基于PLC的船舶甲板機(jī)械集散控制

浦瑾瑩

(無錫市地方海事局，江蘇 無錫 214043)

0 引言

隨著海洋工程的發(fā)展，相應(yīng)配套船舶所需作業(yè)機(jī)械數(shù)量、種類大量增多，容量亦大幅提高，傳統(tǒng)上操作這些設(shè)備需要多人在多個處所配合作業(yè)，效率低下、精確性低，又存在相當(dāng)程度的安全隱患。因此，將這些設(shè)備整合成一個控制集中、簡單、精確的有機(jī)整體成為保障作業(yè)安全和提高作業(yè)效率的重要前提。

PLC是一種將繼電器控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合制作的控制裝置［1］。微電子技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)精確、自動控制，計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)使得集中控制、遠(yuǎn)程控制更為簡單，因此，將PLC技術(shù)運(yùn)用到船舶甲板機(jī)械控制并實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能完全可能。

1 PLC工作原理及實(shí)現(xiàn)過程

PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它采用可編程序存儲器，用來在其內(nèi)部存儲、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算等操作指令，通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械生產(chǎn)過程［2、3］。

1.1 PLC組成及工作原理

PLC與一般計(jì)算機(jī)類似，由硬件及軟件兩部分組成。硬件主要包括中央處理器(CPU)、存儲器、輸入接口、輸出接口、通信及其他接口、電源。軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序的編程語言。

PLC是一種典型的串行工作方式，其流程如圖1所示。其中自輸入采樣至輸出的過程稱之為一個掃描周期，PLC的工作過程就是周而復(fù)始的執(zhí)行掃描周期直至系統(tǒng)停止運(yùn)行。

圖1 PLC工作過程

1.2 PLC工業(yè)控制實(shí)現(xiàn)過程

與其他控制裝置使用類似，PLC在工業(yè)控制中實(shí)現(xiàn)過程一般可分以下5個步驟:

①了解系統(tǒng)工藝過程和控制要求;

②控制方案分析;

③系統(tǒng)配置;

④編寫控制程序及調(diào)試;

⑤組裝并運(yùn)行。

2 某打撈船簡介

該打撈工程船為單甲板、艉部設(shè)具備100 t起重能力的起重機(jī)、船首設(shè)升高甲板、船首底部帶流線型的箱形非自航打撈工程船，適用于黃海、渤海等海域的沉船、沉物、航天航空飛行物的打撈，還具有航道、港口清疏等能力。

該打撈工程甲板機(jī)械由8臺200 kN液壓絞車、2臺100 kN液壓絞盤、4臺160 kN液壓絞盤、2臺100 kN液壓系泊絞車組成，其布置如圖2所示。

本船設(shè)1個液壓泵站以驅(qū)動上述絞車或絞盤。泵站由4個泵組組成，共用1個油箱。4個泵組可同時(shí)工作，亦可分為2組，互為備用。

圖2 甲板機(jī)械布置圖

3 甲板機(jī)械PLC控制實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)應(yīng)能就地控制和集中控制，且相應(yīng)設(shè)備獨(dú)立操作互不影響。為確保安全，在機(jī)旁應(yīng)有就地/集中控制模式轉(zhuǎn)換。而集中控制處，應(yīng)能指示當(dāng)前控制位置，顯示所有設(shè)備工作狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)。

對絞車/絞盤控制包括:卷筒收回/釋放操作、急停、離合器嚙合/脫離操縱和指示、剎車制動/打開操縱和指示、液壓系統(tǒng)壓力顯示、鋼索放出長度顯示、鋼絲繩張力顯示、電液比例無級調(diào)速等。

對液壓泵站的控制包括:動力站液壓油泵電動機(jī)啟動/停止操縱、液壓系統(tǒng)綜合報(bào)警等。

3.2 系統(tǒng)控制方案

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，本船甲板機(jī)械集中監(jiān)控系統(tǒng)采用集散控制方案，在泵站、駕駛臺控制室和現(xiàn)場分別設(shè)置控制器及標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)對信號的采集、處理和顯示。各控制器通過網(wǎng)絡(luò)相連進(jìn)行信息交換組成PLC控制網(wǎng)絡(luò)，并在駕駛控制室進(jìn)行集中顯示及操控。每臺設(shè)備附近設(shè)置就地操作箱，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的集中操控和就地獨(dú)立分散控制。其控制系統(tǒng)的總體方案如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架

3.3 系統(tǒng)硬件配置

從甲板機(jī)械布置圖可以發(fā)現(xiàn)，絞車和絞盤集中在船舶尾部主甲板左右舷和艏升高甲板左右舷四處，而且每臺設(shè)備所需的輸入信號約為4～5，輸出信號約為3～4?？紤]每處配置1臺微型PLC，即控制2臺絞車和2臺絞盤，輸入信號總數(shù)約16～20，輸出信號約12～16，因此選用性能穩(wěn)定可靠、性價(jià)比較高的西門子S7-200系列中的CPU226，其I/O數(shù)量40(24輸入16輸出)［4］。因?yàn)樾枰斎肽M量(鋼絲繩張力)，所以配1塊EM235擴(kuò)展模塊(4輸入1輸出［4］)，能符合控制要求。在泵站和駕控臺各設(shè)置1臺控制器以便控制泵站和駕控臺集中控制，從便于維護(hù)的角度考慮，亦選用CPU226。

從控制系統(tǒng)總體架構(gòu)分析，本系統(tǒng)通信比較簡單，主要集中在駕控臺—現(xiàn)場控制臺、駕控臺—泵站、泵站—現(xiàn)場控制臺，因此通信方式選擇自帶的PPI主—從通訊協(xié)議方式。該協(xié)議下，可以使用NETW(寫)和NETR(讀)指令實(shí)現(xiàn)主站與從站之間的數(shù)據(jù)通信(主站亦能接收其他主站的數(shù)據(jù)訪問［5］)。CPU226安裝2個RS-485串行通信口(Port 0及Port 1)，通過雙絞線即可方便連接，因此將4臺現(xiàn)場控制臺設(shè)置為從站，泵站和駕控臺設(shè)置為主站，即可符合本系統(tǒng)通訊要求。

3.4 控制程序

軟件主要采用西門子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6進(jìn)行開發(fā)，包括主站和從站兩部分。程序表達(dá)方式一般有梯形圖和指令表兩種方式。以下是主站部分程序:

4 結(jié)語

以PLC為系統(tǒng)控制核心的甲板機(jī)械集中控制系統(tǒng)在該打撈工程船上的應(yīng)用，提高了工作效率和安全性。同時(shí)，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)備，使得該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)現(xiàn)場工藝情況進(jìn)行靈活配置、安裝、調(diào)試與維護(hù)。

［1］肖明耀.西門子S7－200系列PLC應(yīng)用技能實(shí)例［M］.北京:電力出版社，2010.

［2］李建興.PLC技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.［3］何衍慶.常用 PLC應(yīng)用手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］武紅軍，張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:電力出版社，2010.

［5］韋尚潮，曹聲.西門子PLC入門經(jīng)典問答［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.