船舶液位測量與閥門遙控系統(tǒng)的應(yīng)用

朱逸銘 潘萬欣

摘 要：本船舶液位測量與閥門遙控系統(tǒng)主要由下端的數(shù)據(jù)采集模塊和PLC控制模塊以及上位機(jī)組成。上位機(jī)界面主要采用Visual Basic語言來編寫。利用Lonworks現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線將信號采集模塊采集到的模擬或數(shù)字信號全部轉(zhuǎn)換成可用數(shù)字信號傳送給上位機(jī)。通過RS485將上位機(jī)與PLC模塊相連，由PLC送出信號驅(qū)動現(xiàn)場的電磁閥，通過控制電磁閥箱內(nèi)的電磁閥的通斷，換向，改變介質(zhì)（液壓油）走向來驅(qū)動閥門的轉(zhuǎn)向，達(dá)到閥門開關(guān)的目的，從而達(dá)到船舶油水的換路，增加船舶的自動化程度。

關(guān)鍵詞：液位測量；閥門遙控；VB技術(shù)；Lonworks傳輸模式；PLC控制；RS485數(shù)據(jù)傳輸

緒論

隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化進(jìn)程加速，世界各國的貿(mào)易往來越來越頻繁，而航運業(yè)在其中扮演著舉足輕重的地位。正是對船舶的依賴性日益加劇，造成了使用者對船舶的安全性，穩(wěn)定性及實用性等提出了更高的要求。船舶的智能化成為一種必然的選擇。基于這種剛性需求，我們認(rèn)為有必要對船舶的液位測量和閥門遙控系統(tǒng)作出技術(shù)改進(jìn)。

1 原理

利用性能較好的傳感器，將物理量精確的轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號?；趯Φ讓覣/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的信號采集，通過Lonworks數(shù)據(jù)總線將底層的數(shù)字信號傳送至上位機(jī)，通過人機(jī)交互界面，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控船舶各個艙室及污水井等水位情況。通過RS485的數(shù)據(jù)傳輸，將上位機(jī)發(fā)出的控制命令傳達(dá)給PLC，用PLC去控制電磁閥，利用液壓最終驅(qū)動閥門，達(dá)到船舶壓載油水的目的。

2 相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 傳感器的選用。傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。傳感器有以下指標(biāo)：量程指標(biāo)，靈敏度指標(biāo)，精度有關(guān)指標(biāo)，溫度指標(biāo)，可靠性指標(biāo)及其他指標(biāo)。

針對民用船舶測量精度要求不是非常高，考慮價格和實用等因素，可選用壓電式壓力傳感器。它是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。主要用于各種船舶的壓載艙，燃油艙。精度0.5%～0.125%。

特點：壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，重量輕等優(yōu)點。

2.2 Lonworks數(shù)據(jù)總線傳輸技術(shù)。在控制系統(tǒng)中，Lonworks是通用的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完全開放，通信不受通信介質(zhì)的限制。Lonworks技術(shù)的核心產(chǎn)品之一是它推出的Lonworks神經(jīng)元芯片，它是Lonworks技術(shù)在控制端的基本組成。固化了負(fù)荷OSI標(biāo)準(zhǔn)的Lontalk通信協(xié)議，使它具有強(qiáng)大的通信功能，控制功能，自診斷功能和I/O功能。Lonworks技術(shù)在雙絞線情況下，適用于長距離大范圍的信號采集和數(shù)據(jù)傳送。Lonworks技術(shù)的整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：Lonworks節(jié)點和路由器，Lonworks協(xié)議，Lonworks收發(fā)器和Lonworks網(wǎng)絡(luò)等組成部分。

圖1 Host Base節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖

在人機(jī)界面中顯示實時測得的數(shù)據(jù)，必要時可以通過LonTalk協(xié)議編寫報文傳輸給二次儀表，使用更為直觀，帶屏蔽的雙絞線可以隔離信號干擾等，這些都是Lonworks能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的特點。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（信號采集模塊）。本系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器不僅僅只是穩(wěn)定快速的轉(zhuǎn)換信號，還必須采用帶TOSHIBA3150神經(jīng)元芯片的CPU作為處理器適用于Lonworks通信系統(tǒng)。我們采用的信號采集模塊負(fù)責(zé)采集傳感器信號；對信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換計算處理；把數(shù)據(jù)傳送到人機(jī)界面或其他單元。應(yīng)用模塊化，在維修時可直接更換解決問題，大大縮短維修時間。為了適用于Lonworks總線，數(shù)據(jù)處理單元還必須將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號滿足LonTalk的報文規(guī)則，且必須每個采集模塊都必須設(shè)置自身的節(jié)點號，即模塊地址。

2.4 RS485傳輸技術(shù)。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議，如MODBUS協(xié)議完成設(shè)備互聯(lián)。這樣一來，船上的設(shè)備可以自帶一個數(shù)據(jù)處理終端，將本設(shè)備所需的被測量編寫進(jìn)MODBUS協(xié)議，僅通過一對雙絞線將上百個被測量點傳送給其他系統(tǒng)。大大節(jié)省了電纜，也給船廠施工人員和調(diào)試人員減少了很多工作量。還可以和船舶的其它系統(tǒng)相連。

2.5 VB程序編寫技術(shù)。本系統(tǒng)采用VB程序編寫，最大的優(yōu)勢在于它的易用性，可以讓經(jīng)驗豐富的程序員或是剛剛懂得皮毛的人都能用自己的方式快速開發(fā)程序。而且VB的程序可以非常簡單的和數(shù)據(jù)庫連接。VB使用了可以簡單建立應(yīng)用程序的GUI系統(tǒng)，但是又可以開發(fā)相當(dāng)復(fù)雜的程序。

2.6 PLC編程技術(shù)。PLC為船級社認(rèn)可的船用產(chǎn)品。且在市場上被認(rèn)為是穩(wěn)定，性價比較高的產(chǎn)品。PLC程序下載只需要一根通訊線，在現(xiàn)場修改程序非常方便。集成了MODBUS總線，可直接連接到總線上。編程軟件比較容易上手。

西門子S7-200系列PLC可應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)，可以使用專業(yè)編程軟件對PLC進(jìn)行程序編寫。通常S7-200用于200點開關(guān)量以內(nèi)，35點模擬量以內(nèi)，程序量在16K以內(nèi)的應(yīng)用場合。

3 需求分析

要做出一個優(yōu)秀的系統(tǒng)，首先應(yīng)該進(jìn)行需求分析，才能令設(shè)計出的監(jiān)控系統(tǒng)滿足用戶的各項功能。

首先，最基本的功能應(yīng)該能夠把需要監(jiān)測的各個燃料油艙，吃水撓度等主要數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)上，供船員遠(yuǎn)程監(jiān)視。其次，閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要求用戶能夠在遠(yuǎn)離閥門的位置（控制室）對閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對于開關(guān)閥必須能夠開關(guān)到位，對于開度閥，必須能夠滿足船員的要求在0%-100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。開關(guān)閥門的位置反饋信息必須在上位機(jī)側(cè)準(zhǔn)確顯示。每條船舶都必須根據(jù)船體設(shè)計，在上位機(jī)上正確地反映出船舶的MIMIC圖，船舶在哪些位置有傳感器，哪些位置有遙控閥，海水淡水的進(jìn)出管路等信息。使船員能夠真正安心的在控制室里了解船舶實時運行情況。最重要的是系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)誤差不能過大，系統(tǒng)必須穩(wěn)定長期運行，系統(tǒng)設(shè)置的報警點準(zhǔn)確，萬一系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓必須有明確的提示，以避免船員因系統(tǒng)癱瘓顯示的假數(shù)據(jù)導(dǎo)致船舶發(fā)生重大事故。

4 詳細(xì)設(shè)計

本系統(tǒng)最重要的設(shè)計分2個部分：（1）上位機(jī)的VB程序編寫。（2）遙控閥功能實現(xiàn)的PLC程序編寫。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計的核心在于PLC程序的編寫和上位機(jī)人機(jī)對話界面的程序編寫。其他硬件方面均可以直接采用市場上比較成熟的產(chǎn)品。具以下優(yōu)點：（1）規(guī)范性：整個系統(tǒng)的各種軟件、硬件均應(yīng)符合相關(guān)的國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及船舶所入船級社技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。（2）開放性：可以將我們采集到的信號和發(fā)送出去的命令，同時傳送給機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，VDR設(shè)備等船舶其它系統(tǒng)。（3）先進(jìn)性：先從模仿進(jìn)口產(chǎn)品的設(shè)計和使用理念開始，不斷改進(jìn)船員在使用系統(tǒng)過程中提出的要求，更新產(chǎn)品。從而保證系統(tǒng)在技術(shù)上領(lǐng)先。（4）擴(kuò)展性：軟件、硬件平臺具有良好的可擴(kuò)充、擴(kuò)展能力，能夠方便進(jìn)行系統(tǒng)升級和更新。（5）經(jīng)濟(jì)性：產(chǎn)品自主化，可大大降低設(shè)備后續(xù)的維護(hù)及修理費用。

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作者簡介：朱逸銘（1987-），男，上海市人，助理工程師，主要從事船舶自動化系統(tǒng)研究。