陸振君

(南通市船舶檢驗局，江蘇 南通 226000)

本文以某工作船為例，進行其動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)的研究。該船主要為深海石油和天然氣勘探開采平臺、工程建筑設(shè)施等提供拋起錨、拖航、供應(yīng)和值班守護等服務(wù)[1]，其動力系統(tǒng)組成如表1。

1 動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

1)數(shù)據(jù)的采集和處理。監(jiān)控系統(tǒng)主要對動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進行采集和處理[2]。采集信號分為模擬量信號(電壓、功率、轉(zhuǎn)速、可調(diào)漿螺距、風(fēng)速等)及各開關(guān)量信號。

2)參數(shù)的顯示功能。在觸摸屏顯示動力定位系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)，工作船的相應(yīng)部位船員可通過顯示的數(shù)據(jù)了解系統(tǒng)各設(shè)備的運行狀況。可顯示所有模擬量及開關(guān)量的報警狀態(tài)，正常為綠色，報警為紅色，沒有應(yīng)答的報警點用閃爍方式表示[2]。

表1 某工作船動力系統(tǒng)組成

3)報警功能。監(jiān)控系統(tǒng)對工作不正常的監(jiān)測參數(shù)以及傳感器故障、系統(tǒng)自身故障等進行報警。船舶監(jiān)控人員可以通過報警監(jiān)控系統(tǒng)，迅速發(fā)現(xiàn)報警，并根據(jù)報警原因和種類采取措施。主要包括聲光報警、延伸報警、報警顯示、報警記錄及報警閉鎖功能[3]。

4)數(shù)據(jù)存儲和參數(shù)修改功能。監(jiān)控系統(tǒng)還需及時將動力定位系統(tǒng)相關(guān)的監(jiān)控參數(shù)及報警情況，定時存入數(shù)據(jù)庫，方便監(jiān)控人員進行查詢和分析。為了提高系統(tǒng)的靈活性能，系統(tǒng)配備有對報警延時、報警閉瑣、開關(guān)報警狀態(tài)、自動閉鎖的解鎖延時、測量精度、報警限值等系列參數(shù)的修改功能，以適應(yīng)船舶在久用之后機械狀況的變化[3]。

5)打印功能。本系統(tǒng)還具有隨時打印報表功能，可以進行數(shù)據(jù)報表打印，包括當(dāng)前測量數(shù)據(jù)表和報警記錄表。

2 動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 S7-300硬件組態(tài)

S7-300 PLC是模塊式的PLC，采用的是緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)硬件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法[4]。系統(tǒng)采用“觸摸屏+PLC控制器+執(zhí)行機構(gòu)”的分層控制，觸摸屏選用西門子Multi Panels系列的MP270 10′Touch觸摸屏，PLC控制層選擇西門子公司的S7-300系列PLC，他們之間通過MPI網(wǎng)絡(luò)連接。根據(jù)中國船級社(CCS)《動力定位系統(tǒng)檢驗指南》的要求，結(jié)合報警監(jiān)控系統(tǒng)實際需求，監(jiān)測點共包括140個數(shù)字量和30個模擬量，其硬件組態(tài)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

2.1.2 系統(tǒng)硬件

1) 電源。系統(tǒng)供電電源采用工業(yè)控制專用電源，可靠性高，適應(yīng)能力強[5]。根據(jù)《檢驗指南》要求，系統(tǒng)配有UPS 不間斷電源，在全船失電的情況下，保證系統(tǒng)主體部分還能正常工作15 min。

2) 隔離與接地。輸入/輸出信號間采用光電隔離技術(shù)，防止干擾信號和強電信號進入系統(tǒng)。內(nèi)部采用單獨的隔離接地，提高監(jiān)控微機的穩(wěn)定性。

3)冗余設(shè)計。系統(tǒng)在報警顯示、網(wǎng)絡(luò)通信、報警信息處理等主要功能上采用了冗余技術(shù)[2]，并且主要模板及顯示器都配有備件，以提高系統(tǒng)的可靠性，方便進行更換和維護。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1)SIMATIC STEP 7與Win CC flexible的集成。通過在STEP 7的SIMATIC管理器中創(chuàng)建一個HMI站，將Win CC flexible項目集成在STEP 7中，實現(xiàn)HMI設(shè)備和PLC之間的通信和數(shù)據(jù)交換。它具有以下優(yōu)點：系統(tǒng)具有更好的容錯能力；減少修改工作量；減少組態(tài)工作量。組態(tài)過程中，Win CC flexible可以直接訪問STEP 7符號表、數(shù)據(jù)域及其控制器[6]。

2)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。系統(tǒng)的上位機為MP270 10′Touch觸摸屏，下位機為S7-300系列PLC，它們之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)進行通訊連接。為了實現(xiàn)PLC與HMI設(shè)備之間的自動數(shù)據(jù)交換，采用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具NetPro來進行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)[5]。

3)用STEP 7編程軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的自動監(jiān)控與報警。動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)的編程軟件主要采用STEP 7，編程語言為梯形圖(LAD)。報警監(jiān)控系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計，主要包括系統(tǒng)管理模塊、實時監(jiān)控模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和報表管理模塊等幾個方面，其總體框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

系統(tǒng)工作流程為：傳感器采集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇LC S7-300，由系統(tǒng)對所采集的各個設(shè)備的參數(shù)進行分析和處理，通過Win CC flexible人機界面實時顯示處理后的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫模塊。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)發(fā)出警報，船員根據(jù)報警進行故障判斷和處置[3]。警報處理結(jié)束之后，系統(tǒng)自動將這次警報以報表的形式存入數(shù)據(jù)庫，供監(jiān)控人員查詢、分析，其系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4)用Win CC flexible組態(tài)軟件設(shè)計報警監(jiān)控系統(tǒng)人機界面。人機界面是PLC的最佳搭檔，這是因為它的穩(wěn)定性和可靠性較高，能夠長期在惡劣的工業(yè)環(huán)境下持續(xù)運行。本文選用西門子的觸摸屏(Touch Panel)作為系統(tǒng)的人機界面，因其具有面積小,直觀方便等優(yōu)點[5]。系統(tǒng)人機界面主要包括4個頁面，他們分別是：初始畫面、動力系統(tǒng)監(jiān)控頁面、推力器系統(tǒng)監(jiān)控頁面及系統(tǒng)性能狀態(tài)監(jiān)控頁面。

3 動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)的仿真調(diào)試

由于實驗條件的限制，無法用硬件來對設(shè)計的船舶動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試。本文用S7-PLCSIM來模擬S7-300的運行，用Win CC flexible的運行系統(tǒng)(Runtime)來模擬HMI設(shè)備的功能[4]。由于在系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)將HMI的項目集成在STEP 7中，在調(diào)試時在沒有硬件設(shè)備的條件下，通過計算機模擬實現(xiàn)HMI設(shè)備和PLC之間的通信和數(shù)據(jù)交換，從而模擬出真實的PLC和HMI設(shè)備組成的實際功能[6]。圖4為系統(tǒng)部分調(diào)試頁面，包括風(fēng)力、航向、水流、速度、張力等數(shù)值的顯示以及各個報警指示燈。

圖4 系統(tǒng)部分仿真調(diào)試圖

4 結(jié)束語

本文采用SIEMENS PLC S7- 300與組態(tài)軟件Win CC flexible相結(jié)合的方法，研究了動力定位報警監(jiān)控系統(tǒng)自動控制與人機界面。該系統(tǒng)開發(fā)周期短、人機界面直觀、控制可靠、維護方便等優(yōu)點。