蘇攀，吳杰長

(海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

基于PLC的船舶機艙設備的雙層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計

蘇攀，吳杰長

(海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

針對船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)模塊化、網(wǎng)絡化、調(diào)試維護簡便化和高效費比等方面的設計要求，利用PLC技術成熟、配置靈活、編程及調(diào)試方便、網(wǎng)絡構建簡單等技術特點，設計基于PLC的船舶機艙設備雙層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。實驗室條件下模擬功能試驗表明，該系統(tǒng)能較好滿足相關設計要求，具有很好的適用性。

船舶機艙設備;PLC;雙層網(wǎng)絡

目前通常采用單片微控制器等技術，由研制單位自行設計專用監(jiān)控系統(tǒng)的方法，整個系統(tǒng)的設計過程開發(fā)周期長、成本高、調(diào)試及維護難度大、設備的互操作性和通用性差，難以適應船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)模塊化、網(wǎng)絡化、調(diào)試維護簡便和高效費比等方面的設計要求。由于PLC及基于PLC的網(wǎng)絡通信技術的快速發(fā)展，開發(fā)手段成熟完善［1-3］，采用基于PLC的船舶機艙設備控制系統(tǒng)將具有可靠性高、抗干擾能力強、實時性好、安裝調(diào)試及維護方便、組網(wǎng)成本低等優(yōu)點?？紤]到施耐德PLC技術和產(chǎn)品的優(yōu)良特性，以施耐德Modicon M340 PLC控制器為核心，設計配置雙層網(wǎng)絡的船舶機艙設備控制系統(tǒng)，在實驗室條件下進行試驗考核。

1 網(wǎng)絡化硬件系統(tǒng)構建

1．1 監(jiān)控對象概述及雙層網(wǎng)絡總體設計

現(xiàn)代船舶需要集中監(jiān)控的機艙設備、裝置及系統(tǒng)包括:主機及輔助系統(tǒng)、發(fā)電機組、空壓機、各類泵組、液壓及通風機械、損害管制設備和系統(tǒng)等，安裝分布于主機艙、輔機艙、軸系艙等多個艙室，涉及溫度、壓力、流量、液位、轉速等多類監(jiān)測和控制信號。這些被監(jiān)測量不僅數(shù)量眾多，而且控制要求不盡相同［4-6］。基于高性能的網(wǎng)絡架構不僅可確保機艙控制系統(tǒng)對惡劣工作環(huán)境和各種干擾的適應性，而且還能夠保證各類信號高速準確地傳輸。

為實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理，簡化控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護，根據(jù)Modicon M340 PLC的技術特點，在設計中采用以太網(wǎng)和Modbus總線雙層網(wǎng)絡架構形式。考慮到信息處理量相對較大，上位機監(jiān)控操作和信息管理站與PLC控制設備之間采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng);PLC控制設備和觸控屏設備之間通過Modbus總線構建底層通訊網(wǎng)絡。按此思路設計雙層網(wǎng)絡結構見圖1。

圖1 雙層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)總體架構

圖1中，駕控和集中信息管理站基于加固微機技術實現(xiàn)，一方面具有通常監(jiān)控功能，同時便于應用基于微機的豐富軟件資源開發(fā)船舶機艙設備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷，以及健康預測等功能，并提供與岸基遠程支持平臺的信號交互接口，實現(xiàn)功能擴展;基于PLC觸控屏的集中監(jiān)控站位于機艙集中控制室，用于全面實現(xiàn)機艙設備的監(jiān)測報警、自動控制和安全保護等功能。系統(tǒng)正常工作時，現(xiàn)場傳感設備采集的參數(shù)信號經(jīng)PLC控制站處理后傳輸至上層網(wǎng)絡，操作人員根據(jù)人機界面上顯示的數(shù)據(jù)信息發(fā)出控制指令、或由系統(tǒng)自動給出控制指令，經(jīng)PLC控制站處理轉發(fā)后，最終由現(xiàn)場設備執(zhí)行機構完成終端設備控制動作，從而實現(xiàn)船舶機艙設備網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的控制、調(diào)度、監(jiān)測和管理功能。為了防止網(wǎng)絡通信故障導致系統(tǒng)監(jiān)控功能失效，將PLC到上位機的管理網(wǎng)配置為冗余網(wǎng)絡，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

1．2 控制系統(tǒng)硬件配置

為滿足控制系統(tǒng)的高可靠性要求，保證整個系統(tǒng)不間斷工作，PLC控制站選用2套配置完全相同的PLC主機和冗余處理模塊構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。

當主控制器出現(xiàn)故障時，冗余處理模塊迅速將控制功能切換到備用控制器，該過程的切換時間不超過PLC的一個掃描周期。熱備切換時，以太網(wǎng)地址自動切換，對上位機無任何影響;Modbus地址自動切換，對現(xiàn)場設備和儀表無任何干擾。所有數(shù)據(jù)交換在一個掃描周期內(nèi)完成，確保所有命令同步操作，冗余控制器從中斷點繼續(xù)執(zhí)行，不會丟失任何信號。

基于PLC的船舶機艙設備雙層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)工作的核心是PLC控制站，根據(jù)機艙設備一般所涉及的溫度、壓力、流量、液位、以及開關量信號輸入/輸出處理要求，通過Modicon系列模塊優(yōu)化選型，配置PLC控制站見圖2。

圖2 PLC控制配置示意

圖2中，CPU模塊實現(xiàn)各類信號的甄別和定值處理等功能，以及保證PLC控制站通過以太網(wǎng)完成與信息管理站的數(shù)據(jù)交換;Modbus通信模塊實現(xiàn)Modbus總線的通信連接，保證PLC與集中監(jiān)控站之間的網(wǎng)絡通信;繼電輸出模塊分別向各個設備的執(zhí)行機構提供控制信號，故障時向報警裝置輸出報警信號。

2 網(wǎng)絡通信及HMI程序設計

2．1 Modbus總線及以太網(wǎng)通信

船舶機艙雙層網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)的通訊任務主要涉及Modbus總線和以太網(wǎng)通信兩大部分內(nèi)容，通信功能的實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡配置和通信程序。Modbus總線網(wǎng)絡通信中使用主從技術，上位機與下位機的通信只能由上位機發(fā)起［7-9］。當用戶執(zhí)行某個命令時，調(diào)用命令處理程序，形成Modbus協(xié)議幀格式，通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)發(fā)送出去后即啟動定時器等待下位機返回數(shù)據(jù)。Modbus通信程序的編程過程可描述為①對Modbus通信端口的參數(shù)如設備地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗進行設置;②根據(jù)實際功能要求編寫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，本設計中Modicon M340 PLC通信程序中的收、發(fā)數(shù)據(jù)的基本ST語句如下。

對以太網(wǎng)通信而言，為了實現(xiàn)高通信效率采用全雙工并行的通信模式，允許站點同時發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。Ethernet網(wǎng)絡通信的設計過程可描述為①對CPU模塊的以太網(wǎng)端口進行初始化，設置網(wǎng)絡的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關地址等參數(shù);②配置以太網(wǎng)通訊的I/O掃描服務，該服務能夠確保CPU定期從掃描設備中讀取數(shù)據(jù)，或將數(shù)據(jù)寫入掃描設備;③編寫以太網(wǎng)通信的相關程序，并建立網(wǎng)絡與模塊之間的關聯(lián)，應用程序與模塊之間各種類型的數(shù)據(jù)交換方式見圖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而實現(xiàn)，其人機交互界面(HMI)組態(tài)軟件開發(fā)在施耐德Vijeo-Designer軟件平臺下實施。Vijeo-Designer的通信系統(tǒng)可以將不同制造商的不同類型、不同型號的多個設備連接到一個目標機器，在創(chuàng)建的觸控屏的工程內(nèi)簡單地添加各種驅動程序即可實現(xiàn)網(wǎng)絡通信［10］。系統(tǒng)中實際的硬件連接是將觸控屏與要通信的PLC模塊的以太網(wǎng)端口進行連接，在程序中添加驅動程序并在項目程序中進行與通信相關的編程，從而實現(xiàn)觸控屏與控制器之間的通訊。

圖3 應用程序與模塊之間的數(shù)據(jù)交換方式

HMI程序參照船舶機艙自動化系統(tǒng)軟件的功能要求進行設計，用以監(jiān)控推進裝置、輔助機械、船舶電站等設備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)的基本功能有:實時監(jiān)控、過程控制、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)記錄、在線組態(tài)和報警及狀態(tài)顯示。在HMI程序的編程設計中，利用PLC的內(nèi)部寄存器創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫，將人機界面的各種圖案符號與實時數(shù)據(jù)庫中的變量連接，即可實時監(jiān)測各設備的運行狀態(tài)，同時也可以通過人機界面的仿真開關向PLC發(fā)出控制指令。所設計的觸控屏HMI典型界面(液壓裝置監(jiān)控界面)見圖4。

圖4 液壓裝置監(jiān)控界面

3 功能調(diào)試試驗

由于在實驗室條件下無法完整構建實際監(jiān)控對象，采用硬件在環(huán)仿真方法對所構建的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)進行功能模擬試驗，即采用仿真微機+ I/O模塊的方法模擬監(jiān)控對象、由實時仿真模型提供圖2中與PLC模塊交互的機艙設備參數(shù)、信號?？紤]主要研究基于PLC控制器及雙層網(wǎng)絡控制問題，試驗中以網(wǎng)絡通信功能、PLC控制器冗余切換過程為考察重點，試驗方法及結果如下。

1)系統(tǒng)正常監(jiān)控功能試驗。仿真微機接收系統(tǒng)控制站觸控屏控制指令信號準確，軟件界面監(jiān)測顯示參數(shù)和信號與實驗仿真微機接收指令后模型運行參數(shù)、信號一致。

2)報警和安全保護功能試驗。在仿真微機中模擬設備一般性和需安全保護的故障，控制系統(tǒng)中PLC控制器實時發(fā)出報警和安全保護信號、指令，報警及安全保護功能正常。

3)網(wǎng)絡時延、實時性試驗。仿真微機中同時設置多設備、復雜變工況環(huán)境，模擬生成可預計范圍內(nèi)、最大量實時變參數(shù)信號，觀察控制系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)信號響應情況，數(shù)據(jù)最大延時約350 ms。

4)PLC冗余控制器切換過程試驗。人為設置主控制器故障，控制系統(tǒng)切換過程無錯亂、監(jiān)控信號自動保持切換時實際狀態(tài)，切換后系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)無丟失。

4 結論

采用基于PLC的船舶機艙設備控制系統(tǒng)雙層網(wǎng)絡結構極大簡化了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護工作，且可建立可靠、穩(wěn)定的冗余網(wǎng)絡通信，具有配置靈活簡單、成本低、可靠性高、抗干擾能力強和可擴充性好等優(yōu)點，在船舶機艙設備自動化監(jiān)控、管理領域具有良好的適應性。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)結構、減輕PLC程序掃描負擔，仍有待做更深入研究。

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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

國家部委基金資助項目

蘇攀(1990-)，男，碩士生

研究方向:艦船動力裝置自動化與仿真技術

E-mail:243923527@qq.com