蔣向東，魏 偉

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程系，重慶404020;2.中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京100081)

0 引 言

船舶安全報(bào)警系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠保證船舶在安全狀態(tài)下進(jìn)行航行。它可以實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地監(jiān)控船舶上所有機(jī)電設(shè)備以及整艘船舶裝置的運(yùn)行情況與工作參數(shù)，并把監(jiān)控結(jié)果顯示在屏幕上，給船舶駕駛員對(duì)動(dòng)力儀器的實(shí)施和管理給予幫助。如果正在工作的設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，船艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出聲音及光報(bào)警信號(hào)，而且是把報(bào)警信息儲(chǔ)存起來(lái)。近年，由于科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，新建造的船舶自動(dòng)化程度非常高，用于監(jiān)控和報(bào)警的控制系統(tǒng)需要讓報(bào)警信號(hào)傳輸至駕駛艙、乘客船艙及輪機(jī)技術(shù)人員的臥室。所以，船舶艙室監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)不僅減少了輪機(jī)工作人員的工作量，此外還有效幫助改善輪機(jī)管理人員辦事的工作效率。由于科技的不斷進(jìn)步，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶自動(dòng)化的程度有了更苛刻的需求［1］。

目前，國(guó)內(nèi)正在建造或者已經(jīng)建造的船舶里，絕大多數(shù)的船艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)由國(guó)外企業(yè)制造，國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的系統(tǒng)非常少，因此技術(shù)和發(fā)達(dá)國(guó)家有非常大的差距，所以對(duì)船舶安全報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行研究非常有價(jià)值。

1 船舶安全報(bào)警系統(tǒng)組成

船舶安全報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象有許多，然而監(jiān)控對(duì)象的一些特性參數(shù)主要包含有數(shù)字信號(hào)以及模擬物理信號(hào)。數(shù)字量就是有且僅有2 種情況的數(shù)字，一般可以用開關(guān)的通與斷進(jìn)行表示，并且通常以0 與1 進(jìn)行描述。在船舶安全報(bào)警系統(tǒng)里，數(shù)字信號(hào)可以表示機(jī)電儀器的啟動(dòng)與制動(dòng)情況，以及正常工作情況與故障情況。模擬信號(hào)為持續(xù)改變的物理量，此系統(tǒng)里主要包含溫度信號(hào)、液位信號(hào)、壓力信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)等。一旦模擬信號(hào)超過(guò)了檢測(cè)的接線，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)行報(bào)警。此外，系統(tǒng)的供電電源必須能夠持續(xù)供電，一旦主電源發(fā)生故障，就需要運(yùn)行應(yīng)急電源裝置，應(yīng)急電源可以使用蓄電池組串并聯(lián)提供的高壓進(jìn)行逆變，也可以由升壓電路把蓄電池提供的低壓進(jìn)行升壓后再逆變。目前，最常用的應(yīng)急電源由備用發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。

通常情況下，船舶安全報(bào)警系統(tǒng)如圖1所示。其構(gòu)成主要包括用于各種儀器或裝置的傳感器，集中控制室里的關(guān)鍵操控箱以及顯示器，船舶駕駛平臺(tái)、乘客活動(dòng)場(chǎng)所、輪機(jī)長(zhǎng)和輪機(jī)技術(shù)員臥室附屬的遠(yuǎn)程安全報(bào)警系、報(bào)表打印等。整個(gè)系統(tǒng)的控制核心是安全報(bào)警控制器，控制器的性能很大程度上決定了安全報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)速度［2］。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 船舶安全報(bào)警系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of vessels security alarm system

船舶安全報(bào)警系統(tǒng)能夠保證船舶在海上航行時(shí)，不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)事故，保障船舶的安全以及船艙內(nèi)所有工作人員及乘客的人身安全。所以，在設(shè)計(jì)船舶安全系統(tǒng)的硬件時(shí)，硬件系統(tǒng)中各種元器必須嚴(yán)格進(jìn)行選型，保證其運(yùn)行的可靠性。綜合考慮，此系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性，本文選擇性能比較優(yōu)越的西門子PLC，型號(hào)為S7-300 為主控制器，它可以利用傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后進(jìn)行狀況判斷，一旦發(fā)生非正常的情況，就立馬啟動(dòng)報(bào)警。船舶安全報(bào)警裝置的硬件框架如圖2所示。

圖2 硬件框架Fig.2 Hardware framework

硬件系統(tǒng)包括傳感器信號(hào)檢測(cè)層、控制設(shè)備層及人機(jī)交互層3個(gè)層次。傳感器信號(hào)檢測(cè)層的構(gòu)成包括各種傳感器、擴(kuò)散的I/O 接口和本地的I/O 接口等，其主要擔(dān)任檢測(cè)船舶所有監(jiān)控對(duì)象的物理量，本地的I/O 接口可以和傳感器進(jìn)行連接，擴(kuò)散的I/O 接口經(jīng)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)把所有采集到的物理量全部一起傳輸給PLC控制器?？刂圃O(shè)備層由PLC的各種控制模塊構(gòu)成，其擔(dān)任把所有檢測(cè)到的物理量傳輸?shù)街醒胩幚砥鲉卧械娜蝿?wù)，然后中央處理器單元再把傳遞過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行歸類處理，并執(zhí)行存儲(chǔ)操作和報(bào)警任務(wù)。PLC控制器把分析的結(jié)果經(jīng)過(guò)MPI 網(wǎng)絡(luò)傳輸給集中控制平臺(tái)上的顯示器上以及所有遠(yuǎn)程的信息報(bào)警顯示，把可視化的數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給所有操控人員［3］。

模擬傳感器位于船舶安全報(bào)警系統(tǒng)的最底層，擔(dān)任檢測(cè)和監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的各種物理量。因?yàn)榇吧闲枰O(jiān)控的目標(biāo)物理量有很多種，所以就需要很多種模擬傳感器。例如用來(lái)監(jiān)控油溫的溫度傳感器，用來(lái)監(jiān)控冷卻水溫的溫度傳感器，用來(lái)檢測(cè)油壓的壓力傳感器，用來(lái)監(jiān)控主發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子速度和位置的傳感器，以及用來(lái)監(jiān)控飲用水艙液位和液體貨物艙液位的液位傳感器。

PLC的供電電源可以把輸進(jìn)來(lái)的220 V 市電進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換后給其他模塊提供工作電壓。PLC 對(duì)供電電源有很高要求，比如穩(wěn)定的隔離性能、短路預(yù)防性能以及發(fā)生開路后的保護(hù)性能，而且必須既要能夠用作PLC 內(nèi)部的供電模塊，還要能夠給負(fù)載提供電能。CPU 為PLC的中央處理器單元，1個(gè)PLC最少應(yīng)該包含1個(gè)CPU 內(nèi)核。內(nèi)核的主要組成包括計(jì)算中心、控制中心、信息儲(chǔ)存中心、數(shù)據(jù)總線以及控制總線等。一旦內(nèi)核進(jìn)行工作，內(nèi)核按照程序自動(dòng)執(zhí)行監(jiān)控，同時(shí)掃描所有輸入接口，不停地查看相應(yīng)的標(biāo)志位，進(jìn)行對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)信息和通訊中的交換數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，運(yùn)行用戶設(shè)計(jì)的軟件，并把所有輸出寄存器中的狀態(tài)全部進(jìn)行刷新操作，實(shí)施編程器的輸入信號(hào)以及顯示屏的刷新，對(duì)PLC 進(jìn)行自檢等。

PLC的存儲(chǔ)器有2 種，系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放系統(tǒng)程序，用戶存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶程序和運(yùn)行的中間參數(shù)。I/O 接口與傳感器直接相連，并把現(xiàn)場(chǎng)的物理量信息傳遞進(jìn)來(lái)，PLC 把采樣的物理量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換成PLC 可以識(shí)別的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，PLC 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析和處理后，把數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并進(jìn)行輸出。船舶安全報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控需要輸入點(diǎn)數(shù)和輸出點(diǎn)數(shù)和需要的I/O 接口數(shù)量相等，但是PLC 能夠擴(kuò)展的最大I/O 接口數(shù)與PLC本身的資源配置能力相關(guān)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC 中軟件的作用是把船舶上的數(shù)字信號(hào)以及模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后CPU 對(duì)這些物理量進(jìn)行控制，開關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)分開進(jìn)行分析和處理，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并傳輸給PC 機(jī)等上位機(jī)。一旦裝置的工作參數(shù)發(fā)生變化就立即報(bào)警，利用監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)輸出的聲和光來(lái)提醒和故障指示，并且把報(bào)警數(shù)據(jù)在上位機(jī)的界面上顯示出來(lái)。另外，把報(bào)警的信息進(jìn)行歸類并分別傳輸給遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)。軟件開發(fā)使用模塊化的編程思路，把許多功能的子程序放在各個(gè)的功能塊FB和FC 里，然后從組織模塊的OB 里根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的功能塊，采樣到的數(shù)據(jù)和分析處理后的數(shù)據(jù)依照規(guī)定的次序放在PLC的數(shù)據(jù)塊DB 里，軟件系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)Fig.3 Software system

硬件診斷功能可支持快速查看PLC的工作狀態(tài)以及指示各個(gè)模塊有沒(méi)有出現(xiàn)故障，鼠標(biāo)雙擊故障模塊就能夠查看有關(guān)這個(gè)故障的具體情況，比如故障的原因。數(shù)據(jù)采集模塊首先采集的數(shù)字量和模擬量，然后PLC的數(shù)據(jù)處理子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和加工，結(jié)果立馬傳輸給上位機(jī)上的人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示［4］。同時(shí)，報(bào)警處理子程序輸出聲光報(bào)警信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，用戶軟件的測(cè)試步驟如圖4所示。

船舶安全報(bào)警系統(tǒng)的主要職責(zé)是進(jìn)行報(bào)警指示，報(bào)警處理程序流程如圖5所示。首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)程序，主循環(huán)程序不停地判斷是否有報(bào)警申請(qǐng)。一旦有報(bào)警申請(qǐng)后需要繼續(xù)判斷是否已閉鎖，如果確實(shí)已閉鎖，則需要繼續(xù)判斷是否需要延時(shí)。如果需要延時(shí)，則需要繼續(xù)判斷延時(shí)時(shí)間是否到了，如果沒(méi)有到，則需要返回到報(bào)警恢復(fù)操作。如果不需要延時(shí)，下一步是指示燈快速閃爍進(jìn)行報(bào)警，發(fā)出報(bào)警聲，并進(jìn)行分組報(bào)警，同時(shí)把故障打印出來(lái)。接下來(lái)需要檢測(cè)報(bào)警是否消失，如果報(bào)警已消失，則報(bào)警指示燈需要以很慢的頻率進(jìn)行閃爍，然后對(duì)報(bào)警的情況進(jìn)行確認(rèn)，如果不確認(rèn)，程序就一直處于等待狀態(tài)。一旦確認(rèn)報(bào)警之后，就取消之前的報(bào)警指示和分組報(bào)警，恢復(fù)到之前的正常狀態(tài)。如果報(bào)警一直沒(méi)有消失，則需要判斷是否需要報(bào)警。通過(guò)調(diào)用報(bào)警判斷中斷程序來(lái)判斷哪個(gè)故障報(bào)警，同時(shí)把相應(yīng)的報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，直到故障完全消失。當(dāng)故障消失之后，下一步就需要啟動(dòng)故障排除打印。

圖4 用戶軟件的測(cè)試步驟Fig.4 Test procedure of user software

柴油機(jī)油門的控制采用伺服電機(jī)來(lái)控制，從而控制閥門的開啟度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)油門的控制。當(dāng)船舶安全報(bào)警系統(tǒng)遇到報(bào)警信息時(shí)，可以自我修復(fù)并解除報(bào)警。詳細(xì)程序的敘述如下:整個(gè)程序主要包括觸摸屏組態(tài)軟件部分以及PLC的控制軟件部分。觸摸屏組態(tài)程序的主要任務(wù)是對(duì)定位系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而PLC 程序的工作是負(fù)責(zé)采集伺服電機(jī)的編碼器信號(hào)，然后伺服驅(qū)動(dòng)器直接負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的定位控制。采用PLC的方向控制脈沖輸出端口對(duì)伺服控制器的PULS2端口進(jìn)行伺服電機(jī)的方向控制。采用PLC的高速脈沖輸出端口對(duì)伺服控制器的SIGN2 端口進(jìn)行電機(jī)的速度控制，相對(duì)位置的脈沖輸出程序。要對(duì)伺服電機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，首先需要進(jìn)行原點(diǎn)搜索工作，確定原點(diǎn)位置。原點(diǎn)搜索及返回的過(guò)程是首先把原點(diǎn)搜索功能繼電器設(shè)定為1，然后進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，最后啟動(dòng)ORG 原點(diǎn)搜索任務(wù);當(dāng)原點(diǎn)接近信號(hào)功能繼電器置1 時(shí)，代表原點(diǎn)搜索任務(wù)順利完成。把原點(diǎn)返回功能繼電器置1，由軟件自動(dòng)完成原點(diǎn)的返回任務(wù)。系統(tǒng)在斷電情況下，再次啟動(dòng)必須重新執(zhí)行原點(diǎn)搜索任務(wù)。編碼器地址為A272和A273，通過(guò)編碼器的地址可以查看電機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，并顯示在觸摸屏上。

報(bào)警處理程序時(shí)船舶安全報(bào)警裝置的軟件系統(tǒng)的核心部分，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的整體性能。報(bào)警處理的關(guān)鍵是采用最優(yōu)算法，有效縮短了程序的執(zhí)行時(shí)間和系統(tǒng)的工作效率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警后，首先應(yīng)該斷開船舶上相關(guān)的機(jī)電設(shè)備和儀器，然后啟動(dòng)自修復(fù)程序。如果修復(fù)成功，則接觸報(bào)警。如果修復(fù)不成功，需要調(diào)用故障處理程序，一直進(jìn)行相應(yīng)的故障報(bào)警。值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，即使報(bào)警信號(hào)已接觸，也不能立即置位相應(yīng)的功能，必須進(jìn)行一定的時(shí)間延時(shí)，可以大大增強(qiáng)船舶的安全系統(tǒng)性能。此外，程序的調(diào)試基于PLCSIM 模塊進(jìn)行［5］。

圖5 報(bào)警處理程序流程圖Fig.5 Flow chart of alarm processing program

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)的主要模塊是組態(tài)軟件與運(yùn)行軟件，但是WinCC的工程管理器也為組態(tài)軟件的關(guān)鍵，它能夠?qū)φ麄€(gè)工程的信息組態(tài)以及系統(tǒng)的設(shè)置實(shí)施全面掌控。當(dāng)進(jìn)行工程開發(fā)以及項(xiàng)目組態(tài)的時(shí)候，利用WinCC 工程管理器里的所有編輯器來(lái)完成所有工作項(xiàng)。其中，觸摸屏的組態(tài)界面由系統(tǒng)運(yùn)行主界面、伺服電機(jī)的控制界面、當(dāng)前轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)界面、報(bào)警界面以及系統(tǒng)的I/O 端口分配界面。

觸摸屏的型號(hào)選擇為歐姆龍公司的NT631/C。它的主控芯片使用高速的32 位的RISC，并且其內(nèi)存單元可以方便地進(jìn)行圖像傳輸，把現(xiàn)場(chǎng)的信息實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上，并且系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行隨意修改。此外，通過(guò)串口RS232，觸摸屏還可以實(shí)現(xiàn)與PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，便于輪機(jī)長(zhǎng)和軟件技術(shù)人員對(duì)船舶的安全信息進(jìn)行監(jiān)控。

WinCC的圖形編輯器是用來(lái)把各種現(xiàn)場(chǎng)物理量監(jiān)控畫面進(jìn)行組合，當(dāng)設(shè)定好相關(guān)控件的特性以及動(dòng)作后，人機(jī)界面將能夠顯示動(dòng)態(tài)的畫面。船舶安全報(bào)警系統(tǒng)的人機(jī)交互界面需要方便操縱人員操作，清楚并且準(zhǔn)確把現(xiàn)場(chǎng)物理量的狀況顯示出來(lái)，人機(jī)界面中所有對(duì)象的顏色和整體的設(shè)計(jì)風(fēng)格應(yīng)該盡量人性化。

5 結(jié) 語(yǔ)

船舶安全報(bào)警系統(tǒng)是船舶上一個(gè)重要的系統(tǒng)。船舶一般都配備了一套完整的安全報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)保證船舶的安全航行以及船舶上的人員安全具有重要作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，船舶正向著信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展，船舶安全報(bào)警系統(tǒng)各方面的性能指標(biāo)和要求也越來(lái)也高。本文結(jié)合當(dāng)前船舶安全報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，以PLC 為核心控制器設(shè)計(jì)了一套完整的船舶安全報(bào)警系統(tǒng)，可以滿足船舶安全報(bào)警需求。

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