船舶閥門遙控系統(tǒng)電氣設(shè)計優(yōu)化與實踐

周培培

摘要：在船舶電氣系統(tǒng)中，會使用許多閥門對不同壓力以及動力源進(jìn)行控制，因此，船舶閥門遙控系統(tǒng)是整船關(guān)鍵而又基礎(chǔ)的裝置，其系統(tǒng)的選型、設(shè)計備受船廠的關(guān)注。文章介紹的船舶閥門遙控系統(tǒng)電氣設(shè)計可以通過模塊設(shè)計和優(yōu)化，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和集中控制，大大降低船員的勞動強(qiáng)度，體現(xiàn)船舶自動化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：船舶;閥門遙控系統(tǒng);電氣;設(shè)計

1 現(xiàn)場總線下的閥門遠(yuǎn)程驅(qū)動控制

現(xiàn)場總線是以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決的是信息之間的傳遞問題?，F(xiàn)將這一技術(shù)應(yīng)用到船舶閥門遠(yuǎn)程驅(qū)動控制系統(tǒng)當(dāng)中，起到連接上位機(jī)和下位機(jī)的作用。其優(yōu)勢有操作簡便、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)等。

本次研究的基于現(xiàn)場總線的船舶閥門遠(yuǎn)程驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)以及連接二者的現(xiàn)場總線三部分組成。

2系統(tǒng)實現(xiàn)流程

首先利用鑲嵌在船舶閥門內(nèi)部的下位機(jī)對閥門周圍的現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，然后將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號，利用現(xiàn)場總線傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)接收到信號之后，對其進(jìn)行處理和分析。根據(jù)分析結(jié)果，向下位機(jī)利用現(xiàn)場總線發(fā)送閥門啟動或關(guān)閉的命令。當(dāng)下位機(jī)接收到上述命令后，開始執(zhí)行上位命令，完成閥門的遠(yuǎn)程驅(qū)動控制。

3系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3.1上位機(jī)功能

（1）信息接收與分析：接收由下位機(jī)傳感器采集到的信息，然后利用計算機(jī)軟件對信息進(jìn)行處理和分析。

（2）數(shù)據(jù)顯示：在系統(tǒng)人機(jī)交互頁面顯示分析結(jié)果以便相關(guān)人員進(jìn)行系統(tǒng)無法完成的工作。

（3）發(fā)送命令：根據(jù)分析結(jié)果，對下位機(jī)發(fā)送閥門進(jìn)行何種操作的命令。

（4）實時監(jiān)控：上位機(jī)與監(jiān)控系統(tǒng)相連，實時監(jiān)測現(xiàn)場閥門運行狀態(tài)，確認(rèn)命令執(zhí)行情況。

3.2下位機(jī)功能

（1）信息采集：信息采集主要通過下位機(jī)中的傳感器完成，采集到信息主要包括：溫度信息、壓力信息、吃水信息、開關(guān)量信息、視頻監(jiān)控信息等。

（2）命令執(zhí)行：主要完成上位機(jī)發(fā)出的命令，如閥門關(guān)閉或啟動。

3.3現(xiàn)場總線功能

信息傳遞：主要負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的信息傳遞，是二者之間的橋梁。

4船用閥門控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件設(shè)計

（1）上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)系統(tǒng)涵蓋了兩部分的主要系統(tǒng)，其一是CAN總線接口，其二是計算機(jī)控制系統(tǒng)。其將結(jié)合了CAN通訊功能的適配卡利用采集卡插槽連接于主機(jī)，可促進(jìn)這兩上主要的硬件系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而遠(yuǎn)程遙控下游控制器。

（2）現(xiàn)場控制器設(shè)計

微控制器是現(xiàn)場控制器的中心元件，這一元件是組合了各類型型號的芯片核心從而構(gòu)成了控制模塊，其中包括CAN總線控制。現(xiàn)階段，船舶事業(yè)中的可編程的閥門遙控系統(tǒng)主要運用的是ARM（Advanced RISC Machine，ARM）處理器。這一處理器的指令結(jié)構(gòu)利用的是精簡指令集計算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）指令，與復(fù)雜指令集計算機(jī)對比而言，其與相關(guān)的譯碼機(jī)制顯得簡化許多，其處理有著指令吞吐效率高、實時中斷反應(yīng)能力強(qiáng)、體積小、性價比高的特點。ARM 處理器的性能優(yōu)越，不但功率消耗低，使用門的數(shù)量也較少，能夠很好的滿足船舶領(lǐng)域閥門遙控設(shè)計中對功耗的高需求。

現(xiàn)場控制器不但包含微控制器，還包括液壓缸、小型電機(jī)和配套設(shè)施、電流檢測器、傳感器等等。上位機(jī)利用CAN總線將指令傳輸給微控制器，從而實現(xiàn)對液壓缸、電機(jī)等執(zhí)行設(shè)備的控制，進(jìn)行指令執(zhí)行，與此同時利用傳感器對閥門旋轉(zhuǎn)度進(jìn)行測量，監(jiān)控實際的閥門開啟情況;電機(jī)的運行狀態(tài)監(jiān)測利用電流檢測裝置實現(xiàn)，并傳送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

4.2軟件設(shè)計

軟件設(shè)計在現(xiàn)代化的船舶閥門遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包含兩方面內(nèi)容，一是上位機(jī)軟件系統(tǒng);二是現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)。對各閥門運行情況及對閥門運行進(jìn)行遠(yuǎn)程控制是上位機(jī)軟件系統(tǒng)的重要性能。當(dāng)前的上位機(jī)軟件系統(tǒng)所采用的界面大部分是由VB6.0予以開發(fā)的。軟件運行后，系統(tǒng)顯示實施自動初始化配置，接著建立監(jiān)控界面步入運行中?，F(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)與上位機(jī)軟件系統(tǒng)相獨立，采用C語言程序進(jìn)行編制開發(fā)，這一設(shè)計方法對于提升現(xiàn)場控制器軟件的程序可讀性以及可移植性有著重要意義。就現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)的功能而言，主要有采集與監(jiān)測閥門運行過程和實際狀態(tài)、執(zhí)行閥門控制行為、聯(lián)系上位機(jī)系統(tǒng)等?，F(xiàn)場CAN通信設(shè)計、主程序設(shè)計及相關(guān)連接程序的設(shè)計，這三方面的設(shè)計是控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容，其中主程序?qū)﹂y門數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，收取上機(jī)位系統(tǒng)指令并實施指令執(zhí)行等?，F(xiàn)場控制器的控制方式包括現(xiàn)場與遠(yuǎn)程兩種形式?；诂F(xiàn)場控制模式，作業(yè)人員采用手動操作方式來控制閥門，上位機(jī)只可以利用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控;基于遠(yuǎn)程遙控方式，上位機(jī)可以下發(fā)執(zhí)行命令，通過現(xiàn)場控制軟件來控制閥門。CAN通信設(shè)計主要擔(dān)與CAN總線有關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息的整理、維護(hù)，功能比較單一，程序設(shè)計比較便捷。

5閥門遙控系統(tǒng)電氣設(shè)計的優(yōu)化

5.1采用在輪機(jī)閥件上添加電纜連接點

建立新的輪機(jī)專業(yè)閥的小樣過程中，在電氣接口部位增添電纜連接點，輪機(jī)模型后配置閥，利用對輪機(jī)模型的讀取，對含有電纜連接點的模型進(jìn)行檢索并列舉，構(gòu)建一條電氣設(shè)備原理。

通過這一方法實施遙控閥的電氣原理定義，電氣原理模型建立過程中不用另外對閥的電氣設(shè)備小樣以及部件進(jìn)行建立和定義，實現(xiàn)了電氣原理模型構(gòu)建過程的簡化，降低了電氣生產(chǎn)設(shè)計的工作難度和工作量，有效解決了由于查找造成的繁瑣問題。當(dāng)輪機(jī)模型對遙控閥進(jìn)行配置后，電氣人員只用選擇電氣模型設(shè)備樹中的某控制閥并實施直接布置，這一控制閥在電氣模型中自動設(shè)置在和輪機(jī)模型一致的部位。需要關(guān)注的是，遙控閥在輪機(jī)模型中的部位發(fā)生改變后，電氣生產(chǎn)設(shè)計對輪機(jī)和電氣模型進(jìn)行了更新，就可以實現(xiàn)相應(yīng)遙控閥部位的更新。

5.2具體優(yōu)化

利用“貼小球”的方式建立遙控閥設(shè)備原理過程中，在電氣專業(yè)閥門遙控系統(tǒng)工作圖中標(biāo)出與輪機(jī)專業(yè)的閥號對應(yīng)關(guān)系，縮減生產(chǎn)設(shè)計的查找難度，提高生產(chǎn)設(shè)計效率，并且這一做法還有利于對電氣原理設(shè)計圖紙和設(shè)備資料進(jìn)行審核。電氣模型中的遙控閥設(shè)備布置過程中，可以在已進(jìn)行了布置的輪機(jī)模型中將管子閥件情況進(jìn)行匯總并導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)合電氣專業(yè)閥號與輪機(jī)對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過對其設(shè)備屬性進(jìn)行查看，將三維坐標(biāo)在設(shè)備屬性中進(jìn)行輸入。這一布置方法的采用可以實現(xiàn)更簡化的過程，并降低生產(chǎn)設(shè)計的查找難度，提高設(shè)備布置的質(zhì)量和效率。

針對系列船來說，可以通過在輪機(jī)閥件上增設(shè)電纜連接點，從而實現(xiàn)遙控閥電氣原理定義。這樣一來，即便后期輪機(jī)遙控閥部位出現(xiàn)改變或調(diào)整，能夠利用模型更新來自動調(diào)整與更新遙控閥位置，從而降低生產(chǎn)設(shè)計工作量，提高電氣設(shè)計效率。

結(jié)語：

利用傳統(tǒng)系統(tǒng)對船舶閥門進(jìn)行驅(qū)動控制時，不僅控制速度慢，穩(wěn)定性也差。設(shè)計一個基于現(xiàn)場總線的船舶閥門遠(yuǎn)程驅(qū)動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整體框架由上位機(jī)、下位機(jī)以及連接二者的現(xiàn)場總線三部分組成。根據(jù)系統(tǒng)框架確定系統(tǒng)實現(xiàn)流程，并在此基礎(chǔ)完成系統(tǒng)功能模塊設(shè)計，以及選取系統(tǒng)硬件設(shè)備和完成系統(tǒng)軟件程序設(shè)計。與此同時，對電氣設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以提高船舶閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計的效率和質(zhì)量。

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