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        基于PLC和MCGS的船舶側(cè)推監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2016-03-03 05:28:35欒榮華崔守娟

        欒榮華 崔守娟

        摘要:文章根據(jù)船舶側(cè)推器控制的發(fā)展要求,設(shè)計(jì)一套以PLC為控制器的側(cè)推控制系統(tǒng),利用PLC技術(shù)對(duì)過(guò)程中最重要的螺距和負(fù)荷功能進(jìn)行就地和遠(yuǎn)程控制,結(jié)合MCGS組態(tài)軟件來(lái)對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)推器不同工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史查詢,并能及時(shí)做出調(diào)整,從而提高系統(tǒng)的操控性和可靠性。

        關(guān)鍵詞:船舶設(shè)計(jì);側(cè)推器;PLC;MCGS;側(cè)推監(jiān)控系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        中圖分類號(hào):TP277 文章編號(hào):1009-2374(2015)36-0009-03 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.004

        側(cè)推器(side thruster)也叫橫向舵,安裝有側(cè)推器的船舶在進(jìn)行港內(nèi)操縱時(shí),如靠離泊和避碰,可以用側(cè)推器使船舶在較低船速情況下方便地轉(zhuǎn)頭或產(chǎn)生橫向位移。同時(shí),在拋起錨作業(yè)時(shí)可用其來(lái)方便地控向。鑒于側(cè)推器較大的優(yōu)越性以及在船舶建設(shè)中的重要地位,側(cè)推控制技術(shù)無(wú)疑也是當(dāng)下船舶自動(dòng)化研究的重點(diǎn),近年來(lái)得到了快速發(fā)展并顯現(xiàn)出無(wú)限的生命力。近十年來(lái),隨著船舶業(yè)的發(fā)展,側(cè)推器及其控制技術(shù)也有了較快發(fā)展,PLC控制技術(shù)己逐步應(yīng)用到側(cè)推器中,很多公司所設(shè)計(jì)的側(cè)推器雖然已能夠滿足客戶的基本需求,但是對(duì)于側(cè)推系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方面做得還不夠完善。

        本文通過(guò)N:N鏈接通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)主、從站PLC的遠(yuǎn)程通信,達(dá)到安全可靠的遠(yuǎn)程控制效果,并采用MCGS組態(tài)軟件來(lái)對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺距的實(shí)時(shí)控制、監(jiān)控,并及時(shí)做出調(diào)整以達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

        1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要功能

        1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        側(cè)推監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下部分組成:電源、本地控制站(機(jī)旁控制站)、遙控系統(tǒng)、MCGS觸摸屏、安全系統(tǒng)等。本系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)控制技術(shù)為核心單元,引入N:N鏈接通信技術(shù),通過(guò)RS-485BD通信模塊達(dá)到主站PLC與從站PLC通信的要求,進(jìn)行信息的互相交換,對(duì)側(cè)推器實(shí)現(xiàn)遙控控制,對(duì)整個(gè)側(cè)推器采用集中控制方式,包括螺距、負(fù)荷及指示各個(gè)系統(tǒng);基于MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面,設(shè)計(jì)可視化程度更高的人機(jī)界面,提高其控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性,方便用戶進(jìn)行操作。

        1.2 系統(tǒng)的部分主要功能

        1.2.1 螺距控制。側(cè)推器控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)控制側(cè)推器螺距以實(shí)現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退、停止和變速等要求。操縱控制桿或手柄,將位置信號(hào)傳遞到控制單元PLC并經(jīng)過(guò)比較進(jìn)行處理和控制。

        1.2.2 負(fù)荷控制。主機(jī)的負(fù)荷取決于主機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油量,轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)機(jī)旁的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得,噴油量信號(hào)由燃油泵的負(fù)荷控制。

        1.2.3 螺距指示。螺距指示系統(tǒng)用于實(shí)際螺距的連續(xù)指示。該系統(tǒng)有一個(gè)單獨(dú)的螺距反饋傳感器,反饋信號(hào)送到控制單元PLC經(jīng)過(guò)處理,然后輸出到螺距表或是觸摸屏。

        1.2.4 備用螺距控制。備用螺距控制獨(dú)立于主控系統(tǒng),當(dāng)主控系統(tǒng)螺距控制失效時(shí),操縱人員啟用備用螺距控制,可以通過(guò)左舷或右舷按鈕直接驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行變螺距操作,此時(shí)螺距反饋不參與控制過(guò)程,僅用于指示當(dāng)前螺距角位置。

        2 控制器的選擇與確定

        本系統(tǒng)控制器采用由具有現(xiàn)場(chǎng)總線的可編程控制器PLC,其特點(diǎn)為可靠性高、體積小、功能強(qiáng)、集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、通用性好、模塊化程度高等,具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性,檢修及備件更換升級(jí)方便迅捷。采用日本三菱公司的FX系列一體化可編程控制PLC,型號(hào)FX2N48+3A。PLC配置BD485協(xié)議模塊、串行通訊模塊、AD模塊和DA模塊等,使得應(yīng)用中外圍電路簡(jiǎn)單化,減少了擴(kuò)展部分器件,減少了功率消耗,具有很高的可靠性。同時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化器件,使得備件供給全球化。

        開(kāi)關(guān)量的輸入輸出都采取隔離技術(shù),并盡可能使用模塊外部主24V電源,減少內(nèi)部功率消耗,減少了開(kāi)關(guān)量對(duì)模塊的干擾。

        對(duì)接線端口采用了比較多的保護(hù)技術(shù),減少因接線錯(cuò)誤、靜電、強(qiáng)感應(yīng)脈沖等對(duì)模塊造成的損壞。內(nèi)部采用了多種屏蔽技術(shù),提高系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。

        取消了模塊內(nèi)部模擬量調(diào)節(jié)電位器,通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)調(diào)節(jié)模擬量的輸入輸出,消除了因電位器的漂移而產(chǎn)生的不良影響。

        提供了比較多的端口,以便實(shí)際使用中的擴(kuò)展,同時(shí)減少模塊的種類,提高其通用性,通過(guò)內(nèi)置控制軟件的更改來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能要求,并使每一種應(yīng)用都有端口可供備用,既提高了可靠性,又提供了靈活性。

        控制器分別為駕駛室PLC和側(cè)推艙P(yáng)LC。

        2.1 駕駛室PLC

        主要負(fù)責(zé)駕駛室控制面板/兩翼控制臺(tái)或后控制面板指令的采集、處理、發(fā)送,并處理顯示報(bào)警信息。同時(shí),具有與MCGS的接口能力,通過(guò)串行通訊,將側(cè)推器的信息傳送到觸摸屏上,并根據(jù)PLC處理情況進(jìn)行反饋操作。

        2.2 側(cè)推器艙P(yáng)LC

        負(fù)責(zé)螺距控制計(jì)算及反饋信號(hào)的處理;負(fù)責(zé)相關(guān)電機(jī)啟停控制和采集電機(jī)負(fù)荷信號(hào);負(fù)責(zé)側(cè)推裝置報(bào)警信號(hào)的采集。

        2.3 PLC之間通信

        駕駛室PLC與側(cè)推器艙P(yáng)LC之間的通信,采用N:N鏈接通信技術(shù),通過(guò)RS-485BD通信模塊達(dá)到主站PLC與從站PLC通信的要求??偩€的使用極大限度地減少了銅質(zhì)電纜的使用。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況的分析,結(jié)合側(cè)推器的工作原理,創(chuàng)新性地提出側(cè)推器軟件設(shè)計(jì)方案。將N:N鏈接通信技術(shù)通過(guò)FX2N-485BD通信模塊應(yīng)用于控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)側(cè)推裝置主站PLC與從站PLC之間的遠(yuǎn)程通信,并通過(guò)FX2N-232BD實(shí)現(xiàn)主站PLC與觸摸屏之間的通信,方便操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控,同時(shí)提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;MCGS組態(tài)軟件的應(yīng)用通過(guò)RS-485通信方式,將從站PLC中的所有現(xiàn)場(chǎng)信息反饋至人機(jī)界面上,根據(jù)反饋的信息執(zhí)行相應(yīng)的控制、顯示和查詢,完成信息互換,從而實(shí)現(xiàn)側(cè)推裝置的自動(dòng)化控制。

        在上位機(jī)和下位機(jī)的通信模塊間要接入一個(gè)電平轉(zhuǎn)換設(shè)備,因?yàn)镻C機(jī)的串口是RS-232電平,而下位機(jī)是RS-485電平將RS-232電平轉(zhuǎn)換到RS-485電平,方可進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

        由于RS-485BD通信距離大約為500m左右,故主站PLC大約能實(shí)現(xiàn)500m的遠(yuǎn)程控制距離,實(shí)現(xiàn)側(cè)推裝置風(fēng)機(jī)馬達(dá)、液壓馬達(dá)、主電機(jī)等設(shè)備運(yùn)行控制和主電機(jī)起動(dòng)失敗、主電機(jī)過(guò)載、主電動(dòng)機(jī)繞組高溫、液壓系統(tǒng)低壓、液壓油泵過(guò)載等控制量在人機(jī)界面上顯示。從站PLC控制左和右螺距輸出(電磁閥驅(qū)動(dòng))、驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)和停止、液壓電機(jī)啟動(dòng)和停止、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停止等。

        3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

        船舶側(cè)推裝置的控制系統(tǒng)是在三菱PLC編程軟件GX Developer 7.08版編寫(xiě)。GX Developer是三菱通用性較強(qiáng)的編程軟件,它能夠完成Q系列、QnA系列、A系列(包括運(yùn)動(dòng)控制CPU)、FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。

        由三菱GX Developer 7.08編寫(xiě)的系統(tǒng)程序通常包含梯形圖和SFC兩大塊程序,其中梯形圖程序中一般包含系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、聯(lián)鎖和N:N通信的程序,例如本系統(tǒng)中除了包含上述的一般功能,還可以有急停、繼續(xù)運(yùn)行、斷電保持以及和觸摸屏的部分關(guān)聯(lián)信息的處理,如密碼鍵入、比較、跳轉(zhuǎn)等功能處理。而SFC塊基本是包含的機(jī)旁和遙控的程序流程。

        3.1.1 N:N鏈接通信技術(shù)。N:N鏈接通信協(xié)議用于最多8臺(tái)FX系列PLC之間的自動(dòng)數(shù)據(jù)交換,可以設(shè)定其中一臺(tái)為主機(jī),其余為從機(jī)。該通信技術(shù)必須使用FX2N-485BD模塊,F(xiàn)X2N-485BD是用于RS-485通信的特殊功能板,可連接FX2N系列PLC。N:N的鏈接示意圖如圖2所示:

        PLC系統(tǒng)程序中的通信程序,把公共數(shù)據(jù)區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到通信接口上,并且把通信接口上接收到的數(shù)據(jù)放入公共數(shù)據(jù)區(qū)的接收區(qū)中。用戶應(yīng)用程序中,只需編寫(xiě)把發(fā)送的數(shù)據(jù)送入公共數(shù)據(jù)區(qū)的發(fā)送區(qū)和從公共數(shù)據(jù)區(qū)的接收區(qū)讀取接收的數(shù)據(jù)的程序,即可實(shí)現(xiàn)PLC之間的相互信息傳遞,完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

        3.1.2 部分梯形圖和SFC程序。

        梯形圖程序1、2給出了系統(tǒng)常規(guī)的啟動(dòng)、聯(lián)鎖、急停及繼續(xù)運(yùn)行等功能。整個(gè)側(cè)推系統(tǒng)功能是非常復(fù)雜的,但可以理解是各經(jīng)典程序的邏輯性疊加,這樣程序?qū)崿F(xiàn)就比較容易。梯形圖程序3給出了觸摸屏密碼設(shè)定的過(guò)程,系統(tǒng)并未選擇在觸摸屏里通過(guò)“用戶使用權(quán)限”來(lái)設(shè)置,而是通過(guò)三菱PLC程序里給出,打破了常規(guī)做法,并能夠讓系統(tǒng)更加安全。

        SFC程序:SFC部分通常是給出系統(tǒng)主體流程,從圖6可以看出結(jié)構(gòu)清晰,通過(guò)不同的塊處理不同流程或階段的功能點(diǎn)。

        3.2 MCGS軟件設(shè)計(jì)

        MCGS(Monitor and Control Generated System,監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是為工業(yè)過(guò)程控制和實(shí)時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域服務(wù)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件,具有功能完善、操作便捷、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。

        本文采用昆侖通態(tài)人機(jī)界面TPC7062KS,是一款實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)。MCGS嵌入版的不同窗口切換來(lái)管理用戶系統(tǒng)組態(tài),其窗口組態(tài)有數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、用戶組態(tài)、主控窗口和運(yùn)行策略,對(duì)應(yīng)于五個(gè)不同的窗口頁(yè)面,每一個(gè)頁(yè)面負(fù)責(zé)管理用戶應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)部分,通過(guò)鼠標(biāo)單擊切換可選取不同窗口頁(yè)面,對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的相應(yīng)部分進(jìn)行組態(tài)操作。下文分別介紹這幾個(gè)控制界面的功能。

        3.2.1 登陸界面。為了防止非操作人員的誤操作,系統(tǒng)設(shè)置了登陸界面,如圖所示,并要求使用指定密碼進(jìn)行登錄。圖7為系統(tǒng)登錄首頁(yè):

        3.2.2 密碼輸入界面。只有當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)工作人員鍵入正確密碼方可進(jìn)入控制系統(tǒng),否則觸摸屏將提出“!密碼錯(cuò)誤,不能進(jìn)入系統(tǒng)”的提醒字符以警戒非工作人員不能進(jìn)入下一步系統(tǒng)操作,如圖8所示。首頁(yè)中實(shí)現(xiàn)“歡迎使用側(cè)推裝置控制系統(tǒng)”采用滾動(dòng)循環(huán)字幕要求進(jìn)入運(yùn)行策略,點(diǎn)擊新建策略,選擇“循環(huán)策略”確認(rèn)后雙擊“循環(huán)策略”進(jìn)入,新建并選擇“策略工具箱”中的選擇腳本程序。

        3.2.3 側(cè)推控制系統(tǒng)主界面,如圖9所示:

        3.2.4 遙控界面。圖9是MCGS參照控制功能要求設(shè)計(jì)的遙控控制界面。

        在各個(gè)界面的底部都加入了界面切換按鈕,用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同控制界面之間的相互切換,并通過(guò)MCGS中的歷史數(shù)據(jù)功能可以直觀顯示各重要參數(shù)的變化情況,查詢起來(lái)非常方便。

        4 結(jié)語(yǔ)

        相對(duì)于市場(chǎng)上目前的側(cè)推控制系統(tǒng),本文采用PLC為控制單元結(jié)合工控組態(tài)軟件的使用,使其系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通用性強(qiáng)。在硬件設(shè)計(jì)方面,只需要確定PLC的硬件配置與I/O的外部接線,無(wú)需大量的硬接線電路和諸如繼電器、電路板之類的固體電子器件。當(dāng)控制要求改變,需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí),只需改變存儲(chǔ)器中的控制程序并重新下載到相應(yīng)的PLC中即可;(2)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的,能適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。在PLC的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中,采取了多層次的抗干擾措施,使得PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF通常在2萬(wàn)小時(shí)以上,這是一般電氣設(shè)備不可能達(dá)到的;(3)能直接進(jìn)行模擬量處理。這是有別于繼電器控制的最大優(yōu)點(diǎn)。用PLC進(jìn)行模擬量控制的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行模擬量控制的同時(shí),也可以進(jìn)行數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)控制。這是其他控制系統(tǒng)所不具備的或?qū)崿F(xiàn)起來(lái)不如PLC方便;(4)使用PLC易于操作和維護(hù),設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短,具有強(qiáng)大通信功能,便于與其他系統(tǒng)通訊,并能與MCGS觸摸屏結(jié)合構(gòu)建友好的人機(jī)界面;(5)MCGS工控組態(tài)軟件概念簡(jiǎn)單、功能齊全、便于方案設(shè)計(jì),為解決工程監(jiān)控問(wèn)題提供了豐富多樣的手段,從設(shè)備驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)表輸出、曲線顯示等多個(gè)環(huán)節(jié),均有豐富的功能組件和常用圖形庫(kù)選用,使得組態(tài)工作既簡(jiǎn)單直觀又靈活多變。對(duì)于這種智能化控制的側(cè)推裝置,其所節(jié)省的電纜及智能控制效果是非??捎^和方便的,對(duì)提高船舶自動(dòng)化建設(shè)具有十分重要的意義。

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        作者簡(jiǎn)介:崔守娟(1980-),女,江蘇連云港人,供職于鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,博士,研究方向:高效節(jié)能機(jī)械設(shè)計(jì)與系統(tǒng)監(jiān)控。

        (責(zé)任編輯:周 瓊)

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