蘇攀，吳杰長(zhǎng)

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

基于PLC的船舶機(jī)艙設(shè)備的雙層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇攀，吳杰長(zhǎng)

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

針對(duì)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)便化和高效費(fèi)比等方面的設(shè)計(jì)要求，利用PLC技術(shù)成熟、配置靈活、編程及調(diào)試方便、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建簡(jiǎn)單等技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于PLC的船舶機(jī)艙設(shè)備雙層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室條件下模擬功能試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能較好滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)要求，具有很好的適用性。

船舶機(jī)艙設(shè)備;PLC;雙層網(wǎng)絡(luò)

目前通常采用單片微控制器等技術(shù)，由研制單位自行設(shè)計(jì)專(zhuān)用監(jiān)控系統(tǒng)的方法，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、調(diào)試及維護(hù)難度大、設(shè)備的互操作性和通用性差，難以適應(yīng)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)便和高效費(fèi)比等方面的設(shè)計(jì)要求。由于PLC及基于PLC的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)手段成熟完善［1-3］，采用基于PLC的船舶機(jī)艙設(shè)備控制系統(tǒng)將具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、安裝調(diào)試及維護(hù)方便、組網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到施耐德PLC技術(shù)和產(chǎn)品的優(yōu)良特性，以施耐德Modicon M340 PLC控制器為核心，設(shè)計(jì)配置雙層網(wǎng)絡(luò)的船舶機(jī)艙設(shè)備控制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)考核。

1 網(wǎng)絡(luò)化硬件系統(tǒng)構(gòu)建

1．1 監(jiān)控對(duì)象概述及雙層網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)代船舶需要集中監(jiān)控的機(jī)艙設(shè)備、裝置及系統(tǒng)包括:主機(jī)及輔助系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)、各類(lèi)泵組、液壓及通風(fēng)機(jī)械、損害管制設(shè)備和系統(tǒng)等，安裝分布于主機(jī)艙、輔機(jī)艙、軸系艙等多個(gè)艙室，涉及溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速等多類(lèi)監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)。這些被監(jiān)測(cè)量不僅數(shù)量眾多，而且控制要求不盡相同［4-6］。基于高性能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅可確保機(jī)艙控制系統(tǒng)對(duì)惡劣工作環(huán)境和各種干擾的適應(yīng)性，而且還能夠保證各類(lèi)信號(hào)高速準(zhǔn)確地傳輸。

為實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù)，根據(jù)Modicon M340 PLC的技術(shù)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中采用以太網(wǎng)和Modbus總線(xiàn)雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式。考慮到信息處理量相對(duì)較大，上位機(jī)監(jiān)控操作和信息管理站與PLC控制設(shè)備之間采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng);PLC控制設(shè)備和觸控屏設(shè)備之間通過(guò)Modbus總線(xiàn)構(gòu)建底層通訊網(wǎng)絡(luò)。按此思路設(shè)計(jì)雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 雙層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1中，駕控和集中信息管理站基于加固微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，一方面具有通常監(jiān)控功能，同時(shí)便于應(yīng)用基于微機(jī)的豐富軟件資源開(kāi)發(fā)船舶機(jī)艙設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷，以及健康預(yù)測(cè)等功能，并提供與岸基遠(yuǎn)程支持平臺(tái)的信號(hào)交互接口，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展;基于PLC觸控屏的集中監(jiān)控站位于機(jī)艙集中控制室，用于全面實(shí)現(xiàn)機(jī)艙設(shè)備的監(jiān)測(cè)報(bào)警、自動(dòng)控制和安全保護(hù)等功能。系統(tǒng)正常工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備采集的參數(shù)信號(hào)經(jīng)PLC控制站處理后傳輸至上層網(wǎng)絡(luò)，操作人員根據(jù)人機(jī)界面上顯示的數(shù)據(jù)信息發(fā)出控制指令、或由系統(tǒng)自動(dòng)給出控制指令，經(jīng)PLC控制站處理轉(zhuǎn)發(fā)后，最終由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成終端設(shè)備控制動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制、調(diào)度、監(jiān)測(cè)和管理功能。為了防止網(wǎng)絡(luò)通信故障導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)控功能失效，將PLC到上位機(jī)的管理網(wǎng)配置為冗余網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

1．2 控制系統(tǒng)硬件配置

為滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的高可靠性要求，保證整個(gè)系統(tǒng)不間斷工作，PLC控制站選用2套配置完全相同的PLC主機(jī)和冗余處理模塊構(gòu)成冗余熱備控制系統(tǒng)。其中一塊為主控制器，另外一塊作為備用控制器。

當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障時(shí)，冗余處理模塊迅速將控制功能切換到備用控制器，該過(guò)程的切換時(shí)間不超過(guò)PLC的一個(gè)掃描周期。熱備切換時(shí)，以太網(wǎng)地址自動(dòng)切換，對(duì)上位機(jī)無(wú)任何影響;Modbus地址自動(dòng)切換，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表無(wú)任何干擾。所有數(shù)據(jù)交換在一個(gè)掃描周期內(nèi)完成，確保所有命令同步操作，冗余控制器從中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行，不會(huì)丟失任何信號(hào)。

基于PLC的船舶機(jī)艙設(shè)備雙層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作的核心是PLC控制站，根據(jù)機(jī)艙設(shè)備一般所涉及的溫度、壓力、流量、液位、以及開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入/輸出處理要求，通過(guò)Modicon系列模塊優(yōu)化選型，配置PLC控制站見(jiàn)圖2。

圖2 PLC控制配置示意

圖2中，CPU模塊實(shí)現(xiàn)各類(lèi)信號(hào)的甄別和定值處理等功能，以及保證PLC控制站通過(guò)以太網(wǎng)完成與信息管理站的數(shù)據(jù)交換;Modbus通信模塊實(shí)現(xiàn)Modbus總線(xiàn)的通信連接，保證PLC與集中監(jiān)控站之間的網(wǎng)絡(luò)通信;繼電輸出模塊分別向各個(gè)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制信號(hào)，故障時(shí)向報(bào)警裝置輸出報(bào)警信號(hào)。

2 網(wǎng)絡(luò)通信及HMI程序設(shè)計(jì)

2．1 Modbus總線(xiàn)及以太網(wǎng)通信

船舶機(jī)艙雙層網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的通訊任務(wù)主要涉及Modbus總線(xiàn)和以太網(wǎng)通信兩大部分內(nèi)容，通信功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)配置和通信程序。Modbus總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中使用主從技術(shù)，上位機(jī)與下位機(jī)的通信只能由上位機(jī)發(fā)起［7-9］。當(dāng)用戶(hù)執(zhí)行某個(gè)命令時(shí)，調(diào)用命令處理程序，形成Modbus協(xié)議幀格式，通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)發(fā)送出去后即啟動(dòng)定時(shí)器等待下位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)。Modbus通信程序的編程過(guò)程可描述為①對(duì)Modbus通信端口的參數(shù)如設(shè)備地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置;②根據(jù)實(shí)際功能要求編寫(xiě)Modbus通信程序代碼，Modbus協(xié)議下的串行通信需調(diào)用特定的通信功能塊才能完成，本設(shè)計(jì)中Modicon M340 PLC通信程序中的收、發(fā)數(shù)據(jù)的基本ST語(yǔ)句如下。

對(duì)以太網(wǎng)通信而言，為了實(shí)現(xiàn)高通信效率采用全雙工并行的通信模式，允許站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。Ethernet網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)過(guò)程可描述為①對(duì)CPU模塊的以太網(wǎng)端口進(jìn)行初始化，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址等參數(shù);②配置以太網(wǎng)通訊的I/O掃描服務(wù)，該服務(wù)能夠確保CPU定期從掃描設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入掃描設(shè)備;③編寫(xiě)以太網(wǎng)通信的相關(guān)程序，并建立網(wǎng)絡(luò)與模塊之間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)用程序與模塊之間各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)交換方式見(jiàn)圖3。

2．2 觸控屏與控制器通信及HMI程序

圖1中集控站基于觸控屏及其通信技術(shù)而實(shí)現(xiàn)，其人機(jī)交互界面(HMI)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)在施耐德Vijeo-Designer軟件平臺(tái)下實(shí)施。Vijeo-Designer的通信系統(tǒng)可以將不同制造商的不同類(lèi)型、不同型號(hào)的多個(gè)設(shè)備連接到一個(gè)目標(biāo)機(jī)器，在創(chuàng)建的觸控屏的工程內(nèi)簡(jiǎn)單地添加各種驅(qū)動(dòng)程序即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信［10］。系統(tǒng)中實(shí)際的硬件連接是將觸控屏與要通信的PLC模塊的以太網(wǎng)端口進(jìn)行連接，在程序中添加驅(qū)動(dòng)程序并在項(xiàng)目程序中進(jìn)行與通信相關(guān)的編程，從而實(shí)現(xiàn)觸控屏與控制器之間的通訊。

圖3 應(yīng)用程序與模塊之間的數(shù)據(jù)交換方式

HMI程序參照船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)軟件的功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，用以監(jiān)控推進(jìn)裝置、輔助機(jī)械、船舶電站等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的基本功能有:實(shí)時(shí)監(jiān)控、過(guò)程控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、在線(xiàn)組態(tài)和報(bào)警及狀態(tài)顯示。在HMI程序的編程設(shè)計(jì)中，利用PLC的內(nèi)部寄存器創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，將人機(jī)界面的各種圖案符號(hào)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量連接，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可以通過(guò)人機(jī)界面的仿真開(kāi)關(guān)向PLC發(fā)出控制指令。所設(shè)計(jì)的觸控屏HMI典型界面(液壓裝置監(jiān)控界面)見(jiàn)圖4。

圖4 液壓裝置監(jiān)控界面

3 功能調(diào)試試驗(yàn)

由于在實(shí)驗(yàn)室條件下無(wú)法完整構(gòu)建實(shí)際監(jiān)控對(duì)象，采用硬件在環(huán)仿真方法對(duì)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行功能模擬試驗(yàn)，即采用仿真微機(jī)+ I/O模塊的方法模擬監(jiān)控對(duì)象、由實(shí)時(shí)仿真模型提供圖2中與PLC模塊交互的機(jī)艙設(shè)備參數(shù)、信號(hào)?？紤]主要研究基于PLC控制器及雙層網(wǎng)絡(luò)控制問(wèn)題，試驗(yàn)中以網(wǎng)絡(luò)通信功能、PLC控制器冗余切換過(guò)程為考察重點(diǎn)，試驗(yàn)方法及結(jié)果如下。

1)系統(tǒng)正常監(jiān)控功能試驗(yàn)。仿真微機(jī)接收系統(tǒng)控制站觸控屏控制指令信號(hào)準(zhǔn)確，軟件界面監(jiān)測(cè)顯示參數(shù)和信號(hào)與實(shí)驗(yàn)仿真微機(jī)接收指令后模型運(yùn)行參數(shù)、信號(hào)一致。

2)報(bào)警和安全保護(hù)功能試驗(yàn)。在仿真微機(jī)中模擬設(shè)備一般性和需安全保護(hù)的故障，控制系統(tǒng)中PLC控制器實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警和安全保護(hù)信號(hào)、指令，報(bào)警及安全保護(hù)功能正常。

3)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、實(shí)時(shí)性試驗(yàn)。仿真微機(jī)中同時(shí)設(shè)置多設(shè)備、復(fù)雜變工況環(huán)境，模擬生成可預(yù)計(jì)范圍內(nèi)、最大量實(shí)時(shí)變參數(shù)信號(hào)，觀(guān)察控制系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)信號(hào)響應(yīng)情況，數(shù)據(jù)最大延時(shí)約350 ms。

4)PLC冗余控制器切換過(guò)程試驗(yàn)。人為設(shè)置主控制器故障，控制系統(tǒng)切換過(guò)程無(wú)錯(cuò)亂、監(jiān)控信號(hào)自動(dòng)保持切換時(shí)實(shí)際狀態(tài)，切換后系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)無(wú)丟失。

4 結(jié)論

采用基于PLC的船舶機(jī)艙設(shè)備控制系統(tǒng)雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù)工作，且可建立可靠、穩(wěn)定的冗余網(wǎng)絡(luò)通信，具有配置靈活簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和可擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)，在船舶機(jī)艙設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控、管理領(lǐng)域具有良好的適應(yīng)性。系統(tǒng)中使用冗余熱備器件，可靠性得到很大提高，但如何優(yōu)化主從控制器同步數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、減輕PLC程序掃描負(fù)擔(dān)，仍有待做更深入研究。

［1］周建清.PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］周俊濤，余刃.基于PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)研究［J］.船海工程，2008，1 (37):117-121.

［3］蘇慶均，秦展田.基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.裝備制造技術(shù)，2009，11(2):54-58.

［4］梁國(guó)彬，基于PLC控制的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其軟件實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化博覽，2008(7):84-86.

［5］彭成吉，何文雪，劉赫.基于PLC的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的改進(jìn)方案［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27 (4):38-42.

［6］WANG Hongzhi.The design of marine engine room monitoring and controlling system［C］∥Asia Navigation Conference 2007，Japan，2007.

［7］鄭阿奇.施耐德PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［8］畢海婷，任大偉.MODBUS總線(xiàn)PLC冷庫(kù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(1):101-105.

［9］陳小賓.基于Modbus協(xié)議的PLC與DCS系統(tǒng)集成的研究和實(shí)現(xiàn)［J］.科技信息.2008(21):403-407.

［10］王兆宇.施耐德PLC變頻器觸摸屏綜合應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.

Design of the Double-network Controlling System for Marine Engine-room Equipment Based on PLC

SU Pan，WU Jie-chang
(College of Power and Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

According to the design requirements of monitoring and controlling system for the marine engine room such as modularization，networking，simplification of debugging and maintenance，and high effectiveness/cost，the technical features of PLC as mature technology，flexible configure，easy programming and debugging and simple network-building are made full used to design the double-network controlling system for the marine engine-room equipment based on PLC.The experiment of function debugging proves that the system can meet relational requirements well，and has excellent applicability.

marine engine-room equipment;PLC;double-network

U663.8

A

1671-7953(2015)02-00104-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.027

2014-09-20

修回日期:2014-09-28

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

蘇攀(1990-)，男，碩士生

研究方向:艦船動(dòng)力裝置自動(dòng)化與仿真技術(shù)

E-mail:243923527@qq.com