種類數(shù)據(jù)的分畫面顯示和相互關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的鏈接和調(diào)用。

6)提供與下層控制設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)信息的交換。

7)人－機(jī)界面設(shè)備要求滿足船用環(huán)境要求和電磁兼容性要求，且具有較寬的環(huán)境適用性和較強(qiáng)的抗電磁干擾性。

2 系統(tǒng)硬件組成

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)［1］。按照分布式控制系統(tǒng)的一般模式，可將整個(gè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場層、控制層和管理層。各種傳感器、變送器 (主要包括溫濕度變送器、溫度控制器等)和執(zhí)行器作為底層的現(xiàn)場部件，負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)的重要環(huán)境參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)輸出，同時(shí)接收控制層發(fā)出的控制信號(hào)。數(shù)臺(tái)可編程控制器配置多種功能和信號(hào)模塊，與觸摸面板配合使用作為中間層，主要負(fù)責(zé)接收由底層傳感器件發(fā)送來的各種標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，對(duì)接收到的輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，并執(zhí)行相應(yīng)的控制功能，最終向上提供以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)信息，向下輸出控制信號(hào)。在特定部位設(shè)置監(jiān)控臺(tái)作為管理站/數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，并根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙操或自動(dòng)控制。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 The system frame

位于中間層的控制層由PLC和觸摸面板組成，其作用一方面負(fù)責(zé)采集、運(yùn)算和處理傳感器信號(hào)，完成就地顯示，同時(shí)還通過以太網(wǎng)通信模塊相互傳遞數(shù)據(jù)，并將參數(shù)統(tǒng)一發(fā)送至頂層管理站進(jìn)行集中顯示。各工作站之間通過以太網(wǎng)接口連接，實(shí)現(xiàn)局部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互交。鑒于本系統(tǒng)的特點(diǎn)和系統(tǒng)配置要求，選擇西門子公司的中型可編程控制器S7－300系列中的CPU314C－2DP，作為工作站的核心運(yùn)算控制部件，MP277系列中的10英寸觸摸面板作為工作站的人機(jī)界面。

S7系列可編程控制器是西門子公司繼S5系列取得成功后，推出的新一代高性能可編程控制器。它在運(yùn)算性能、穩(wěn)定性、可靠性以及通信功能方面都有很大程度的提高，能夠滿足小型、中型和大型自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的需要。此外，它還提供了更為方便和靈活的軟件開發(fā)工具STEP 7。CPU314C－2DP主要性能指標(biāo)如下［2］:

1)輸入電源:(20.4～28.8)VDC。

2)I/O配置及擴(kuò)展:集成24點(diǎn)DI(數(shù)字量輸入)、16點(diǎn)DO(數(shù)字量輸出)，5點(diǎn)AI(模擬量輸入)和2點(diǎn)AO(模擬量輸出)?？蓴U(kuò)展3個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架可配置8個(gè)功能模塊 (除機(jī)架3只能配置7個(gè)模塊外)。

3)通信接口:2個(gè)RS－485串行物理通信接口。接口1是MPI接口，用于與編程器、PC/PG或HMI的通信連接;接口2用于DP主－從的通信連接。

4)數(shù)據(jù)后備:不使用電池，需要外插程序存儲(chǔ)卡。

在功能模塊的配置上，選用最大輸出電流5A的電源模塊PS307，用以提供PLC和部分外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的DC24V工作電壓;配置多個(gè)SM331(8通道模擬量輸入)模塊，負(fù)責(zé)采集由傳感器輸出的4～20mA電流信號(hào)和Pt100鉑電阻信號(hào)，該模塊可通過外部跳線進(jìn)行輸入信號(hào)類型 (電壓、電流或電阻)和量程的選擇;配置以太網(wǎng)通信模塊CP343－1，用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信功能。

西門子公司最新推出的MP277系列觸摸面板作為工作站的人機(jī)界面，通過MPI電纜與可編程控制器的CPU模塊連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該系列觸摸面板顯示內(nèi)容豐富、直觀，操作方便快捷，除了具有強(qiáng)大的畫面編輯、報(bào)警提示和觸摸操作功能外，還提供了與核心控制器的無縫通信連接，便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)。其主要性能指標(biāo)如下:

1)64位RISC中央處理器、2M內(nèi)存 (可通過CF卡進(jìn)行外部擴(kuò)展)。

2)彩色STN液晶顯示器 (LCD)，640×480分辨率，256色。

3)內(nèi)置Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)，可定義多達(dá)300個(gè)畫面、4000條消息、2048個(gè)變量的操作對(duì)象。

4)提供與其他廠家的PLC的連接方式，如支持與Omron Hostlink/Multilink、三菱FX系列的接口。

5)具有IP65的防護(hù)等級(jí)和很強(qiáng)的抗沖擊、振動(dòng)和耐壓能力。

此外，配置了可編程控制和觸摸面板的控制裝置具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力，能夠在各種惡劣的環(huán)境條件下使用。

3 軟件開發(fā)

PLC控制系統(tǒng)之所以得到廣泛的應(yīng)用，最大原因在于它使得硬件設(shè)計(jì)成為一種搭積木式的便捷開發(fā)過程。設(shè)計(jì)人員在縮短硬件發(fā)開環(huán)節(jié)的同時(shí)，可以更多的將時(shí)間和精力投入到軟件設(shè)計(jì)中。本系統(tǒng)軟件由可編程控制器軟件和觸摸面板軟件2部分組成，分別在各自的專用軟件開發(fā)環(huán)境STEP 7和WinCCflexible中進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。

1)PLC軟件設(shè)計(jì)

可編程控制器程序設(shè)計(jì)采用的是結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，由初始化模塊、信號(hào)處理功能模塊、故障報(bào)警/診斷功能模塊、控制功能模塊、以太網(wǎng)通信功能模塊組成。各功能模塊之間相互獨(dú)立、順序執(zhí)行，之間不存在調(diào)用和轉(zhuǎn)移。其中，某些功能模塊的結(jié)果會(huì)影響其他功能模塊的執(zhí)行結(jié)果。具體的程序關(guān)系如圖2所示。

圖2 PLC軟件流程Fig.2 The PLC software flow chart

STEP 7是目前世界上使用最為廣泛的自動(dòng)化軟件之一，用于SIMATIC S7－300/400 PLC、SIMATIC C7、ET200和軟PLC SIMATIC WinAC的編程和系統(tǒng)的組態(tài)。它包含了自動(dòng)化項(xiàng)目從啟動(dòng)、實(shí)施到測試及維護(hù)的每個(gè)階段所需要的全部功能。在STEP 7的各功能組件中，最常用的是程序編輯器，它提供了基于IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)的多種程序編輯語言——LAD(梯形圖)、FBD(功能模塊)和ST(結(jié)構(gòu)文本)。用戶可以根據(jù)自身的編程習(xí)慣或系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)類別來選擇不同的編程方式。在滿足一定格式要求的前提下，編程環(huán)境可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同編程語言間的相互轉(zhuǎn)換。

2)觸摸面板軟件設(shè)計(jì)

觸摸面板的程序是基于Windows系統(tǒng)的圖形編程，它借助于Windows操作系統(tǒng)和文字及圖形化的“可見即所得”的編程方式，在安裝于個(gè)人PC上的WinCCflexible編程環(huán)境中設(shè)計(jì)開發(fā)出各種監(jiān)控畫面、控制軟按鈕、消息和事件，最終編譯完成后下載至觸摸面板。觸摸面板上電即運(yùn)行，通過變量與PLC建立連接。觸摸面板的軟件運(yùn)行流程如圖3所示［2］。

圖3 觸摸面板軟件流程Fig.3 The touch panel software flow chart

圖4 控制程序流程圖Fig.4 The control program flow chart

4)通信功能

整個(gè)船舶艙室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化通信體現(xiàn)在多臺(tái)工作站 (PLC)之間、工作站 (PLC)與管理站(PC)以及單臺(tái)工作站內(nèi)部PLC與觸摸面板之間。

①工作站之間采用的工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，遵循UDP協(xié)議。其相互發(fā)送自身的數(shù)據(jù)，同時(shí)接收對(duì)方的信息。

②每臺(tái)工作站通過以太網(wǎng)通信接口，向管理站發(fā)送自身的數(shù)據(jù)，同時(shí)接收由管理站下達(dá)的控制指令。

③單臺(tái)工作站內(nèi)部，PLC與觸摸面板之間通過MPI(Multipoint Interface)接口相互交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)畫面內(nèi)容的實(shí)時(shí)更新與軟觸摸操作指令的下達(dá)。

4 結(jié)語

可編程控制器和觸摸面板在大型船舶環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了船舶環(huán)境控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控，大大提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、一致性和自動(dòng)化水平，在優(yōu)化船員戰(zhàn)位的同時(shí)還降低了船員的工作強(qiáng)度，為船舶電氣和機(jī)械設(shè)備的安全、穩(wěn)定和連續(xù)運(yùn)行提供了有利的條件。

［1］王延堯.以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005:10－16.WANG Yan-yao.The technology and application of ethernet［M］.Beijing:Posts＆ Telecom Press，2005:10 －16.

［2］SIMATIC S7－300 CPU31xC和 CPU31x技術(shù)數(shù)據(jù)［Z］.西門子自動(dòng)化有限公司.The technology datum of SIMATIC S7－300 CPU31xC and CPU31x［Z］.SIMATIC Automatization Corporation.

［3］用戶手冊.WinCCflexible如何組態(tài)基于Windows的系統(tǒng)［Z］.西門子自動(dòng)化有限公司.User Manual-WinCCflexible:How toconfigurationthe system based on windowsp［Z］.SIMATIC Automatization Corporation.

［4］蔣煥新，趙琳.PLC和觸摸屏在包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.輕工機(jī)械，2005(3):95－96.JIANG Huan-xin，ZHAO Lin.The application of PLC ＆ PT to packing machine control system［J］.Light Industry Machinery，2005(3):95 －96.

［5］崔堅(jiān).西門子 S7可編程控制器——STEP7編程指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:4－8.CUI Jian.SIMATIC S7 programmable logic controller——STEP7 programme manual［M］.Beijing:China Machine Press，2007:4 －8.