基于PLC的船舶壓載艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 進(jìn)，施海濤，李 橋

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇遠(yuǎn)望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300)

基于PLC的船舶壓載艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 進(jìn)1，施海濤1，李 橋2

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇遠(yuǎn)望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300)

以MCGS組態(tài)軟件和ABBAC500系列PLC為核心，建立了具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備執(zhí)行以及上位機(jī)顯示功能的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以船舶壓載艙液位、船舶吃水、壓載泵進(jìn)出口壓力等參數(shù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)使用PLC控制壓載艙閥門、壓載泵等設(shè)備，運(yùn)用模糊PID算法進(jìn)行閥門控制。利用MCGS組態(tài)軟件來(lái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面，主要包括系統(tǒng)的主控界面、參數(shù)的設(shè)置界面、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表和報(bào)警記錄等。通過(guò)這些界面，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓載水調(diào)節(jié)過(guò)程中的船體浮態(tài)參數(shù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)表明，上位機(jī)呈現(xiàn)的畫(huà)面直觀、操作簡(jiǎn)單，具有良好的人機(jī)交互性；下位機(jī)程序運(yùn)行穩(wěn)定；整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

MCGS組態(tài)軟件； PLC； 壓載水調(diào)節(jié)； 模糊PID； 控制算法； 閥門開(kāi)度； 人機(jī)交互； 監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

船舶在裝卸貨物的過(guò)程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)橫向傾斜，為了維持船體的穩(wěn)定性，工作人員需要根據(jù)壓載艙的液位和船舶吃水情況計(jì)算配載，然后打開(kāi)壓載系統(tǒng)的閥門，不斷調(diào)節(jié)各艙室的閥門開(kāi)度，對(duì)各個(gè)壓載艙進(jìn)行排水或者壓水。這樣的人工調(diào)節(jié)方式存在如工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和安全性能不高等缺點(diǎn)[1-2]。為解決這些問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)新的監(jiān)控系統(tǒng)，降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高壓載水操作效率。

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，通用的組態(tài)軟件應(yīng)用到了實(shí)際的工程問(wèn)題中。組態(tài)軟件強(qiáng)大的界面顯示及仿真功能、豐富的功能模塊、可編程的命令語(yǔ)言使系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期大為縮短。本文設(shè)計(jì)了基于MCGS組態(tài)軟件和PLC的船舶壓載艙監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示各艙室液位、船舷吃水、橫傾等信息，對(duì)故障作出快速預(yù)報(bào)警和記錄，并根據(jù)船體實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)壓載艙閥門作出相應(yīng)的控制。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

本監(jiān)控系統(tǒng)參照了中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2011年修改通報(bào)》“電氣裝置”和“主機(jī)、輔助機(jī)械”章節(jié)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)參照了《浮船塢入級(jí)規(guī)規(guī)范(2009)》和《Rules For Building And Classing Steel Vessels(2010)》中的硬件設(shè)計(jì)規(guī)范。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循性能安全可靠原則，同時(shí)兼顧其抗干擾能力和低能耗性能，并遵循可標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展性和低成本的原則。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)主要由以下模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、指令執(zhí)行模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)系統(tǒng)中壓載艙液位、船舷吃水液位、油管壓力等參數(shù)進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊(即可編程控制器PLC)用于對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的信號(hào)；執(zhí)行模塊根據(jù)PLC發(fā)出的控制指令，壓載泵和電動(dòng)蝶閥進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊即MCGS上位機(jī)組態(tài)軟件，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控[3-5]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

船舶壓載艙監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為以下幾部分：下位機(jī)PLC控制軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)、蝶閥開(kāi)度模糊PID控制算法。PLC控制軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、故障診斷和控制執(zhí)行等功能；上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件主要能夠?qū)崟r(shí)顯示壓載艙室的液位、船舷吃水、油管壓力等參數(shù)，電動(dòng)蝶閥閥門開(kāi)度狀態(tài)，及時(shí)作出預(yù)報(bào)警和記錄。監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

采用Codesys軟件編寫系統(tǒng)梯形圖，應(yīng)用于ABB AC500系列PLC。程序編寫采用模塊化編程和多任務(wù)系統(tǒng)，由主程序調(diào)用多個(gè)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門的開(kāi)度控制。PLC控制主程序流程如圖3所示。

圖3 PLC控制主程序流程圖

開(kāi)機(jī)之后，系統(tǒng)首先完成初始化工作，對(duì)一些參數(shù)的初始值進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信狀態(tài)(上位機(jī)/傳感器/執(zhí)行器)進(jìn)行自檢。若通信正常，則進(jìn)行下一步操作；若通信發(fā)生故障，則立刻中斷自控程序，啟用自保程序。當(dāng)上位機(jī)處于在線狀態(tài)時(shí)，傳感器開(kāi)始實(shí)時(shí)采集各壓載艙液位、船舷吃水和油管壓力信號(hào)，并送入PLC相應(yīng)模塊，調(diào)用相應(yīng)的閥控、泵控子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)蝶閥和壓載水泵的控制。同時(shí)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)信息以及執(zhí)行設(shè)備的動(dòng)作情況。若閥門開(kāi)度未到位，則繼續(xù)循環(huán)，直至閥門開(kāi)度到位。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要是方便操作人員在集控臺(tái)和駕駛艙實(shí)時(shí)查看船舶壓載艙實(shí)時(shí)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)壓載系統(tǒng)進(jìn)行操控。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。監(jiān)控軟件主要由用戶管理界面、壓載艙液位監(jiān)測(cè)、船體橫傾監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警以及報(bào)表記錄等模塊組成[6]，可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

①全面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各壓載艙液位、船舷吃水、管路壓力等信息，實(shí)時(shí)顯示壓載水泵以及蝶閥的運(yùn)行狀態(tài)。

②人機(jī)交互界面。操作人員可以在集控室和駕駛艙通過(guò)上位機(jī)畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示對(duì)下位機(jī)發(fā)出的控制指令，控制執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行。

③報(bào)警處理。船舶在裝卸貨物過(guò)程中出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，監(jiān)控軟件會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，提示操作人員對(duì)其進(jìn)行處理。

④報(bào)表記錄。監(jiān)控軟件會(huì)將實(shí)時(shí)的液位壓力等數(shù)據(jù)保存下來(lái)，方便日后查看和參考。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.3 蝶閥開(kāi)度模糊PID控制算法

在裝卸貨物過(guò)程中，船舶實(shí)現(xiàn)船體平衡的方法是工作人員根據(jù)監(jiān)測(cè)到的船舷吃水值，經(jīng)過(guò)判斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)壓載艙內(nèi)的各管路閥門開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)各壓載艙進(jìn)水、排水速率的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)考慮將這種人工調(diào)節(jié)的方式轉(zhuǎn)化為模糊控制規(guī)則，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓載水的自動(dòng)控制。

將傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制相結(jié)合，可以有效地將模糊邏輯推理方法用于調(diào)整PID控制的Kp、KI、Kd三個(gè)參數(shù)。這種控制綜合了PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快、超調(diào)更小和穩(wěn)態(tài)精度更優(yōu)的特點(diǎn)[7]。

本系統(tǒng)的模糊PID控制是針對(duì)蝶閥開(kāi)度變量實(shí)施控制，以船舶的正浮狀態(tài)即零傾角為給定值，以船體實(shí)際橫傾角與給定零傾角的偏差e和偏差變化率ec為模糊控制器的輸入，以Kp、KI、Kd三個(gè)參數(shù)的變化量ΔKp、ΔKI、ΔKd作為控制的輸出變量。橫傾角θ的計(jì)算方法如下：

(1)

式中：T為船舷吃水差;W為船舷吃水測(cè)點(diǎn)的水平距離。

由于給定值是正浮狀態(tài)的零傾角，因此控制器中偏差e即為橫傾角值。

設(shè)傾角偏差e的基本論域?yàn)閇-emax，emax]，傾角偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-ecmax，ecmax]，輸出量ΔKp的基本論域?yàn)閇-ΔKpmax，ΔKpmax]，輸出量ΔKI的基本論域?yàn)閇-ΔKImax，ΔKImax]，輸出量ΔKd的基本論域?yàn)閇-ΔKvdmax，ΔKdmax]。e、ec、ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊集合的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，e、ec、ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊集均為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，對(duì)應(yīng)語(yǔ)言變量值分別為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊控制規(guī)則表[8]如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKI、ΔKd的模糊控制規(guī)則表

表1中，如果橫傾角偏差為NB、偏差變化率為NB時(shí)，說(shuō)明實(shí)際橫傾角度小于給定值且有繼續(xù)變小的趨勢(shì)，所以比例增益ΔKp選擇正大，即PB，減小靜態(tài)偏差；積分增益ΔKI選擇負(fù)大，即NB，快速消除偏差；微分增益ΔKd選擇正小，即PS，減小超調(diào)量，穩(wěn)定系統(tǒng)。如果橫傾角偏差為NM，偏差變化率為PS，說(shuō)明實(shí)際橫傾角度小于給定值且有緩慢變大的趨勢(shì)。此時(shí)，ΔKp選擇正小，即PS；ΔKI選擇負(fù)小，即NS；ΔKd選擇負(fù)中，即NM。其能夠使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量、一定的響應(yīng)速度，并且確保系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。若偏差為PS，偏差變化率為PB，ΔKp、ΔKI、ΔKd分別是負(fù)中、正大、零，則可減小系統(tǒng)的輸出震蕩、提高系統(tǒng)的抗干擾性。

3 試驗(yàn)室試驗(yàn)與運(yùn)行

2015年5月，在遠(yuǎn)望儀器有限公司試驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，輸入登錄密碼，進(jìn)入壓載系統(tǒng)主界面。界面中，壓載艙的分布與實(shí)際壓載系統(tǒng)接近，首先點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置按鈕，對(duì)艙室的比重、盲區(qū)值進(jìn)行調(diào)整。旋動(dòng)液位模擬器旋鈕，對(duì)應(yīng)艙室的液位發(fā)生明顯變化。當(dāng)液位超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的高位、低位報(bào)警值，實(shí)時(shí)報(bào)警窗口就會(huì)彈出，顯示對(duì)應(yīng)艙室實(shí)時(shí)液位信息。點(diǎn)擊壓載歷史報(bào)表按鈕，進(jìn)入歷史報(bào)表界面查看不同艙室的液位報(bào)警信息。點(diǎn)擊不同艙室BWV按鈕時(shí)，彈出是否開(kāi)閉以及復(fù)位閥門對(duì)話框，等待20 s，若無(wú)任何操作，則默認(rèn)此次閥門操作無(wú)效。經(jīng)過(guò)運(yùn)行，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下基本功能：①壓載系統(tǒng)監(jiān)控；②全面監(jiān)測(cè)船舶運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)；③故障報(bào)警且數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式實(shí)時(shí)顯示在界面中；④界面上的按鈕可以實(shí)現(xiàn)不同畫(huà)面的切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶壓載艙監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集、顯示各壓載艙液位和船舷吃水等數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的信號(hào)對(duì)蝶閥以及壓載水泵進(jìn)行控制。組態(tài)軟件強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，方便操作人員實(shí)時(shí)了解船體運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)作出預(yù)報(bào)警和記錄。模糊PID控制算法的運(yùn)用，提高了閥門開(kāi)度控制的精確度?；赑LC的監(jiān)控系統(tǒng)能夠適應(yīng)惡劣的船艙環(huán)境，減少故障率，具有良好的穩(wěn)定性。試驗(yàn)室的調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1] 趙曉變. 液位遙測(cè)在監(jiān)測(cè)船舶裝卸安全方面的應(yīng)用研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

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Design of the PLC-Based Monitoring System for Ballast Tank of Ship

CHEN Jin1,SHI Haitao1,LI Qiao2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Jiangsu Yuanwang Instrument Co., Ltd.,Taizhou 225300,China)

With MCGS configuration software and AC500 series PLC from ABB as the core,the monitoring system integrating the functions of data acquisition,data processing,equipment execution and host computer display is built. The monitored objects of the system are the parameters of water level of ballast tank of ship,4-corner of draft,inlet and outlet pressures of ballast pump;the ballast tank valves,and pumps,etc.,they are controlled by PLC and fuzzy PID algorithm. The monitoring interface of host computer is developed by using MCGS configuration software,mainly includes main control interface,parameter setting interface,historical data report and alarm records,etc. The hull floating parameters and operational status of the equipment in regulation process of ballast water can be monitored in real time through these interfaces. The tests show that the displays provided in host computer are intuitive,the operation is simple,the man machine interaction is excellent;the program in slave computer is running stably;thus the overall system implements the expected functionality.

MCGS configuration software; PLC; Reguration of ballast water; Fuzzy PID; Control algorithm; Valve opening; Man machine interaction; Monitoring system

陳進(jìn)(1959—)，女，博士，教授，主要從事系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與智能控制方向的研究。E-mail：chenjinjd126@126.com。

TH86;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703008

修改稿收到日期:2016-03-09