淺析PLC的工作原理及其在船舶上的使用

陳新華 印愛榮 張丹秋

（江蘇兆勝空調(diào)有限公司，江蘇 泰州225400）

0 引言

PLC即可編程序控制器，主要優(yōu)點(diǎn)為可靠性高、便于使用、設(shè)計(jì)花費(fèi)周期短等，因此在我國各個(gè)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，例如鋼鐵、水泥、機(jī)械加工以及紡織等。PLC主要由硬件與軟件構(gòu)成，硬件部分主要包括電源、中央處理器、I/O單元（輸入/輸出）、內(nèi)部儲(chǔ)存器以及編程器等，軟件則主要包括主板上各個(gè)I/O管理系統(tǒng)及操作系統(tǒng)。先要將所需系統(tǒng)的編程工作做好，而后將其放置于PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，一旦系統(tǒng)啟動(dòng)便會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，且該運(yùn)行具有反復(fù)性。對(duì)于PLC而言，其主要工作方式即循環(huán)掃描，每當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)改變就需要經(jīng)歷一個(gè)掃描周期，其時(shí)間一般在幾到幾十毫秒之間。PLC的整個(gè)控制流程為：內(nèi)部處理—通信—輸入—執(zhí)行—輸出。通過此流程將輸入時(shí)所獲信號(hào)予以加工處理，而后再將其送至輸出環(huán)節(jié)，從而對(duì)設(shè)備的正常工作運(yùn)行發(fā)揮指揮之效。

1 PLC的工作原理

PLC的工作階段主要包括輸入采樣、執(zhí)行程序以及輸出刷新。

1.1 輸入采樣階段

在此階段，PLC會(huì)將收集到的所有信號(hào)拷貝于映像寄存器中，在此過程中要注意遵照其順序，而后便進(jìn)入執(zhí)行程序階段。在此階段即使輸入狀態(tài)產(chǎn)生了調(diào)整或者改變，寄存到映像寄存器中的所有內(nèi)容與信號(hào)都不會(huì)發(fā)生變化，而輸入狀態(tài)若是出現(xiàn)變化，則只有在下個(gè)周期開展PLC的工作時(shí)才會(huì)被讀入映像寄存器中。

1.2 執(zhí)行程序階段

在此階段PLC主要是按照梯形圖的方式編寫程序，而后遵照先左后右、由上至下的順序進(jìn)行掃描。掃描內(nèi)容若為指令，則所需的元素例如輸入狀態(tài)等會(huì)由映像寄存器予以讀出處理，并將其執(zhí)行結(jié)果拷貝到元素映像寄存器中。所有元素在映像寄存器中的內(nèi)容都會(huì)隨著執(zhí)行程序的不斷變化與發(fā)展而作出改變。

1.3 輸出刷新階段

當(dāng)PLC系統(tǒng)執(zhí)行完程序后便會(huì)進(jìn)入輸出刷新階段，這時(shí)PLC會(huì)將元素映像寄存器所使用的狀態(tài)送至輸出鎖存器，從而形成PLC的實(shí)際輸出。在第二階段，對(duì)于輸出鎖存器而言，其狀態(tài)是固定不變的。

以上即PLC的工作原理，每重復(fù)一次，就代表一個(gè)新的掃描周期。PLC的工作周期不僅包括上述3個(gè)階段，嚴(yán)格來說還應(yīng)該有自我監(jiān)控、信息交換以及系統(tǒng)通信等環(huán)節(jié)。

2 PLC在船舶上的使用

PLC是一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合在一起的工業(yè)產(chǎn)品，其具備微型計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算能力、信息傳輸能力以及處理數(shù)據(jù)能力，當(dāng)下已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。其在船舶中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電站控制系統(tǒng)、冷卻水智能控制系統(tǒng)以及航向控制系統(tǒng)中。

2.1 PLC在船舶電站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的船舶電站自控系統(tǒng)存在可靠性低、線路復(fù)雜以及維修難度大等缺點(diǎn)，且當(dāng)前對(duì)于我國船舶而言，其電站系統(tǒng)都能夠體現(xiàn)自控性，但控制系統(tǒng)卻大同小異，無非就是繼電器與電子電路這兩種。而這兩種系統(tǒng)缺點(diǎn)都較為明顯，因此為了實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)化控制，并提升其安全系數(shù)與可靠性能，便在電站控制系統(tǒng)中引入了PLC。

PLC在該系統(tǒng)中的主要職責(zé)在于控制發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)與停止，并且還要處理機(jī)組出現(xiàn)的故障、調(diào)節(jié)頻率、控制并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)與機(jī)組數(shù)量以及管理大功率負(fù)荷等。其采用了CPU模塊，主要用于采集、處理輸入信號(hào)與變換、執(zhí)行輸出信號(hào)。同時(shí)在PLC內(nèi)部還能夠?qū)崿F(xiàn)PID計(jì)算，其指令處理速度快并且豐富多樣，運(yùn)算能力較好。由于具備上述功能，PLC能夠?qū)Υ半娬具M(jìn)行總體與邏輯控制，因而完全能代替上述兩種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，使機(jī)組故障率大幅度降低。

2.2 PLC在船舶冷卻水智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC船舶冷卻水智能控制系統(tǒng)主要包括以下內(nèi)容：

（1）PLC控制器。主要功能在于接收與處理源于水泵溫度傳感器的信號(hào)（淡水溫度、海水溫度），將其與給定值相比并通過合理計(jì)算后，將控制信號(hào)發(fā)送至調(diào)節(jié)閥與海水泵。

（2）雙速海水泵與淡水調(diào)節(jié)閥。該設(shè)備能夠有效調(diào)節(jié)流入、流出的淡水及海水的量，同時(shí)還能夠保證其溫度的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)期望值。

PLC應(yīng)用于冷卻水智能控制系統(tǒng)的主要原理為：

（1）若系統(tǒng)遭受擾動(dòng)，例如負(fù)荷發(fā)生變化、海水溫度出現(xiàn)變化等，將使中央主機(jī)中的冷卻水與給定值相差甚遠(yuǎn)。

（2）PLC控制器會(huì)對(duì)比測(cè)量值與既定值，從而得到偏差值并形成信號(hào)。PLC再對(duì)其進(jìn)行精密計(jì)算，將控制信號(hào)傳送至電動(dòng)執(zhí)行器。

（3）該執(zhí)行器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)三通閥，一直到冷卻水的溫度恢復(fù)至原始狀態(tài)。

（4）在該系統(tǒng)中海水泵有著重要作用，并且數(shù)量較多，能夠依據(jù)三通閥的位置以及海水溫度合理調(diào)節(jié)海水流量，從而滿足各個(gè)負(fù)荷水平下的要求。

2.3 PLC在船舶航向控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

過去對(duì)船舶航向進(jìn)行控制時(shí)主要是應(yīng)用PID舵，其一旦周邊出現(xiàn)高頻干擾就極為敏感，需要頻繁操舵，因而無法自主適應(yīng)船舶所具備的特性與海水情況的變化，而一般的航舵自控系統(tǒng)具有成本高、參數(shù)難以調(diào)節(jié)、控制效果變化幅度大的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)模型具有較大的依賴性。而一般而言，要想使數(shù)學(xué)模型具備高精確性是極其困難的，因此在該系統(tǒng)中引入PLC能夠有效解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中電子元件由于使用時(shí)間長出現(xiàn)老化、舵機(jī)故障出現(xiàn)率高、保養(yǎng)維修費(fèi)用高等問題。

基于PLC的船舶航向控制系統(tǒng)中主要使用的PLC硬件平臺(tái)為S7－200，而后應(yīng)用專門的軟件來編程。同時(shí)還采用了CPU模塊，實(shí)現(xiàn)了PID功能。該系統(tǒng)所能連接的擴(kuò)展模塊高達(dá)7個(gè)，由于PLC設(shè)計(jì)是模塊化的，這也就為擴(kuò)展提供了諸多接口。在該系統(tǒng)中有船舶操舵儀，PLC在其中具備以下功能：PID自整定功能；船舶若偏航則自動(dòng)報(bào)警；限幅；調(diào)節(jié)反舵角、壓舵角、靈敏度、天氣、航向等；對(duì)游隙機(jī)構(gòu)予以補(bǔ)償。由此可見，在船舶航向自控系統(tǒng)中應(yīng)用PLC具備很大的適應(yīng)性，能夠管理PID參數(shù)，在對(duì)自動(dòng)舵進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能均較為優(yōu)良。同時(shí)，應(yīng)用PLC可靠性較高，還能減少船舶保養(yǎng)維修費(fèi)用，并使操作更加簡(jiǎn)便。

3 結(jié)論

綜上所述，將PLC應(yīng)用于船舶中具備諸多優(yōu)點(diǎn)：

（1）PLC應(yīng)用于電站控制系統(tǒng)能夠提升整個(gè)電站控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，替代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，避免由于繼電器使用時(shí)間過長致使系統(tǒng)故障經(jīng)常發(fā)生的情況。

（2）應(yīng)用于冷卻水智能控制系統(tǒng)則能夠使該系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期精度標(biāo)準(zhǔn)與提升抗干擾能力，減輕其敏感性。

（3）應(yīng)用于航向控制系統(tǒng)能夠提升該系統(tǒng)的可靠性、減少維修管理成本并簡(jiǎn)化操作。

除上述幾種系統(tǒng)之外，PLC還在船舶機(jī)艙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、主機(jī)遙控、機(jī)艙風(fēng)速調(diào)節(jié)以及鍋爐控制等系統(tǒng)中有所應(yīng)用，由此可見，其應(yīng)用范圍較大且未來發(fā)展前景較好。

［1］周名偵，葉翠安，盧曉春，等.船舶中央空調(diào)的組態(tài)與PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010（7）

［2］張廠.基于PLC的船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究［D］.大連海事大學(xué)，2010

［3］郭茍茍.基于PLC的船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.天津大學(xué)，2012

［4］謝獻(xiàn)綱，王啟祥，羅力淵，等.基于PLC的船舶中央空調(diào)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電設(shè)備，2010（5）

［5］王慧勇，毛宏雨.基于PLC和WSN的船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）