基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬 寧，秦 珩

（南海艦隊(duì)裝備部，廣東湛江 524001）

基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬 寧，秦 珩

（南海艦隊(duì)裝備部，廣東湛江 524001）

可調(diào)螺距螺旋槳CPP（簡(jiǎn)稱可調(diào)槳或調(diào)距槳）廣泛應(yīng)用于拖船、漁船、工程船（布纜船、挖泥船等）、調(diào)查船、科學(xué)考察船、油船、渡船、滾裝船、破冰船等?；赑LC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)使用PLC為主要控制單元，通過(guò)程序控制系統(tǒng)各部件工作；輔以HMI為主要顯示部件，組成高性能的CPP控制系統(tǒng)?？朔艘酝姆至⒃刂品绞较鹿收隙唷⒕S修困難的問(wèn)題，使設(shè)備具有集成度高，簡(jiǎn)單靈活，易于維護(hù)的特點(diǎn)。在海洋勘察船上一年多的使用，取得良好的效果，不僅各項(xiàng)性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工作穩(wěn)定可靠，而且產(chǎn)品維護(hù)升級(jí)非常方便。基于PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)，將PLC和HMI技術(shù)引入船舶CPP智能控制領(lǐng)域，增強(qiáng)了產(chǎn)品功能，降低了產(chǎn)品成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)推動(dòng)船舶電氣的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)也具有十分重要的意義。

調(diào)距槳 PLC HMI

0 引言

可調(diào)螺距螺旋槳 CPP（Controllable Pitch Propeller)，一般稱為可調(diào)槳或調(diào)距槳，此稱呼是相對(duì)于定距槳 FPP（Fixde Pitch Propeller）而言的，在推進(jìn)器中屬于高端產(chǎn)品，性能好，價(jià)格高。調(diào)距槳能夠在不改變螺旋槳和主機(jī)轉(zhuǎn)向的情況下，僅用改變螺距的方法得到從最大正值到最大負(fù)值的各種推力值，既可以省去換向裝置，又可減少船舶換向的時(shí)間。和單工作制的定距槳不同，它是多工作制機(jī)構(gòu)，有效地協(xié)調(diào)了船的多工況與單一主機(jī)的矛盾，在非設(shè)計(jì)點(diǎn)的其它工況，均能發(fā)揮主機(jī)螺旋槳的能力與效率，提高船的性能，和定距槳?jiǎng)恿ρb置相比，可提高約3～5%的綜合效率，具有明顯的節(jié)能效果。

廣泛采用調(diào)距槳的船型有：拖船、工程船（布纜船、挖泥船等）、調(diào)查船、科學(xué)考察船、油船、渡船、滾裝船、破冰船等。

但是，我國(guó)各類船舶裝備的調(diào)距槳電控系統(tǒng)基本上都是采用模擬電路控制方式，即由分離元件電路板組成的模擬控制電路。這種控制模式有參數(shù)易漂移、精度不高、調(diào)試點(diǎn)多、故障率高等缺點(diǎn)，維修調(diào)試十分困難。各個(gè)廠家生產(chǎn)的控制板規(guī)格不同，接口電路沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，零配件更換困難。

本文以海洋勘察船主推進(jìn)裝置調(diào)距槳控制系統(tǒng)為例，探討了使用PLC結(jié)合HMI技術(shù)，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定性高、操作使用方便的CPP控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

結(jié)合船舶的實(shí)際情況，對(duì)CPP控制系統(tǒng)需求分析如下：

1）本系統(tǒng)要求能夠在駕駛室、集控室操縱控制調(diào)距槳及主機(jī)轉(zhuǎn)速；對(duì)調(diào)距槳的控制應(yīng)使集控室比駕駛室優(yōu)先。兩部位間設(shè)置聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，同一時(shí)間只能在一個(gè)部位進(jìn)行操縱；

2）駕駛室與集控室之間應(yīng)能迅速方便的進(jìn)行切換，切換時(shí)間一般不大于3 s；控制部位之間進(jìn)行切換時(shí)，調(diào)距槳的原工況應(yīng)保持不變，各控制部位設(shè)有操縱部位的指示信號(hào)；

3）每個(gè)部位均設(shè)有操縱臺(tái)，操縱臺(tái)上設(shè)有操縱手柄、螺距表、主機(jī)轉(zhuǎn)速表、操作開(kāi)關(guān)及狀態(tài)指示報(bào)警燈；

4）控制箱面板設(shè)置一臺(tái)HMI，便于使用、管理和維修維護(hù)；

5）螺距失控時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

6）調(diào)距槳控制角度范圍：+100～0～-100（相對(duì)值），轉(zhuǎn)速控制范圍：125～200 r/min；

7）全程變距時(shí)間：35±1 s（含電控及液壓動(dòng)作時(shí)間）；

8）具備調(diào)距槳負(fù)荷控制功能；

9）具備調(diào)距槳恒速控制功能；

10）本系統(tǒng)應(yīng)具備一定的抗干擾能力，也不應(yīng)產(chǎn)生正常工作所不允許的傳導(dǎo)感應(yīng)和輻射干擾，各系統(tǒng)之間應(yīng)能電磁兼容；

上述功能能夠最大限度的發(fā)揮調(diào)距槳的作用，可平穩(wěn)精確控制艦船的航速，非常有利于船舶的戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮。系統(tǒng)同時(shí)具備完善的安全保護(hù)功能，能有效的保護(hù)主機(jī)的安全運(yùn)行。

1.2 調(diào)距槳控制系統(tǒng)工作原理

調(diào)距槳控制系統(tǒng)組成如下：

1）駕駛室操縱臺(tái)（含左機(jī)和右機(jī)）

2）集控室操縱臺(tái)（含左機(jī)和右機(jī)）

3）艉軸艙操縱臺(tái)（左機(jī)）

4）艉軸艙操縱臺(tái)（右機(jī)）

5）主控制箱（集控室）

6）備用控制箱（艉軸艙）

7）傳令車鐘（駕駛室和集控室）

8）螺距反饋裝置（艉軸艙）

9）轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置（艉軸艙）

10）負(fù)荷測(cè)量裝置（主機(jī)艙）

11）調(diào)速比例閥及電磁閥箱（集控室）

12）螺距測(cè)量指示裝置（集控室）

其功能框圖如圖1所示。

結(jié)合圖1，CPP控制系統(tǒng)工作過(guò)程如下：PLC控制系統(tǒng)根據(jù)（駕駛室或集控室）操縱手柄的指令，按照預(yù)先編制的程序，同時(shí)對(duì)調(diào)距槳和主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)具有負(fù)荷控制功能，負(fù)荷控制可在船舶外部航行條件（風(fēng)、浪、洋流等）發(fā)生變化時(shí)，保持主機(jī)已調(diào)定的負(fù)荷，保證操控手柄的安全操作，使主機(jī)不會(huì)有超負(fù)荷的危險(xiǎn)。

主控制系統(tǒng)和備用控制系統(tǒng)采用獨(dú)立供電方式。主控制系統(tǒng)由總配電板的380 V輸出，經(jīng)7LP、8LP電力分電箱到主機(jī)變壓器轉(zhuǎn)換為220 V；備用控制系統(tǒng)由總配電板的220 V直接供電。

為安全考慮，在意外情況下調(diào)距槳控制系統(tǒng)能夠繼續(xù)使用，控制系統(tǒng)還配有獨(dú)立的螺距備用控制裝置和備用的駕駛室傳令鐘裝置。

1.3 主要材料選型

1）控制器（PLC）：選用歐姆龍的CP1HXA40DT-D型可編程控制器主機(jī), 主要性能如下：

電源：DC24V

控制方式：存儲(chǔ)的程序方式

程序語(yǔ)言：梯形圖

指令長(zhǎng)度：1～7步/指令。

指令執(zhí)行時(shí)間：基本指令：0.10 μs以上，專用指令：0.15 μs以上。

公用處理時(shí)間：0.7 ms。

程序容量：20 K步。

子程序編號(hào)最大值：256

跳動(dòng)編號(hào)最大值：256

定時(shí)器：4,096位：T0～T4095

計(jì)數(shù)器：4,096位：C0～C4095

DM區(qū)：32K字：D0～D32767

跟蹤存儲(chǔ)器：4,000字（500個(gè)樣本用于追蹤數(shù)據(jù)，最多為31位和6字。）

線性驅(qū)動(dòng)器輸入：兩軸用于相位A、B和Z

線性驅(qū)動(dòng)器輸出：兩軸用于CW和CCW

圖1 系統(tǒng)方框圖

2） HMI：選用威綸10寸TK6102I型液晶顯示觸摸屏，主要性能如下：

顯示類型：10”TFT

分辨率（WxH dots）：800 x 480

顯示色彩：65536

顯示亮度（cd/m）：300

對(duì)比度：500∶1

觸控類型：4線模擬電阻式

觸控精度：Active Area Length(X）±2%, Width(Y)±2%

Flash儲(chǔ)存器：128 MB

DRAM：64 MB

處理器：32 Bit RISC 400 MHz

COM連接：Com1∶ RS-232/RS-485 2w/4w, Com3∶ RS-485 2w

輸入電源：24±20%VDC

軟件：簡(jiǎn)體中文版EB8000 V4.42或更新版

3）轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊：選用HXG-253N型轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊

4）比例閥驅(qū)動(dòng)板：選用HXG-253P型比例閥驅(qū)動(dòng)板

5）放大板：選用HXGOS.PCB螺距表指示放大板。

2 螺距控制功能實(shí)現(xiàn)

2.1 螺距控制原理

駕駛室或集控室操控臺(tái)上的操縱手柄軸帶動(dòng)一支高精度信號(hào)發(fā)生器（由精密電位器產(chǎn)生），將手柄信號(hào)即調(diào)距槳角度指令信號(hào)送給PLC的A/D通道1。同時(shí)，調(diào)距槳配油器內(nèi)部的螺距反饋精密電位器給出一個(gè)實(shí)際螺距角度信號(hào)送往PLC 的A/D通道2，PLC接收到這兩個(gè)信號(hào)后，結(jié)合主機(jī)轉(zhuǎn)速等其他狀態(tài)信息綜合判斷運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)正車或倒車電磁閥工作。電磁閥接通正車/倒車油壓油路，通過(guò)軸內(nèi)的液壓缸帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生一調(diào)距槳角度，使之與操縱手柄指令一致，從而完成調(diào)距槳的控制?？刂剖疽鈭D如圖2。

圖2 螺距控制原理示意圖

PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中虛線部分由PLC的基本單元加上模擬量輸入/輸出擴(kuò)展單元來(lái)承擔(dān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓站和配油器承擔(dān)，被控對(duì)象為調(diào)距漿，檢測(cè)變送由螺距傳感器來(lái)完成。PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)工作過(guò)程為，由PLC采樣來(lái)自指令元件的模擬信號(hào)r(t)和檢測(cè)變送器的反饋c(t)，同時(shí)將采樣的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，運(yùn)算后得到差值e(t)，存在指定的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)算處理后輸出c(t)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 控制算法的設(shè)計(jì)

螺距角度控制為前饋加閉環(huán)控制，前饋控制可以使螺距角度快速到達(dá)設(shè)定值，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而閉環(huán)控制可以調(diào)節(jié)由位置干擾引起的螺距角度波動(dòng)，螺距角度閉環(huán)控制采用了位置式 PID 算法，實(shí)現(xiàn)螺距角度精確控制。公式(1)即為位置式 PID算法。

式中，u(k)—第k 次采樣時(shí)刻控制器的輸出值；

e(k)—第k 次采樣時(shí)刻控制器的輸入（e(k )=r(k )-c(k )常常是設(shè)定值與被控量之差）；

Kp—控制器的比例放大系數(shù)；

Ki—控制器的積分系數(shù)；

Kd—控制器的微分系數(shù)。

該公式依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)參數(shù)，使得調(diào)距槳控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。

3 轉(zhuǎn)速控制功能實(shí)現(xiàn)

3.1 轉(zhuǎn)速控制原理

由駕駛室或集控室操控臺(tái)上的操縱手柄輸出的指令信號(hào)同時(shí)被PLC解釋為轉(zhuǎn)速信號(hào)，PLC在接收到這個(gè)信號(hào)后，綜合當(dāng)前控制模式開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，以及柴油機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等外部條件，適時(shí)調(diào)整柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。其工作原理如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速控制原理示意圖

系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制時(shí)，將啟動(dòng)轉(zhuǎn)速控制程序。軟件在每個(gè)掃描周期執(zhí)行一次轉(zhuǎn)速控制程序，輸出的電壓信號(hào)由公式2計(jì)算得出。

式中，Q——輸出信號(hào)，經(jīng)D/A單元轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制轉(zhuǎn)速比例閥。

Ph——輸入信號(hào)，操縱手柄的指令，電壓信號(hào)，經(jīng)A/D單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

Pf——輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)速的反饋電壓，經(jīng)A/D單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

f1——轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)1，由PLC的輸出精度和參考電壓計(jì)算得出。

f2——轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)2，也稱為校準(zhǔn)系數(shù)，與手柄的電壓信號(hào)以及系統(tǒng)輸出誤差相關(guān)。

Dmin——最小輸出值。

使用編程語(yǔ)言將公式(2)寫(xiě)入PLC控制軟件，作為子程序以備調(diào)用。實(shí)際的轉(zhuǎn)速控制程序比較復(fù)雜，在使用公式(2)的同時(shí)，需考慮幾個(gè)方面的因數(shù)，其工作過(guò)程如下：

1）首先，判斷是正車位還是倒車位；

2）再判斷轉(zhuǎn)速是否大于200 rpm；

3）下面以正車位，轉(zhuǎn)速小于200 rpm為例說(shuō)明程序的處理過(guò)程。轉(zhuǎn)速如果大于200 rpm，則不可調(diào)整轉(zhuǎn)速。至于倒車位，控制流程相同，只是使用的轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)不一樣。

4）從A/DCH1讀取駕控手柄的輸入信號(hào)，減去設(shè)定的“調(diào)速+ 死區(qū)”，得到差值DU(DU=Ph-Pf)，再與“調(diào)速+ 死區(qū)”進(jìn)行比較；

5）當(dāng)駕控手柄的輸入信號(hào)＜“調(diào)速+ 死區(qū)”時(shí)，DA輸出最小值Dmin，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速比例閥；

6）當(dāng)駕控手柄的輸入信號(hào)≥“調(diào)速+ 死區(qū)”時(shí)，運(yùn)用公式2計(jì)算輸出信號(hào)，DU(DU=Ph- Pf)先乘以轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)f1，再除以轉(zhuǎn)速比例閥系數(shù)f2；

7）結(jié)果加上最小值Dmin，通過(guò)DA輸出，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速比例閥。

4 HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)

工作主界面是系統(tǒng)工作時(shí)最常用的界面。根據(jù)系統(tǒng)需要，在EB8000軟件上設(shè)計(jì)CPP控制主界面如圖4所示。

主界面的左邊設(shè)有19個(gè)位狀態(tài)指示燈，分為兩列擺放。最左側(cè)位狀態(tài)指示燈用于指示駕控室控制下的9種控制方式；右邊位狀態(tài)指示燈用于指示集控室的控制方式和主機(jī)工作狀態(tài)。

主界面的中部是3個(gè)棒圖元件，前兩個(gè)棒圖元件分別用于指示駕控手柄和集控手柄的位置，另外一個(gè)棒圖元件用于指示調(diào)距槳的螺距狀態(tài)。

主界面的右邊是6個(gè)表針元件。分別用于指示艉軸轉(zhuǎn)速、主機(jī)負(fù)荷、調(diào)速氣壓、齒條表、螺距微調(diào)和負(fù)荷限制。

圖4 工作主界面

5 結(jié)論

本文介紹了基于PLC和HMI的調(diào)距漿控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)。該設(shè)備與以前的分離元件電路板產(chǎn)品相比，具有集成度高，性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。

該產(chǎn)品在海洋勘察船上投入使用一年多時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。PLC和HMI都是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，配件供貨方便，系統(tǒng)維護(hù)快捷簡(jiǎn)單。HMI顯示界面清晰、美觀，主題突出，性能穩(wěn)定可靠，這些優(yōu)點(diǎn)使得該產(chǎn)品在船舶CPP自動(dòng)化控制中有很大的應(yīng)用前景。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將PLC和HMI技術(shù)引入船舶CPP智能控制領(lǐng)域，增強(qiáng)了產(chǎn)品的功能與性能，降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品的可維護(hù)性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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The Design of the Pitch Control System Based on PLC

Ma Ning, Qin Heng

（ Facility Department of South China Sea Fleet, Zhanjiang 524001, Guangzhou, China ）

Controllable pitch propeller( CPP) is widely used in tug, fishing boats, engineering ships (cable laying ship, dredger, etc.), boat surveys, scientific investigation ship, oil tanker, ferry and RO ro ships, icebreakers and others. Using PLC as main control unit, CPP control system controls components through the program, and forms high performance CPP control system with HMI as the main display components. It overcomes the problems of many faults and maintenance difficulty in former control method, which makes the equipment have high integration, simple and flexible, and easy to maintain. It gets good results for the system used in marine survey ship more than a year. It meets the design requirements. The operation is stable and reliable, and product maintenance and upgrade is very convenient. Based on PLC, intelligent control of ship CPP enhances the function, reduces the cost and gets better economic benefits. It also has a very important significance to promote the construction of ship's electrical standardization.

CPP; PLC; HMI

TP273

A

1003-4862（2015）08-0061-05

2015-06-08

馬寧（1983-），男，工程師。研究方向：輪機(jī)工程。