(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000)

船舶閥門遙控與液位遙測(cè)系統(tǒng)是機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分。隨著船舶自動(dòng)化水平的不斷提高，基于PLC技術(shù)的閥門遙控與液位遙測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在新造船舶中。與此同時(shí)，對(duì)于船舶電氣類及輪機(jī)自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生、船舶建造技術(shù)人員和船員來(lái)說(shuō)，迫切需要迅速掌握系統(tǒng)最新技術(shù)的工作原理和操作流程，以便能更好地完成系統(tǒng)安裝調(diào)試與運(yùn)行維護(hù)等工作任務(wù)。在沒(méi)有實(shí)船艙室背景的實(shí)訓(xùn)室, 研制出體現(xiàn)實(shí)船工作環(huán)境和操作條件的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之需[1]。結(jié)合船舶閥門遙控與液位遙測(cè)系統(tǒng)的具體技術(shù)要求，采用西門子S7-200PLC、威達(dá)RACK工控機(jī)、典型液位測(cè)量傳感器等設(shè)計(jì)船舶閥門遙控與液位遙測(cè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在保證基本使用功能和可靠性的前提下，營(yíng)造一個(gè)盡量逼真的系統(tǒng)工作環(huán)境，為開(kāi)展系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)觀察、故障分析與排除等操作創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

1.1 技術(shù)要求

船舶液位遙測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)船舶各壓載艙、淡水艙液位以及船舶吃水狀態(tài)。系統(tǒng)的主要工作原理是：由安裝在相關(guān)艙室內(nèi)的液位傳感器檢測(cè)液位，送至系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理單元，最終通過(guò)顯示儀表和上位計(jì)算機(jī)的顯示器在甲板工作室等地作以顯示，同時(shí)為相關(guān)液體艙柜管路控制閥的開(kāi)閉操作提供實(shí)時(shí)液位參考信息。該系統(tǒng)一般由液位傳感器、信號(hào)處理單元、顯示單元和操作單元等組成。

閥門遙控系統(tǒng)主要用于船舶壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)及貨油裝卸系統(tǒng)等管路上遙控閥門的開(kāi)閉狀態(tài)監(jiān)視與控制。系統(tǒng)的主要工作原理是：由于被控閥門本身帶有表明其開(kāi)、關(guān)狀態(tài)或中間位置的信息(微動(dòng)開(kāi)關(guān)或閥位指示器)，故可以通過(guò)繼電器、單片機(jī)、PLC或計(jì)算機(jī)監(jiān)控站等采集相應(yīng)系統(tǒng)管路上的遙控閥門的開(kāi)閉狀態(tài)，送至甲板工作室作以顯示和指示；而閥門的開(kāi)閉命令由甲板工作室控制設(shè)備給出，再通過(guò)中間單元送至位于機(jī)艙內(nèi)的遙控閥門控制箱，以控制各閥門動(dòng)作，達(dá)到液體艙柜液位調(diào)控的目的[2-4]。

1.2 總體設(shè)計(jì)細(xì)則

1)整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理與顯示、液位調(diào)節(jié)與控制等核心設(shè)備要使用實(shí)船設(shè)備，既包含最新技術(shù)的實(shí)船系統(tǒng)的基本功能，同時(shí)也要兼顧進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)，為學(xué)員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)觀察、故障分析與排除等操作創(chuàng)造條件。

2)系統(tǒng)所配置的艙室液位檢測(cè)傳感器和液位控制閥門的類型要具有典型性和代表性，數(shù)量以滿足實(shí)訓(xùn)要求、節(jié)約成本為準(zhǔn)，區(qū)別于實(shí)船。

3)液位檢測(cè)、閥門狀態(tài)檢測(cè)由傳感器送入PLC中，而信息顯示則靠PLC與上位機(jī)之間的通訊和顯示器等完成。

4)考慮到實(shí)訓(xùn)室不具備實(shí)船液體艙室的局限性，專門設(shè)置一個(gè)透明可調(diào)液位的容器作為艙液位模擬裝置，各液位檢測(cè)傳感器要安裝在此液體容器中。控制計(jì)算機(jī)、液位控制閥門、液體管路、測(cè)量傳感器等都在同一區(qū)域內(nèi)集中安裝。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

閥門遙控與液位遙測(cè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建在船舶電氣實(shí)訓(xùn)中心。系統(tǒng)由1臺(tái)工控機(jī)、1套PLC裝置、1個(gè)接口轉(zhuǎn)換器、液位開(kāi)關(guān)及液位傳感器若干、1套電動(dòng)蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和1套氣動(dòng)蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 船舶閥門遙控與液位遙測(cè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要工作原理：由IPC通過(guò)RS-232串口通訊連接PLC，對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。PLC的I/O模塊分別輸入液位高低和閥門狀態(tài)信號(hào)、輸出閥門開(kāi)閉命令信號(hào)。在上位機(jī)中用編程軟件編寫(xiě)PLC控制程序，并下載到PLC中運(yùn)行；在上位機(jī)的組態(tài)軟件中進(jìn)行控制和監(jiān)視。包括艙室液位高低動(dòng)態(tài)信號(hào)、閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)、數(shù)量、都可由組態(tài)軟件界面確定。組態(tài)界面做好后，開(kāi)閥、關(guān)閥等控件的控制和動(dòng)作可以直接在組態(tài)界面中很直觀形象地進(jìn)行操作。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備配置

2.2.1 PLC的選型與配置

來(lái)自傳感器的液位信號(hào)和閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息要由PLC 進(jìn)行采集、處理并送往上位機(jī)。本系統(tǒng)采用的PLC為西門子 S7-200系列。具體配置如下。

CPU：CPU224(14點(diǎn)DI，10點(diǎn)DO)；

AI：EM231(4路)；

以太網(wǎng)模塊：CP243-1；

編程軟件：STEP 7-Micro/WIN。

2.2.2 上位機(jī)的選型與配置

系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與PLC通信和監(jiān)控的上位機(jī)選擇威達(dá)工控機(jī)RACK-360，具體配置如下。CPU：Socket-478架構(gòu)，支持Pentium 4/Cerleron，外頻533/800 MHz；系統(tǒng)芯片組：Intel 865G+ICH5；總線：AGP 4X /8X, 1個(gè)10/100 Mbit/s i82562ET以太網(wǎng)；2個(gè)RS-232串口,1個(gè)LPT并口(支持SPP/ECP/EPP模式)8個(gè) USB2.0接口等。

2.2.3 液位測(cè)量傳感器選擇

實(shí)船上壓載水艙、淡水艙、液態(tài)貨艙柜等液位檢測(cè)主要采用浮子開(kāi)關(guān)和模擬量輸出液位傳感器，本系統(tǒng)中配置浮子開(kāi)關(guān)2個(gè)，分別檢測(cè)液位的上限和下限，將之轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量；配置液位傳感器3個(gè)，選取了廣泛應(yīng)用的3種類型。分別是：投入式液位變送器、側(cè)裝式液位變送器和超聲波液位計(jì)。這些液位傳感器適用于液貨艙、壓載艙、燃油艙和其他油水艙的液位測(cè)量，將所測(cè)量的液位信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)，具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性高、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

其中，投入式液位變送器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號(hào)。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性校正，轉(zhuǎn)換成4～20 mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出；超聲波式液位計(jì)則利用液位高低影響發(fā)射與接收超聲波的時(shí)間差的原理來(lái)測(cè)量的。

2.2.4 遙控閥門選擇

選取開(kāi)關(guān)式氣動(dòng)蝶閥和開(kāi)關(guān)式電動(dòng)蝶閥各1個(gè)。氣動(dòng)蝶閥是在氣源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下完成閥門的開(kāi)關(guān)動(dòng)作的，它由2個(gè)兩位三通電磁閥與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套組成，見(jiàn)圖2。

圖2 氣動(dòng)蝶閥驅(qū)動(dòng)原理

在閥門打開(kāi)控制信號(hào)作用下，SV1電磁閥動(dòng)作，壓縮空氣從氣動(dòng)執(zhí)行器的正向管嘴輸入氣動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)，氣體會(huì)推動(dòng)活塞向兩端運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而開(kāi)啟閥門。需要關(guān)閉閥門時(shí)，SV2電磁閥導(dǎo)通，氣源是從反向管嘴進(jìn)入，將活塞推動(dòng)向中間運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥門關(guān)閉。

電動(dòng)蝶閥由電動(dòng)執(zhí)行器和蝶閥組成，電動(dòng)執(zhí)行器為90度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)蝶閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。具備手動(dòng)操作功能，在斷電時(shí)通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)開(kāi)關(guān)蝶閥。

3 系統(tǒng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)功能

1)船舶閥門遙控與液位遙測(cè)系統(tǒng)的組成、分布及其工作原理演示。

2)系統(tǒng)功能及動(dòng)作過(guò)程演示。

3)系統(tǒng)自身故障監(jiān)測(cè)情況動(dòng)態(tài)顯示。

4)系統(tǒng)實(shí)時(shí)液位測(cè)量及閥門遙控的操作過(guò)程訓(xùn)練。

5)在上位機(jī)組態(tài)軟件界面上，進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)與讀數(shù)、閥門開(kāi)閉狀態(tài)顯示、閥門開(kāi)閉操作命令發(fā)送，系統(tǒng)報(bào)警后的消聲、應(yīng)答、復(fù)位等操作訓(xùn)練。

6)上位機(jī)系統(tǒng)軟件及傳感器安裝與調(diào)校操作訓(xùn)練。

7)系統(tǒng)調(diào)試訓(xùn)練。

8)人為設(shè)置傳感器或PLC故障，觀察故障表現(xiàn)形式，進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷及排除訓(xùn)練。

9)編制打印系統(tǒng)運(yùn)行日志、月志、等操作訓(xùn)練。

10)系統(tǒng)軟硬件功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

4 結(jié)論

基于西門子S7-200PLC的船舶閥門遙控與液位遙測(cè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)既體現(xiàn)了現(xiàn)代實(shí)船上該系統(tǒng)最新建構(gòu)方案，同時(shí)又兼顧了系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)功能。該方案已成功用于某學(xué)院船舶機(jī)艙自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，為船舶電氣技術(shù)、輪機(jī)自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)學(xué)生開(kāi)展該系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，該教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用，也為其他船舶電氣教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了可借鑒的思路。

[1] 白 明.“船舶電氣課程設(shè)計(jì)”項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)踐[J].船海工程，2011,40(4):100-102.

[2] 阮礽忠.船舶電氣與自動(dòng)化設(shè)備維修技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

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