我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船自動(dòng)化遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式研究

周國(guó)強(qiáng)，曲紹東，郭慶祝

（1.上海開(kāi)創(chuàng)遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司 上海市 200090； 2.長(zhǎng)海漁港監(jiān)督處 大連市 116500；3.大連漁港監(jiān)督局 大連市 116001）

遠(yuǎn)洋漁業(yè)是海洋漁業(yè)的重要組成部分。之所以謂之遠(yuǎn)洋，是指遠(yuǎn)離本國(guó)漁港或漁業(yè)基地，在別國(guó)沿岸海域或深海從事捕撈活動(dòng)的漁業(yè)生產(chǎn)。我國(guó)的遠(yuǎn)洋漁業(yè)起步于1985年，以過(guò)洋性漁業(yè)為主，遠(yuǎn)洋漁業(yè)的發(fā)展取決于本國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、工業(yè)化程度和海洋科學(xué)技術(shù)水平以及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)、消費(fèi)水平等因素。

發(fā)展遠(yuǎn)洋漁業(yè)有利于減輕和緩和沿岸、近海捕撈強(qiáng)度，合理布局漁業(yè)生產(chǎn)力，促進(jìn)工業(yè)、儀器、海洋科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)提高水產(chǎn)品總產(chǎn)量，增加外匯收入，與沿岸國(guó)家密切經(jīng)濟(jì)聯(lián)系具有重要的作用。

1 我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船裝備現(xiàn)狀

目前，我國(guó)公海作業(yè)漁船基本上是購(gòu)買國(guó)外舊船或是將近海漁船改造后投入公海使用。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有公海作業(yè)漁船中50%以上的超低溫金槍魚(yú)延繩釣船、大型拖網(wǎng)加工船和金槍魚(yú)圍網(wǎng)船船齡均超過(guò)20 a。過(guò)洋性作業(yè)的漁船大部分是20 世紀(jì)70—80年代設(shè)計(jì)建造的近海船舶，總體性能落后、船體狀況較差、安全設(shè)施不可靠、能耗高、缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。在西非從事過(guò)洋性作業(yè)的202 艘拖網(wǎng)漁船中，有110 艘船齡超過(guò)20 a。遠(yuǎn)洋漁船技術(shù)裝備水平偏低，無(wú)論是工作母船、輔助船，還是機(jī)械裝備或助漁導(dǎo)航儀器設(shè)備等自動(dòng)化程度都有待于進(jìn)一步提高。遠(yuǎn)洋漁船的破舊和落后嚴(yán)重制約我國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)的發(fā)展，對(duì)該問(wèn)題的解決已迫在眉睫。

2 船舶主機(jī)自動(dòng)化遙控系統(tǒng)控制

船舶自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分是主機(jī)遙控系統(tǒng)。本文介紹了中國(guó)水產(chǎn)（集團(tuán)）大連漁輪公司設(shè)計(jì)制造的75 m 遠(yuǎn)洋金槍魚(yú)圍網(wǎng)船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)遙控系統(tǒng)功能，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)起停部分的自動(dòng)控制及安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 PLC 簡(jiǎn)介

PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置。PLC 采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令。它以接入式CPU 為核心，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 及其外圍設(shè)備與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，程序可以根據(jù)控制對(duì)象的不同而編制。也就是說(shuō)，PLC 可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，容易擴(kuò)展其功能。

2.2 PLC 組成

PLC 系統(tǒng)主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。其中，CPU 是PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出設(shè)備與CPU 之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)連接。

在PLC 中CPU 按系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC 有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等；通過(guò)輸入接口接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中；從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)解釋后執(zhí)行；根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過(guò)輸出單元實(shí)現(xiàn)輸出控制。

2.3 主機(jī)遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

目前，大型船舶的推進(jìn)裝置主要有柴油加推進(jìn)和電力推進(jìn)2 類。采用柴油機(jī)推進(jìn)時(shí)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的柴油機(jī)稱為主柴油機(jī)。主柴油機(jī)一般可以在機(jī)旁、集控室和駕駛臺(tái)3 個(gè)操作部位進(jìn)行操作和控制。當(dāng)離開(kāi)機(jī)旁在集控室和駕駛臺(tái)操作時(shí)，無(wú)法通過(guò)機(jī)旁操縱機(jī)構(gòu)直接操作主機(jī)，這就需要在操作部位與主機(jī)之間設(shè)置一套能夠?qū)ζ溥M(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱的控制系統(tǒng)，即為主機(jī)遙控系統(tǒng)。

隨著船舶自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，裝設(shè)主機(jī)遙控系統(tǒng)的遠(yuǎn)洋船舶逐年增多。比較完善的主機(jī)遙控系統(tǒng)通常設(shè)有如下功能（或環(huán)節(jié)）：（1）邏輯程序控制，包括操縱轉(zhuǎn)換位置判斷、自動(dòng)換向、自動(dòng)起動(dòng)、重復(fù)起動(dòng)、重起動(dòng)、制動(dòng)的邏輯控制；（2）轉(zhuǎn)速與負(fù)荷控制，包括轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送速率限制和負(fù)荷程序等；（3）安全保護(hù)與應(yīng)急操作；（4）系統(tǒng)功能模擬試驗(yàn)；（5）系統(tǒng)故障自檢等。

組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的元件有氣動(dòng)、機(jī)械、液壓、繼電器、接觸器、半導(dǎo)體分立元件、小規(guī)模集成電路等不同種類，在技術(shù)發(fā)展的不同階段，主機(jī)遙控系統(tǒng)的類型隨采用的控制元件不同而不同。隨著微型計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，自20 世紀(jì)80年代遠(yuǎn)洋船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)普遍采用了微型機(jī)作為控制器的核心，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維修都更為簡(jiǎn)單，可靠性也大大提高。

2.4 PLC 自動(dòng)化遙控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式

大連漁輪公司75 m 金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船的PLC自動(dòng)化主機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，包括2 臺(tái)S7-200PLC。其中1 臺(tái)用于主機(jī)起停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制，安裝在機(jī)控室；1 臺(tái)用于完成電子調(diào)速器的任務(wù)，安裝在機(jī)艙。另設(shè)計(jì)算機(jī)作為監(jiān)視平臺(tái)，用來(lái)監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的重要信號(hào)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備為：2 臺(tái)S7-200PLC、1 臺(tái)微型機(jī)、網(wǎng)絡(luò)連接器、PC/PPI電纜、RS-485 電纜。主站PLC 通訊口出來(lái)地總線分別通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接器和PC/PPI 電纜和從站PLC以及計(jì)算機(jī)通訊。主從站之間通過(guò)RS-485 總線進(jìn)行PPI 協(xié)議通訊，主站和計(jì)算機(jī)終端通過(guò)PC/PPI 電纜進(jìn)行自由口通訊。從主站PLC 通訊口出來(lái)連接上網(wǎng)絡(luò)連接器，是為了隔離，以免計(jì)算機(jī)RS-232 口損壞。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接器出來(lái)地線以及RS-485 信號(hào)通過(guò)比較高低電平與從站進(jìn)行通訊。同時(shí)通過(guò)PC/PPI 電纜的連接口引出針口通過(guò)RS-485 和RS-232 轉(zhuǎn)換成3 條線分別為接收、發(fā)送和地線，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

圖1 PLC 自動(dòng)化遙控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

起?？刂浦饕ㄆ饎?dòng)控制、慢轉(zhuǎn)控制、停車控制、重復(fù)起動(dòng)控制。以正車起動(dòng)為例，系統(tǒng)針對(duì)2 種情況：停車情況下的起動(dòng)和正常反向起動(dòng)，都能確保正車起動(dòng)電磁閥的通斷，同時(shí)還須判斷重復(fù)起動(dòng)的狀態(tài)。慢轉(zhuǎn)控制所要考慮的情況分別是主機(jī)停車時(shí)間超過(guò)30 min 和電源斷電后恢復(fù)供電2 種情況。在主機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一圈或有緊急操縱信號(hào)的情況下，可以撤消慢轉(zhuǎn)控制。停車控制所要考慮的情況共分4 種：停車指令、故障停車信號(hào)、車令與運(yùn)轉(zhuǎn)方向不一致以及起動(dòng)電磁閥工作期間。重復(fù)起動(dòng)控制又分為4 個(gè)子程序：起動(dòng)時(shí)間監(jiān)視子程序、換向時(shí)間監(jiān)視子程序、起動(dòng)間歇延時(shí)子程序和重復(fù)起動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)子程序。

轉(zhuǎn)速控制是用模擬量輸入模塊EM235 來(lái)讀取車鐘指令和轉(zhuǎn)速反饋。PLC 主站首先讀入模擬量，通過(guò)3 次移位，可以得到12 位的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)定時(shí)中斷程序?qū)斎肓窟M(jìn)行數(shù)字濾波，濾波后的數(shù)據(jù)將與由外電路所確定的正常信號(hào)電壓范圍比較，可判斷車令電位器的3 個(gè)接線端有無(wú)斷線故障，在確保信號(hào)的正常之后，再經(jīng)過(guò)各種限制處理，限制環(huán)節(jié)主要包括臨界轉(zhuǎn)速限制、加速度限制和負(fù)荷程序限制，限制處理后的結(jié)果最后通過(guò)PPI 通信協(xié)議發(fā)送給從站PLC 電子調(diào)速器進(jìn)而控制主機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速限制處理程序流程圖2 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

圖2 轉(zhuǎn)速限制處理程序流程圖

本文結(jié)合大連漁輪公司75 m 遠(yuǎn)洋金槍魚(yú)圍網(wǎng)船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出一種硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)、線路少、編程容易且功能較全面的主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。從中可以看出，PLC 有很高的可靠性，能適用于惡劣的工作環(huán)境，在主機(jī)遙控中PLC 具有顯著的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，可取代各類由繼電器組成的主機(jī)遙控裝置，特別適用老船設(shè)備的更新改造，符合我國(guó)國(guó)情；PLC 還具有PD 調(diào)節(jié)功能，可以更好地進(jìn)行主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其數(shù)據(jù)通訊接口便于和上級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，組成船舶綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。綜上所述，基于PLC 的主機(jī)遙控系統(tǒng)有較好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。