基于PLC S7-200的船舶艙室進(jìn)水監(jiān)控系統(tǒng)的研究

胡苓苓

（武漢生物工程學(xué)院機(jī)電工程系，武漢 430415）

近年來，世界海難事故不斷發(fā)生，船舶在整個(gè)運(yùn)營期間，由于惡劣海況或者操作失誤等諸多原因使得船舶發(fā)生破損、碰撞、擱淺、觸礁等惡性事故不斷發(fā)生。特別是隨著《國際海上人命安全公約》的制定，大量的海損事故使人們認(rèn)識(shí)到船舶破艙后報(bào)警、堵漏以及排水工作的重要性。

以往在國內(nèi)船舶的運(yùn)行當(dāng)中，機(jī)艙內(nèi)都安裝有大量的液位變送器，搭配綜合控臺(tái)的顯示報(bào)警儀表完成監(jiān)測(cè)工作，當(dāng)艙室進(jìn)水后報(bào)警儀表產(chǎn)生報(bào)警，由船員發(fā)現(xiàn)后再采取應(yīng)急堵漏與排水措施，這樣往往錯(cuò)過了最佳的堵漏與排水時(shí)間。本文介紹一種采用PLCS7-200對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)控以及起動(dòng)三速電機(jī)排水的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在盡可能的減少硬件連接的基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)控過程采取程序控制。使用PLC SIM5.3仿真軟件的反復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)控制精度高、可靠性強(qiáng)。

1 控制過程要求

艙室高度為5m，安裝有投入式液位變送器，它可將被測(cè)介質(zhì)的表面壓力轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓（0～5V）或者電流信號(hào)（4～20mA），直接投入水中即可讀取變送器末端到液位頂部的高度。

PLC S7-200中的模擬量輸入模塊可以很方便的讀取液位上升的實(shí)時(shí)高度，當(dāng)艙內(nèi)液位高于4m時(shí)產(chǎn)生報(bào)警并同時(shí)起動(dòng)三速電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)抽水泵抽走艙內(nèi)的液體，PLC S7-200根據(jù)艙內(nèi)液位高度的不同隨時(shí)可以改變?nèi)匐姍C(jī)的運(yùn)行狀況，及時(shí)改變抽水泵的工作情況。報(bào)警產(chǎn)生的聲音可以提醒操作人員采取必要的措施，及時(shí)堵漏。

2 系統(tǒng)硬件配置

本系統(tǒng)中 PLCS7-200采用 CPU224為處理核心，S7-200系列PLC提供多種具有不同輸入輸出點(diǎn)數(shù)的CPU模塊和數(shù)字量、模擬量I/O擴(kuò)展模塊等供用戶選擇，除此之外，它還配備有許多專用的特殊功能模塊，例如輸入/輸出模塊、熱電偶模塊、熱電阻模塊以及通信模塊等等，便于PLC的功能得到進(jìn)一步的拓展。

液位高度通過投入式液位變送器產(chǎn)生4～20mA直流電信號(hào)直接送入PLCS7-200的模擬量輸入模塊，模塊可以很方便的將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供PLC讀取。在PLC S7-200中4～20mA的模擬量對(duì)應(yīng)于數(shù)字量6400～32000，這樣0～5m對(duì)應(yīng)于數(shù)字量6400～32000，得到實(shí)時(shí)高度的計(jì)算公式為

為了節(jié)省I/O點(diǎn)的數(shù)量。節(jié)約投資，本系統(tǒng)對(duì)I/O點(diǎn)接線進(jìn)行優(yōu)化組合，試驗(yàn)功能的轉(zhuǎn)換采用一個(gè)節(jié)點(diǎn)起兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用，使PLC工作在兩種方式下。PLC系統(tǒng)接線與I/O模塊連接分別如圖1、圖2所示。

圖1 PLC系統(tǒng)接線圖

圖2 I/O模塊連接

PLC S7-200輸出端主要用來控制三速電機(jī)的起停，進(jìn)而控制水泵的抽水速度。圖3所示為控制系統(tǒng)的主電路圖，圖中分別用1C、2C、3C分別代表三個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)，輸出端Q4.2、Q4.3、Q4.4分別控制繼電器的通斷，ZC為主干路通斷開關(guān)，用來進(jìn)行過載保護(hù)，在任意一條支路中串入電流表，可以很方便讀取系統(tǒng)工作時(shí)的電流值，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 主干路電氣連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制程序流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。三速電機(jī)是否開始工作完全取決于液位傳感器讀取得到液位高度的實(shí)時(shí)值，根據(jù)數(shù)字量來判斷后續(xù)的操作步驟。

當(dāng)液位達(dá)到最大高度的設(shè)定點(diǎn)的時(shí)候，PLC S7-200發(fā)出指令用來起動(dòng)電機(jī)，并將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在第三速，同時(shí)打開報(bào)警裝置，通知操作人員采取堵漏措施；若液位未達(dá)到最大高度設(shè)定點(diǎn)，則傳感器繼續(xù)監(jiān)測(cè)，PLC S7-200不發(fā)出任何指令。

起動(dòng)電機(jī)第三速時(shí)，艙內(nèi)液位明顯下降，此時(shí)PLCS7-200判斷艙內(nèi)液位是否達(dá)到中間液位設(shè)定點(diǎn)。若達(dá)到，則電機(jī)改為第二速運(yùn)行，減緩抽水速度，同時(shí)也可防止電機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行，節(jié)約電能；若未能達(dá)到中間液位設(shè)定點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)仍處于第三速檔位。

由于堵漏措施的得當(dāng)，艙室內(nèi)液位高度繼續(xù)下降，若此時(shí)液位高度達(dá)到最低液位設(shè)定點(diǎn)，起動(dòng)電機(jī)第一速，將報(bào)警裝置關(guān)，解除報(bào)警。

圖4 系統(tǒng)流程圖

當(dāng)液位高度已經(jīng)達(dá)到最低設(shè)定點(diǎn)，PLCS7-200起動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，電機(jī)繼續(xù)以第一速帶動(dòng)水泵將艙室內(nèi)剩余的液體抽干。

3.2 PLC主程序梯形圖

圖5 PLC主程序梯形圖

4 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

利用PLC SIM5.3對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖6所示。輸入側(cè)IB 0一欄中第0位為最低液位設(shè)定允許開關(guān)，第1位為中間液位設(shè)定允許開關(guān)，第2位為最高液位設(shè)定允許開關(guān)，第3位為實(shí)時(shí)液位輸入允許開關(guān)，第5位為復(fù)位允許開關(guān)。

圖6 PLC SIM5.3仿真結(jié)果圖

輸出側(cè)Q4的第0位為報(bào)警裝置開，第4位為電機(jī)第三速開關(guān)。模擬量輸入模塊讀取液位高度為4m，此時(shí)大于等于PLCS7-200設(shè)定的液位最大高度點(diǎn)，輸出側(cè)Q4的第0位、第4位同時(shí)得電，電機(jī)第三速起動(dòng)并且打開報(bào)警裝置，用來提醒操作人員進(jìn)行必要的堵漏措施。

輸出側(cè)Q4的第1位為報(bào)警裝置關(guān)，第2位為電機(jī)第一速開關(guān)。模擬量輸入模塊讀取液位高度為2m，此時(shí)小于等于PLCS7-200設(shè)定的液位最低高度點(diǎn)，輸出側(cè)Q4的第1位、第2位同時(shí)得電同時(shí)得電，并且起動(dòng)定時(shí)器T0，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間結(jié)束后電機(jī)停止運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。（PLCSIM5.3沒有“位”操作標(biāo)注功能，由于截圖比較小，在不影響論文整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇在論文中用“Q4第0位”等來標(biāo)注仿真界面內(nèi)的不同位）

利用PLC SIM5.3仿真完畢后，將圖5所示的主程序?qū)隤LC S7-200，按照?qǐng)D2的接線方式依次將PLCS7-200的各個(gè)觸電與三速電機(jī)的主繼電器連接。最后將PLC S7-200以及電機(jī)同時(shí)上電后試車運(yùn)行。

圖7所示為利用電子示波器實(shí)際測(cè)量得到的三速電機(jī)運(yùn)行時(shí)單相電壓波形圖，從圖中可以很直觀的讀取到單相電壓峰—峰值為380V，單相頻率為50Hz。波形較穩(wěn)定，諧波很小，三速電機(jī)拖動(dòng)水泵進(jìn)行抽水作業(yè)，水泵抽水較為平穩(wěn)。

5 結(jié)論

圖7 電流表實(shí)測(cè)波形圖

試驗(yàn)證明，基于PLC S7-200的船舶艙室進(jìn)水監(jiān)控系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了以往監(jiān)測(cè)報(bào)警儀表只能監(jiān)測(cè)報(bào)警而不能主動(dòng)控制的缺點(diǎn)，能夠迅速反應(yīng)、及時(shí)解決因各種事故造成的船舶艙室進(jìn)水問題，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，控制精度較高。

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