基于PLC的貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

詹韌

(海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣東廣州510320)

0 引言

自20世紀(jì)以來，世界貿(mào)易自由化、經(jīng)濟(jì)一體化和信息全球化進(jìn)程的不斷加快，全球航運(yùn)業(yè)得到了飛速的發(fā)展。隨之而來的，商船隊(duì)總噸位也不斷的提升，大型化、自動(dòng)化和高速化的船舶陸續(xù)占據(jù)了商船市場，而且其中貨船的比重日益增加。目前，一些制造質(zhì)量較差的船舶不斷下水，進(jìn)行航運(yùn)。這些船舶就船體本身來說，結(jié)構(gòu)不合理、銹蝕嚴(yán)重，船體強(qiáng)度無法抵抗大風(fēng)大浪的襲擊，存在著較大的安全隱患;另一方面，由于駕駛?cè)藛T的失誤或操作技術(shù)不好，導(dǎo)致碰撞、擱淺、觸礁等情況時(shí)有發(fā)生，這將造成貨艙進(jìn)水，小則影響貨物，大則沉船。因此，國際船級社協(xié)會(huì)(IACS)最新規(guī)定，所有單殼船的散貨船須加貨艙進(jìn)水探測報(bào)警裝置。為了提高我國航運(yùn)的安全性能，貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)的研制就具有重大的意義，因此針對貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)的研制就孕育而生。本文介紹的貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)主要運(yùn)用可編程邏輯控制器(Programmable logic Controller，PLC)為控制核心，建立完整的報(bào)警控制系統(tǒng)，對貨艙進(jìn)行全面監(jiān)控，以便在貨艙發(fā)生進(jìn)水事故時(shí)及時(shí)報(bào)警。

1 貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)組成

貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)采用分布式探測、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)集中處理模式，建立覆蓋全貨船的進(jìn)水監(jiān)控為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各貨艙進(jìn)水報(bào)警控制等功能。

貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)主要由信息處理、功能輸出、數(shù)據(jù)通訊三個(gè)模塊組成。信息處理，主要用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn);功能輸出，由一個(gè)個(gè)功能模塊組成，它們用來處理輸出控制邏輯;數(shù)據(jù)通訊，由RS485通訊和CAN接口通訊組成，采用C語言實(shí)現(xiàn)。貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)又通過軟件與硬件兩部分集合而成:硬件部分由水位探測器、智能接線盒、主控制器和遠(yuǎn)程控制器組成;軟件部分主要分為系統(tǒng)控制、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)輸出三部分組成。

1.1 硬件部分功能

1.1.1 水位探測器

水位探測器采用的是壓力傳感器，當(dāng)它受到一定方向的機(jī)械力作用后，就會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)，處于帶電狀態(tài);當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，利用這種效應(yīng)，達(dá)到探測水位變換的目的。

1.1.2 智能接線盒

智能接線盒主要由其內(nèi)部的功能電路板、安全隔離柵和盒體等部分組成。智能接線盒將水位探測器傳輸回來的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，再通過內(nèi)部總線傳送給主控制器。

1.1.3 主控制器

貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)的主控制器主要由其內(nèi)部的PLC模塊、觸摸屏、主機(jī)電源板、通信接口板和箱體等部分組成。監(jiān)控器是整個(gè)裝置的大腦，它負(fù)責(zé)管理裝置中所配置的水位探測器和復(fù)示器，對水位探測器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，按照設(shè)定的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析判斷，根據(jù)分析的結(jié)果及時(shí)輸出相關(guān)的信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)貨艙內(nèi)水位達(dá)到報(bào)警立即輸出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將報(bào)警信息以RS485通訊方式送至VDR(航行數(shù)據(jù)記錄儀)。

1.1.4 遠(yuǎn)程控制器

當(dāng)發(fā)生貨艙進(jìn)水或故障報(bào)警后，可通過復(fù)示器實(shí)現(xiàn)延伸報(bào)警。

1.2 軟件部分功能

1.2.1 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制主要是通過PLC軟件，對整個(gè)系統(tǒng)采集來的信號(hào)做出判斷，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，達(dá)到報(bào)警控制的目的。

1.2.1.1 采集信號(hào)

信號(hào)的采集是整個(gè)系統(tǒng)信息的來源，當(dāng)水位探測器探測到水位時(shí)，探測器輸出模擬量信號(hào)，在智能模塊接線盒內(nèi)，通過A/D轉(zhuǎn)換軟件，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再輸出到回路的總線上，作為信息傳輸?shù)街骺刂破鲀?nèi)。

1.2.1.2 處理信號(hào)

當(dāng)采集來的信息傳送到主控制器后，經(jīng)過PLC軟件的處理，將采集的水位信號(hào)進(jìn)行分析判斷，再輸出到回路的總線上，作為信息傳輸?shù)街骺刂破鲀?nèi)。

1.2.1.3 輸出信號(hào)

采集來的信息經(jīng)過處理后，作為輸出信號(hào)，發(fā)送到相應(yīng)的輸出設(shè)備中。

1.2.2 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是這個(gè)系統(tǒng)的主要功能，記錄所有系統(tǒng)的情況，包含:系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、報(bào)警信息管理、系統(tǒng)維護(hù)。

1.2.2.1 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置是保證系統(tǒng)運(yùn)行的的基礎(chǔ)信息，每個(gè)系統(tǒng)都需要對自身的基本信息進(jìn)行設(shè)定，以便能正確運(yùn)行。

1.2.2.2 系統(tǒng)故障報(bào)警

系統(tǒng)故障報(bào)警是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的的基礎(chǔ)信息，每個(gè)系統(tǒng)都需要對自身可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)計(jì)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能夠及時(shí)處理，使系統(tǒng)正常的工作。

1.2.2.3 系統(tǒng)維護(hù)

為了對系統(tǒng)基本信息進(jìn)行維護(hù)，不能修改的信息不會(huì)顯示在維護(hù)列表中。

1.2.3 數(shù)據(jù)輸出

按照不同的需要將所要輸出的不同數(shù)據(jù)信息打印出來;打印信息含有:水位值、水位報(bào)警閾值、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警地點(diǎn)、工程信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要從外部設(shè)備和控制設(shè)備兩部分來進(jìn)行設(shè)計(jì)。他們分別由各自的硬件和軟件組成，最終以用戶操作界面為融合點(diǎn)，將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)輸入、處理和進(jìn)行控制。此外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要依靠RS485通訊和CAN總線來向外傳輸。

信息的采集由硬件電路組成，所采集的信息用匯編語言將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)顯示到智能監(jiān)視模塊的數(shù)碼顯示屏上，同時(shí)以RS485通訊協(xié)議的形式傳送給主機(jī)，主機(jī)內(nèi)的系統(tǒng)控制模塊將接收到的信息經(jīng)過PLC語言的處理，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有功能。該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件建立用戶操作界面，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)置的更改和操作。此外，系統(tǒng)所產(chǎn)生的控制信息通過硬件電路輸出到相連接的控制設(shè)備中。所有系統(tǒng)的操作通過CAN接口協(xié)議，向外傳輸?shù)酱系募卦O(shè)備，進(jìn)行總體控制。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件的實(shí)現(xiàn)

通過硬件電路的連接，完成系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)的采集部分，并送往貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

3.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)的智能接線盒上設(shè)置了3位數(shù)碼顯示管，用來顯示探測到的實(shí)際貨艙水位。

運(yùn)用匯編語言將水位探測器探測到的水位模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并顯示在數(shù)碼顯示管上，便于及時(shí)觀察水位信息。

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的流程圖見圖1。

圖1 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)流程圖

3.2.2 PLC控制的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)利用PC機(jī)作為上位機(jī)，用SIMATIC300軟件編輯PLC語言對系統(tǒng)基本功能進(jìn)行編輯，初步實(shí)現(xiàn)了硬件與軟件的前端交流，使得系統(tǒng)能正確的獲取外部硬件電路中所采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后能準(zhǔn)確做出處理。

3.2.3 水位數(shù)碼顯示的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)將從水位探測器探測到的信號(hào)，通過數(shù)碼顯示管，以直觀的數(shù)字顯示的形式顯示在智能接線盒的3位數(shù)碼顯示管上。

3.2.4 信息記錄的實(shí)現(xiàn)

船用信息記錄儀，與飛機(jī)上的“黑匣子”的功效是一致的，是可以提供船只在大海上神秘失蹤的重要線索的特殊裝置。本系統(tǒng)中所涉及的信息記錄儀是將貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行工作中發(fā)生的所有的信息進(jìn)行記錄。信息記錄儀程序流程圖如圖2所示。

圖2 信息記錄儀程序流程圖

3.2.5 系統(tǒng)通訊接口的實(shí)現(xiàn)

貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)的通訊主要有內(nèi)部通訊和外部通訊兩部分組成。

內(nèi)部通訊主要是主控制器內(nèi)部信息的傳遞，在主控制器操作界面可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)映射，以達(dá)到主機(jī)與其余各復(fù)示器直接的通訊。

外部通訊則主要是以RS485的通訊協(xié)議的形式，將本系統(tǒng)所有的信息定時(shí)的上報(bào)到貨艙集控室的航行數(shù)據(jù)記錄儀(VDR)上。該航行記錄儀不同于主控制器內(nèi)部的信息記錄儀，它不僅記錄了主控制器上進(jìn)行操作和顯示的所有信息，同時(shí)還能記錄回路中各個(gè)探測點(diǎn)的監(jiān)測信息，即便在沒有任何事故發(fā)生的情況下，它也能定期向集控系統(tǒng)預(yù)報(bào)運(yùn)行正常的消息，以保證對本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)語

貨艙進(jìn)水報(bào)警系統(tǒng)是由水位探測、進(jìn)水報(bào)警管理、系統(tǒng)管理等多項(xiàng)功能構(gòu)成的，其中探測器及系統(tǒng)信息的管理應(yīng)用功能在該系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，不僅使系統(tǒng)功能完整，科學(xué)高效，還為促進(jìn)貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)國產(chǎn)化起到重要作用。

貨艙進(jìn)水報(bào)警控制系統(tǒng)的建立，可實(shí)現(xiàn)全船貨艙的進(jìn)水監(jiān)控，為船員提供了監(jiān)視控制平臺(tái)，可方便快捷的根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷和處理，縮短解決遇難問題的時(shí)間，提高船舶的生命力。

[1] 雷海.貨艙進(jìn)水原因分析及應(yīng)急措施(上)[J].中國遠(yuǎn)洋航務(wù)，2007，(5):64－67.

[2] 阮友德.電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)教程[M].北京:人民郵電出版社，2006.

[3] 史國生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4] 孫增圻，張?jiān)倥d，鄧志東.智能控制理論與技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1997.

[5] 曾羽琴.計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控組態(tài)軟件的研究與開發(fā)[D].南京:東南大學(xué)，2007.

[6] 嚴(yán)金云，江光靈.西門子S7-200 PLC在自由模式下與計(jì)算機(jī)的通訊[J].自動(dòng)化儀表，2004，25(12):43－46.