大型多功能水池集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

鄭 治，沈海鋼

· （上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011）

大型多功能水池集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

鄭 治，沈海鋼

· （上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011）

多功能水池試驗(yàn)室設(shè)置若干工藝設(shè)備，這些設(shè)備的控制系統(tǒng)各成一體，相互獨(dú)立。在試驗(yàn)時(shí)，各工藝設(shè)備需要相互協(xié)作。因此，需要配置一套集中控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)各設(shè)備的協(xié)同控制。介紹了集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要工作原理、控制流程及運(yùn)行效果。同樣介紹了系統(tǒng)操作、監(jiān)視人機(jī)畫(huà)面的實(shí)現(xiàn)。

集中控制；系統(tǒng)通訊；流程控制

0 引言

多功能試驗(yàn)水池可用于多種海洋船舶設(shè)備試驗(yàn)，其主要設(shè)備系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)、平臺(tái)升降系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、水下拖車(chē)系統(tǒng)、水下燈光系統(tǒng)、大造波機(jī)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)功能是采集試驗(yàn)所需參數(shù)，按照工藝、操作、安全等要求將各設(shè)備系統(tǒng)集合起來(lái)控制。

1 試驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集中控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的平臺(tái)升降系統(tǒng)主要控制設(shè)備由S7300PLC、10臺(tái)變頻器、位置傳感器等組成，控制平臺(tái)按照設(shè)定位置升降。抽真空系統(tǒng)控制水池真空度，主要由10組真空泵、閥組成，根據(jù)實(shí)際真空度情況控制這10組泵、閥的開(kāi)停順序。大造波機(jī)控制系統(tǒng)由SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，主要設(shè)備選用低壓交流同步伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、SINAMICS S120為驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、SIMOTION P350為運(yùn)動(dòng)控制器，輔以其它控制設(shè)備共同構(gòu)成推板造波伺服控制系統(tǒng)。水下小車(chē)控制系統(tǒng)主要由S7300PLC、西門(mén)子6RA70直流調(diào)速裝置等組成、控制小車(chē)的速度、行走位置。水下燈系統(tǒng)控制水下燈試驗(yàn)時(shí)開(kāi)停。

集中控制系統(tǒng)Step7硬件組成圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 Step7硬件組成圖

2 集中控制系統(tǒng)功能

綜合水池試驗(yàn)集中控制系統(tǒng)的主要功能為：

(1)集中控制系統(tǒng)完成對(duì)綜合水池試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)采集并記錄，主要采集溫度、濕度、真空度、波高、水速等信號(hào)。

(2)集中控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)之間相互通訊連接，實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)對(duì)各子系統(tǒng)的信號(hào)采集、單獨(dú)控制。

(3)根據(jù)試驗(yàn)流程集中控制系統(tǒng)對(duì)各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中式整體控制。

(4)各系統(tǒng)參數(shù)、狀態(tài)、故障等顯示、存儲(chǔ)、查詢。

3 集中控制系統(tǒng)組成

集中控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、S7-400PLC和ET200M遠(yuǎn)程IO從站構(gòu)成。人機(jī)畫(huà)面采用西門(mén)子組態(tài)軟件WinCC。集中控制系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體網(wǎng)絡(luò)組成如下：

(1)集中控制系統(tǒng)S7-400PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊連接。

(2)集中控制系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與大造波機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊連接，集中控制WINCC監(jiān)控圖面與大造波機(jī)WINCC flexible之間采用OPC連接。

(3)集中控制系統(tǒng)S7-400PLC與抽真空系統(tǒng)、平臺(tái)升降系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、水下拖車(chē)系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)之間采用Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊連接。

(4)集中控制系統(tǒng)共設(shè)置3個(gè)ET200從站，1個(gè)用于水下燈光控制；1個(gè)用于環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控；1個(gè)備用。

(5)集中控制系統(tǒng)通過(guò)Profibus DP轉(zhuǎn)Modbus網(wǎng)關(guān)采集水速儀、波高儀信號(hào)(水速儀、波高儀為Modbus從站)。

4 系統(tǒng)通訊

集中控制系統(tǒng)診斷與各子系統(tǒng)之間的通訊狀態(tài)：集中控制系統(tǒng)PLC采用西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)DP診斷功能塊，并在“系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖”中顯示各子系統(tǒng)通訊狀態(tài)。當(dāng)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，集中控制系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警并停止指令發(fā)送。

子系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)通訊診斷采用“心跳”程序方式判斷：所謂“心跳”就是子系統(tǒng)PLC中不停累計(jì)一數(shù)值，集中控制周期間斷性發(fā)一指令將此數(shù)值清零，當(dāng)通訊故障時(shí)，此數(shù)值增大到一定值就表示通訊中斷。當(dāng)子系統(tǒng)處于“集中控制”時(shí)出現(xiàn)通訊故障，則子系統(tǒng)停止運(yùn)行。

5 集中控制實(shí)現(xiàn)

集中控制系統(tǒng)對(duì)子系統(tǒng)控制分“單動(dòng)”和“聯(lián)動(dòng)”控制。當(dāng)選擇“單動(dòng)”時(shí)，集中控制系統(tǒng)對(duì)各子系統(tǒng)分別進(jìn)行單動(dòng)操作。當(dāng)選擇“聯(lián)動(dòng)”時(shí)，集中控制系統(tǒng)按照流程對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行控制操作。

5.1 集中控制系統(tǒng)試驗(yàn)流程

(1)常壓準(zhǔn)備階段。升降平臺(tái)浮到水面→拖車(chē)運(yùn)行到軌道前極限并抱閘鎖死→安裝發(fā)射裝置→安裝內(nèi)測(cè)裝置→安裝光測(cè)設(shè)備(水下燈，高速相機(jī))。此階段由各系統(tǒng)獨(dú)自操作完成，完成一項(xiàng)工作需在集中控制系統(tǒng)中人機(jī)確認(rèn)。

(2)抽真空階段流程。抽真空階段流程見(jiàn)圖3。

(3)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段流程。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段流程見(jiàn)圖4。

圖3 抽真空階段流程

圖4 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段流程

(4)試驗(yàn)階段流程。試驗(yàn)階段流程見(jiàn)圖5。

(5)試驗(yàn)收尾階段流程。試驗(yàn)收尾階段流程見(jiàn)圖6。

圖5 試驗(yàn)階段流程

圖6 試驗(yàn)收尾階段流程

5.2 PLC程序和人機(jī)操作、監(jiān)視畫(huà)面實(shí)現(xiàn)

流程結(jié)構(gòu)PLC程序采用S7-GRAPH語(yǔ)言編程(如圖7所示)，按照以上流程編制，條理清楚，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作。

實(shí)現(xiàn)了集中控制系統(tǒng)，只有條件滿足才能進(jìn)行下一步操作，特別是發(fā)射前所有發(fā)射條件都有顯示，只有條件滿

足才能進(jìn)行試驗(yàn)，極大地提高和保障了設(shè)備試驗(yàn)時(shí)的正常運(yùn)行。

常壓準(zhǔn)備階段、抽真空階段流程畫(huà)面見(jiàn)圖8。

試驗(yàn)階段、試驗(yàn)收尾階段流程畫(huà)面見(jiàn)圖9。

圖7 S7-GRAPH語(yǔ)言截面

圖8 常壓準(zhǔn)備階段、抽真空階段流程畫(huà)面

圖9 試驗(yàn)階段、試驗(yàn)收尾階段流程畫(huà)面

5.3 數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警等功能實(shí)現(xiàn)

各子系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)采用選擇性周期歸檔記錄，通過(guò)程序控制，試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)歸檔記錄或別的時(shí)候手動(dòng)進(jìn)行歸檔記錄。Wincc組態(tài)軟件數(shù)據(jù)記錄表格控件和趨勢(shì)控件能方便顯示、查詢歸檔數(shù)據(jù)。

波高儀數(shù)據(jù)需要采集到波峰和波谷值。由PLC在一定周期內(nèi)采集波高數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)最大值和最小值比較，并計(jì)算出浪高值，再在人機(jī)上顯示出波峰和波谷值、浪高值。

系統(tǒng)報(bào)警按照各系統(tǒng)分組，報(bào)警“進(jìn)入”文本色為黃色，背景色為黑色；報(bào)警“確認(rèn)”文本色為紅色，背景色為灰色；報(bào)警“離開(kāi)”文本色為綠色，背景色為黑色；Wincc組態(tài)軟件報(bào)警控件能方便顯示、查詢實(shí)時(shí)和歷史報(bào)警數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)操作信息記錄：當(dāng)操作人員點(diǎn)擊操作按鈕、更改設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄操作情況。

6 集中控制運(yùn)行效果

多功能水池以前各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，試驗(yàn)時(shí)需要子系統(tǒng)單獨(dú)操作，操作繁雜、操作步序無(wú)法保證，只能人為判斷操作條件。因此，需要操作人員人數(shù)多、安全性上也無(wú)法保證。2013年初集中控制系統(tǒng)運(yùn)行后，在集中控制計(jì)算機(jī)上一個(gè)操作人員就可對(duì)整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、操作，大大提高了試驗(yàn)效率和設(shè)備試驗(yàn)時(shí)的正常運(yùn)行以及操作的安全性。

[1]SIMATIC NET Manual Collection.

[2]S7-GRAPH,Programming Sequential Control Systems.

[3]WinCC系統(tǒng)手冊(cè).

Design and Realization of Centralized Control System for Large Multifunctional Pool

ZHENG Zhi,SHEN Hai-gang
(Shanghai Oriental Maritime Engineering Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200011,China)

There are many devices in the multifunctional testing pool.Control system of these devices is each as a whole and independent of each other.The process equipment needs collaboration in the test.Therefore,a centralized control system need be configured.It undertakes the cooperative control of every equipment.The design,working principle,control flow and running effect of the centralized control system are introduced.The realization of system operation and monitor the man-machine interface are also introduced.

centralized control; system communication; flow control

TP29

A

鄭治（1972-），男，主任工程師，研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化。