余泛泳，劉彥東，陳海泉

（大連海事大學(xué) 航海訓(xùn)練與研究中心，遼寧 大連 116026）

管理現(xiàn)代化

基于PLC技術(shù)的船舶搖擺平臺(tái)模型程序設(shè)計(jì)

余泛泳，劉彥東，陳海泉

（大連海事大學(xué) 航海訓(xùn)練與研究中心，遼寧 大連 116026）

針對(duì)某船舶搖擺平臺(tái)所實(shí)現(xiàn)的功能要求，對(duì)平臺(tái)搖擺模型進(jìn)行可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller，PLC）程序設(shè)計(jì)。對(duì)平臺(tái)搖擺控制原理及系統(tǒng)進(jìn)行分析，基于實(shí)際海況推導(dǎo)船舶橫搖數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用PLC模塊化編程思想設(shè)計(jì)平臺(tái)搖擺模型程序。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的平臺(tái)仿真效果明顯，能實(shí)現(xiàn)實(shí)際海況下的船舶搖擺仿真運(yùn)動(dòng)。

船舶搖擺平臺(tái)；可編程邏輯控制器；橫搖數(shù)學(xué)模型

0 引 言

船舶在海上航行時(shí)會(huì)因諸多因素的影響產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)。船舶的搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)給船員和乘客的工作及生活帶來不適感，并影響推進(jìn)裝置及其他設(shè)備的性能。因此，船舶的搖擺運(yùn)動(dòng)是目前船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，在軍用和民用方面都有著深遠(yuǎn)的意義[1]。

與海上實(shí)船試驗(yàn)相比，運(yùn)用船舶運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)對(duì)船舶的搖擺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究可有效降低成本和節(jié)省時(shí)間[2]。基于機(jī)電液技術(shù)設(shè)計(jì)的某船舶搖擺仿真平臺(tái)目前只能完成不同周期、不同幅度下的單個(gè)規(guī)則正弦波模型運(yùn)動(dòng)，為使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)海況下的船舶復(fù)雜隨機(jī)搖擺運(yùn)動(dòng)，這里以橫搖為例對(duì)平臺(tái)可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller，PLC）橫搖模型程序進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 船舶搖擺平臺(tái)原理

圖1為船舶搖擺平臺(tái)控制原理。該平臺(tái)通過液壓泵站驅(qū)動(dòng)2對(duì)液壓缸實(shí)現(xiàn)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)；2個(gè)呈并聯(lián)關(guān)系的電液比例換向閥控制進(jìn)入液壓缸內(nèi)的油的流速和方向；傾角傳感器用來測量平臺(tái)橫搖和縱搖實(shí)際傾角值；傾角信號(hào)通過A/D（模擬數(shù)據(jù)量）轉(zhuǎn)換模塊反饋到PLC控制器中；PLC將預(yù)先設(shè)定的搖擺模型（設(shè)定值）與實(shí)際傾角值相比較，通過模糊 PID（比例積分微分）控制算法求出數(shù)字量控制值；最后通過D/A（數(shù)據(jù)模擬量）模塊輸出的模擬量控制值控制電液比例換向閥，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)傾角位置閉環(huán)控制[3-4]。

系統(tǒng)基于上位機(jī)上的 WinCC組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)操控界面，通過與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)平臺(tái)搖擺模型的設(shè)定和系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控。

2 實(shí)際海況下的船舶橫搖模型

由于船舶在海上航行時(shí)會(huì)受到海浪等復(fù)雜因素的影響，因此想要建立一個(gè)精準(zhǔn)的橫搖數(shù)學(xué)模型非常困難。這里基于目前工程設(shè)計(jì)中普遍采用的Conolly橫搖方程建立平臺(tái)的橫搖數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行一定的簡化處理[5]。

船舶在海上作搖擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，依據(jù)動(dòng)平衡原理，其平衡條件是所有力矩之和為零[6]，船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)方程可表示為

處理變換式(1)可得

由隨機(jī)過程理論可知，海浪有效波傾角可表示為

式(3)中： Sζ(ω)為海浪波譜密度； ωi為波傾角頻率； εi為 0 ～2π內(nèi)均勻分布的隨機(jī)初相位值。將式(3)代入到式(2)中，使用不同有義波高（海況）下（國際船模試驗(yàn)池會(huì)議（ITTC））提供的單參數(shù)海浪波譜[7]來計(jì)算有效波傾角，以某一具體船舶為例，根據(jù)其參數(shù)便可求出具體橫搖角。由此可看出，船舶橫搖角是由無數(shù)個(gè)不同幅值、頻率和初相位的正弦波疊加而成的。

3 橫搖模型程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序模塊化設(shè)計(jì)

利用STEP7軟件對(duì)PLC進(jìn)行模塊化編程，將實(shí)現(xiàn)平臺(tái)不同功能的程序放到特定的程序塊中[8]，根據(jù)需要在主程序中分別調(diào)用不同功能的子程序塊。系統(tǒng)子程序塊主要有：常數(shù)設(shè)置塊、傾角模擬量輸入值轉(zhuǎn)換處理塊、液壓功能控制塊、平臺(tái)搖擺運(yùn)動(dòng)模型選擇模塊、橫搖模糊PID控制塊及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的共享、背景數(shù)據(jù)塊等。程序塊調(diào)用分層結(jié)構(gòu)見圖2。

PLC啟動(dòng)時(shí)，首先執(zhí)行初始化程序塊（OB100），然后循環(huán)執(zhí)行主程序OB1。在OB1中調(diào)用不同功能的程序塊，其中平臺(tái)搖擺運(yùn)動(dòng)模型選擇模塊（FB140）又調(diào)用正弦模型計(jì)算模塊（FB1100）和海況等級(jí)選擇模塊（FB147），F(xiàn)B147可根據(jù)上位機(jī)選擇分別調(diào)用3～7級(jí)海況下船舶搖擺模型計(jì)算模塊（FB200～204）。利用循環(huán)中斷組織塊 OB35調(diào)用 FB141實(shí)現(xiàn)搖擺運(yùn)動(dòng)的模糊PID控制。

3.2 基于實(shí)際海況下的橫搖模型程序設(shè)計(jì)

3～7級(jí)海況下5個(gè)橫搖模型程序塊相似，這里以 3級(jí)海況為例對(duì)平臺(tái)橫搖模型程序設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

圖3為選擇并調(diào)用3級(jí)海況橫搖模型程序，當(dāng)在上位機(jī)監(jiān)控界面選擇3級(jí)海況搖擺模型時(shí)，調(diào)用功能塊FB200，屏蔽其他等級(jí)海況下船舶搖擺模型計(jì)算模塊。FB200基于第2節(jié)某一具體船舶在3級(jí)海況下的橫搖模型，調(diào)用多個(gè)不同幅值和周期的正弦計(jì)算模塊并對(duì)其進(jìn)行求和，最后傳送到地址“DB25.DBD36”中，即模糊PID控制的設(shè)定值。

3.3 正弦計(jì)算模塊

當(dāng)開啟橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，“DB25.DBX7.2”變成高電平，讀入儲(chǔ)存在3級(jí)海況數(shù)據(jù)塊中的正弦周期和幅值，見圖4。

調(diào)用周期振蕩器（見圖 5）功能塊（Tmr-Cycle），當(dāng)DB25.DBX7.2變成高電平時(shí)，根據(jù)輸入的正弦周期值輸出一個(gè)隨PLC時(shí)鐘在0到正弦周期值之間變化的雙整型時(shí)間值（D.Tmr-Cycle-ACC-DI），時(shí)間值達(dá)到正弦周期值時(shí)從0再次循環(huán)。

通過功能塊 FC1250 將浮點(diǎn)型時(shí)間值（R.Tmr-Cycle-ACC-R）量化，轉(zhuǎn)換成 π2～0 內(nèi)變化的實(shí)數(shù)值，并存入到變量 R.Scale_Tmr_Cycle_ACC_R中（見圖6）。轉(zhuǎn)換公式為：

對(duì)變量R.Scale_Tmr_Cycle_ACC_R求SIN運(yùn)算，并乘以正弦幅值，最終求得正弦波值（見圖7）。

4 結(jié) 語

將基于實(shí)際海況的船舶橫搖模型程序下載到PLC中，操作上位機(jī)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行搖擺試驗(yàn)（見圖8）。結(jié)果表明：通過對(duì)實(shí)際海況下的船舶搖擺模型進(jìn)行分析及對(duì)PLC程序進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)實(shí)際海況下的船舶搖擺仿真運(yùn)動(dòng)，效果較好，具有一定的實(shí)際意義。

[1] 王立軍. 船舶大舵角轉(zhuǎn)向時(shí)艏搖與橫搖的耦合仿真研究[J]. 船舶與海洋工程，2013 (1)： 6-11.

[2] 王旭永，駱涵秀，吳江寧，等. 六自由度并聯(lián)電液伺服平臺(tái)的特點(diǎn)及應(yīng)用[J]. 液壓與氣動(dòng)，1995 (2)： 16-18.

[3] 王守城，段俊勇. 液壓系統(tǒng)PLC控制實(shí)例精解[M]. 北京：中國電力出版社，2011.

[4] 袁立鵬，趙克定，李海金. 閥控液壓缸統(tǒng)一流量方程的分析研究[J]. 機(jī)床與液壓，2005 (8)： 97-99.

[5] 金鴻章，姚緒梁. 船舶控制原理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2014.

[6] 李積德. 船舶耐波性[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[7] 徐琳琳. 船舶運(yùn)動(dòng)仿真及建模預(yù)報(bào)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[8] 王生海. 垂直方向主動(dòng)式波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2013.

PLC Based Model Programming Design for Ship Swaying Platform

YU Fan-yong，LIU Yan-dong，CHEN Hai-quan

（Navigation Training and Research Center Dalian Maritime University, Dalian 116026, China）

A Programmable Logical Controller (PLC) programming design is performed for the platform swaying model according to the functional requirement of a ship swaying platform. The control principle and control system of the platform are analyzed based on a ship roll mathematical model derived according to the real sea conditions, and the platform swaying model program is designed with PLC modular programming concept. The experiment result shows that the platform simulation effect is significantly improved along with the amendment of the design, which could realize the simulation of ship swaying motions under real sea conditions.

ship swaying platform; PLC; roll mathematical model

U661.7

A

2095-4069 (2017) 01-0072-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.013

2016-05-06

余泛泳，男，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士學(xué)位，1991年生。2014年大連海事大學(xué)船舶與海洋工程碩士畢業(yè)，現(xiàn)從事航海教育工作。