李云逸

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基于Elecworks的S7-1200/1500船舶泵浦管理系統(tǒng)的應(yīng)用

李云逸

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

針對現(xiàn)代船舶泵浦自動控制的要求以及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高性能的泵浦管理系統(tǒng)。在重點(diǎn)論述PLC控制單元中，選用西門子公司最新的S7-1200/1500PLC作為核心控制器。并以Elecworks作為制圖軟件，完成對泵浦管理系統(tǒng)原理圖與S7-1200/1500PLC圖紙的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以更好的實(shí)現(xiàn)泵浦故障時(shí)主備用泵的自動切換與順序起動，提高泵浦系統(tǒng)自動控制的準(zhǔn)確度及診斷能力，使其更加安全可靠。

ElecworksTM船舶泵浦 S7-1200/1500PLC 自動控制

0 引言

Elecworks? 是一款新型的設(shè)計(jì)軟件，普遍使用于在工業(yè)電氣自動化的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中。其在繪制原理圖之前可呈現(xiàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路，掌握項(xiàng)目的整體規(guī)劃。Elecworks?操作簡捷，設(shè)計(jì)時(shí)不用掌握任何特殊快捷命令。同時(shí)擁有更加智能化的工具菜單指導(dǎo)用戶設(shè)計(jì)，無論項(xiàng)目大小，允許多個電氣工作者同時(shí)設(shè)計(jì)于同一項(xiàng)目。目前，在Elecworks?的各版本中沒有西門子S7-1200/1500 PLC的符號與設(shè)備型號，通過Elecworks?設(shè)計(jì)可使用戶在以后的設(shè)計(jì)中快速簡單的插入西門子S7-1200/1500PLC，自動生成PLC圖紙，縮短用戶的設(shè)計(jì)時(shí)間。西門子S7-1200/1500 PLC在系統(tǒng)性能方面具有顯著的提高，功能強(qiáng)大，擁有快速的信號處理能力。船舶電氣設(shè)備的控制中，泵浦的控制管理是主要內(nèi)容之一，目前泵浦的自動控制系統(tǒng)仍多采用繼電接觸器控制或者其他低端PLC控制，不僅維修不方便，而且可靠性差。而西門子S7-1200/1500PLC的聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護(hù)簡單方便[7]。

1 Elecworks?的優(yōu)勢及其PLC的設(shè)計(jì)

Elecworks?將設(shè)計(jì)師從重復(fù)的勞動中解放出來，讓設(shè)計(jì)師更加專注于設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。原理圖的設(shè)計(jì)首次采用智能布線方式，以及國際標(biāo)準(zhǔn)符號庫幫助設(shè)計(jì)師更高效的繪制圖紙。其中包括自動生成PLC圖紙與清單表，例如端子表，接線表，設(shè)備清單，電纜表，圖紙清單等。一鍵式自動生成PLC圖紙，利用宏方式生成回路。同時(shí)還支持多人協(xié)同設(shè)計(jì)同一項(xiàng)目，并且圖紙數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。根據(jù)工程的需要，圖紙的不同結(jié)構(gòu)，靈活的選擇設(shè)計(jì)PLC的范式，通過關(guān)聯(lián)宏的自動生成PLC圖紙，或通過動態(tài)插入的范式設(shè)計(jì)PLC圖紙，節(jié)約大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。

與傳統(tǒng)Auto CAD畫圖軟件相比，Elecworks?實(shí)現(xiàn)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化，適應(yīng)全球信息化的發(fā)展。

1） 標(biāo)準(zhǔn)化。包括標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)規(guī)范，

標(biāo)準(zhǔn)的符號庫，準(zhǔn)確的設(shè)備庫，讓電腦智能提示減少錯誤率，實(shí)現(xiàn)多語言自動轉(zhuǎn)換。

2）模塊化，集成化?？梢耘cERP集成，進(jìn)行部門溝通，與PDM，PLM集成進(jìn)行圖紙管理。同時(shí)還可與與機(jī)械、結(jié)構(gòu)方面集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。

Auto CAD在繪制PLC過程中流程混亂，在繪制PLC時(shí)沒有I/O表，根據(jù)工程的進(jìn)展要求，不斷添加I/O地址及說明，容易出現(xiàn)錯誤。同時(shí)圖紙結(jié)構(gòu)中包含大量的PLC圖紙，回路結(jié)構(gòu)相似，但卻需要花費(fèi)大量的時(shí)間繪制。

Elecworks?設(shè)計(jì)S7-1200/1500PLC的流程圖如圖1。設(shè)計(jì)PLC時(shí)，一方面需注意的是Elecworks?設(shè)備管理器中，部件欄必須填寫S7-1200/1500的供貨號，并且用戶根據(jù)需要可在回路端子中添加多個數(shù)字量或者模擬量的輸入/輸出回路。另一方面Elecworks?可以直接從“PLC輸入/輸出清單”中復(fù)制地址及說明到I/O管理器中，并且每個回路可選擇關(guān)聯(lián)相應(yīng)的宏，極大的節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間。最后將設(shè)計(jì)好的PLC建立為宏，在以后的設(shè)計(jì)中以便隨時(shí)調(diào)用。

2 西門子S7-1200/1500PLC的特點(diǎn)

西門子S7-1500 PLC模塊尺寸相比于S7-300稍大，機(jī)架類似于S7-300，前連接器安裝時(shí)具有接線位置，并提供專門的電源元件和屏蔽支架及線卡，使接線更方便，可靠性更高；特別是是CPU上配置有LED顯示屏，可方便顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。其功能強(qiáng)大，集可編程邏輯控制器、通信模塊、博途編程軟件、工控組態(tài)軟件、觸摸屏等于一體。在系統(tǒng)性能方面，西門子S7-1500 PLC性能強(qiáng)大以及擁有快速的信號處理能力，大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，加強(qiáng)控制能力。并且設(shè)計(jì)有高速背板總線，具有高波特率和高效的傳輸協(xié)議[8]。位指令的最快運(yùn)行時(shí)間可縮短到10納秒之內(nèi)。S7-1500所有CPU集成1-3個PROFINET接口，可實(shí)現(xiàn)低成本快速組態(tài)現(xiàn)場級通信和公司網(wǎng)絡(luò)通信，而S7-300/400PLC只有個別型號CPU才集成有PROFINET接口。模塊集成有自我診斷功能，在博途軟件中不需要編程，當(dāng)有故障產(chǎn)生時(shí)，該功能可迅速的判斷受影響的通道，最大限能的減少停機(jī)時(shí)間，這是S7-1200/1500PLC所獨(dú)有的功能。

在現(xiàn)場工藝方面，以SIMATIC S7-1500西門子PLC為例，標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動控制功能使其與眾不同。Profidrive是基于Profibus與Prifinet兩種通訊方式的驅(qū)動技術(shù)，也是自動化控制應(yīng)用中的一種協(xié)議框架，Profidrive可以實(shí)現(xiàn)用戶對驅(qū)動的控制更方便，更快捷。在S7-1500中模擬量和Profidrive兼容驅(qū)動不需要其它模塊就可以實(shí)現(xiàn)直接連接，支持速度和定位軸，以及編碼器[3]。TRACE功能不僅使用戶程序和運(yùn)動控制應(yīng)用診斷的精準(zhǔn)性更高，同時(shí)還使驅(qū)動裝置的性能更穩(wěn)定。此外，西門子S7-1500 還支持所有CPU變量的TRACE功能，提高了調(diào)試效率的同時(shí)優(yōu)化了驅(qū)動和控制器的性能。為了實(shí)現(xiàn)對控制器快速高效的調(diào)節(jié)，用戶可以使用Trace功能，對程序和動作應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，從而優(yōu)化驅(qū)動[3]。

在工業(yè)信息安全方面，為幫助用戶確保應(yīng)用安全，訪問保護(hù)功能可以防止對未經(jīng)授權(quán)應(yīng)用的配置修改，還能通過給不同等級的用戶分配相應(yīng)的授權(quán)級別來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，專有的數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制可識別修改過的工程數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)例如保護(hù)通過未授權(quán)操作傳輸?shù)娇刂破鞯臄?shù)據(jù)等功能[5]。

相對于設(shè)計(jì)人員S7-1500PLC的組態(tài)和編程效率更高，信息采集和查看更方便。由于S7-1500PLC是無縫集成到TIA博途軟件中，無論是硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接和上位組態(tài)，還是軟件編程，其操作均簡單快捷。而S7-300/400PLC專用組態(tài)編程軟件為STEP7，上位組態(tài)軟件為WinCC，相對于TIA博途軟件，其操作顯得繁瑣。對于S7-1500，可通過PLC上CPU顯示屏、TIA博途和人機(jī)界面設(shè)備實(shí)時(shí)查看CPU狀態(tài)、過程變量和故障信息等。而對于S7-300與S7-400 PLC，由于CPU模塊沒有顯示屏，各種狀態(tài)信息的查看也沒有S7-1500PLC方便。

圖1 Elecworks?設(shè)計(jì)S7-1200/1500PLC的流程圖

3 船舶泵浦管理的S7-1200/1500系統(tǒng)

隨著船舶電氣技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展與成熟，現(xiàn)代船舶的主要泵，分油機(jī)等設(shè)備大多采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心。而西門子S7-1200/1500PLC在船舶泵浦管理中可以發(fā)揮更大的作用。現(xiàn)代船舶船用泵浦管理系統(tǒng)主要包括泵浦的自動控制，自動切換，分級投入（順序啟動）以及分級卸載。在現(xiàn)代化無人機(jī)艙中重要的泵浦除了機(jī)旁操作以外，主要的遙控操作與自動運(yùn)行方式位于集控室的主控制臺或主配電屏的計(jì)算機(jī)液晶控制觸摸屏、以及組合起動屏上[4]。當(dāng)正在自動運(yùn)行的泵出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)行泵的備用泵可以自動起動并且自動切換；各組泵依據(jù)PLC事先設(shè)定好的起動順序重新自動起動。船用泵浦管理系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

3.1 大功率負(fù)荷投入管理（重載詢問功能）

在船舶工況下偶然使用大功率負(fù)荷，如壓載泵、消防泵之類的大功率負(fù)荷投入管理，只需在發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)組臺數(shù)的管理程序基礎(chǔ)上增加幾條指令即可。納入重載詢問功能控制的電動機(jī)有允許起動信號指示燈，該指示燈亮，說明電站功率裕量夠用，該電動機(jī)可以啟動[1]。

重載詢問功能是指大功率負(fù)載投入電網(wǎng)時(shí)，PMS首先分析電站容量是否滿足啟動條件[9]。

當(dāng)在大功率負(fù)荷泵啟動箱上按下啟動按鈕，這一啟動信號不是送入控制箱內(nèi)的控制電路，而是送入PMS的（重載啟動詢問信號只是一對觸點(diǎn)）。PMS計(jì)算當(dāng)前電網(wǎng)總負(fù)荷加上準(zhǔn)備投入運(yùn)行的大功率負(fù)荷，若不超過運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的最大負(fù)荷率，則大功率負(fù)荷立即啟動運(yùn)行；若當(dāng)前負(fù)荷超過發(fā)電運(yùn)行機(jī)組所能承載的最大負(fù)荷率，則備用發(fā)電機(jī)組立即啟動，待備用機(jī)組投入電網(wǎng)運(yùn)行且負(fù)荷分配后，才由PMS發(fā)出允許啟動這一大功率負(fù)荷指令和指示，此后大功率負(fù)載可以啟動并投入運(yùn)行，這可避免在網(wǎng)發(fā)電機(jī)過載[1]。

3.2 泵浦組合起動屏

船舶大部分泵的起動控制采用新穎的組合起動屏形式，并且每個起動屏安裝一臺電動機(jī)的起動控制單元及其元器件[10]。組合起動屏中配置了一個特殊的PLC控制單元，S7-1500 PLC采用新型的背板總線技術(shù)使安裝在屏內(nèi)的起動控制單元能與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)建立通信聯(lián)系，可以在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對泵起?？刂?。PLC的輸入/輸出電路可接收泵浦的液位信號及壓力控制信號[6]。

3.3 泵的自動切換和順序啟動

3.3.1 泵的自動切換

當(dāng)泵浦系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后，PLC可以根據(jù)壓力或者液位信號的變化自動切換備用泵。

在三種情況下備用泵將會自動切換起動：運(yùn)行泵電動機(jī)過載、突然失電以及運(yùn)行泵出口壓力下降。1)當(dāng)運(yùn)行泵電動機(jī)過載時(shí)，熱過載繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開，PLC接收到電機(jī)過載的信號，立即停止運(yùn)行泵，PLC根據(jù)設(shè)計(jì)程序起動備用泵。2)正在運(yùn)行的泵突然失電停止運(yùn)行，備用泵自動啟動，當(dāng)電源恢復(fù)后原運(yùn)行泵成為備用泵[4]。3)運(yùn)行泵的出口壓力下降：在運(yùn)行泵正常工作期間，泵的出口壓力由壓力繼電器監(jiān)測，當(dāng)出口壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器斷開[2]。在泵的運(yùn)行期間由于某種原因泵的出口壓力下降到設(shè)定值以下，并持續(xù)兩秒以上時(shí)，壓力繼電器將出口壓力降低信號傳送至PLC控制屏，此時(shí)運(yùn)行泵立即停止并起動備用泵。

3.3.2 泵的順序啟動

當(dāng)由于特殊原因使電網(wǎng)失電后，導(dǎo)致所有泵浦停止運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電以后，為了限制每次起動的電流值，防止起動時(shí)電網(wǎng)的瞬時(shí)壓降過大或恢復(fù)時(shí)間過長，因此按照泵浦的重要性排好先后次序，按照其啟動電流大小分組，然后按程序逐級啟動，防止電網(wǎng)超負(fù)荷[2]。

4 結(jié)論

船舶機(jī)艙環(huán)境復(fù)雜，機(jī)艙設(shè)備長期處于高溫，噪聲，振動等惡劣條件下工作。采用基于Elecworks?的S7-1200/1500PLC泵浦管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對機(jī)艙泵浦的優(yōu)化控制，此系統(tǒng)不僅有效的避免因外界環(huán)境干擾所造成泵浦的誤操作，還大大提高控制系統(tǒng)的可靠性。更加智能化的Elecworks?不僅縮短了工程師設(shè)計(jì)圖紙所花費(fèi)的時(shí)間，而且支持CAD用戶查看圖紙。同時(shí)泵浦的自動控制與切換，分級投入與卸載功能與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比較其穩(wěn)定性得到很大改善，其獨(dú)有的自診斷能力使泵浦管理系統(tǒng)更加強(qiáng)大，而且也節(jié)省了整個控制箱的空間，其維護(hù)也更加方便。

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Application of S7-1200 / 1500 Ship Pump Management System Based on Elecworks

Li Yunyi

（Merchant Marine College of Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

U664

A

1003-4862（2017）07-0010-05

2017-02-25

國家自然科學(xué)基金《船舶多類型電源集成管理及最優(yōu)控制策略研究》（編號51179102）；中國博士后科學(xué)基金《船舶電站能效優(yōu)化MIMO協(xié)同控制算法的研究》（編號2012M520710）

李云逸（1993-），男，碩士研究生。研究方向：電氣自動化。