基于PLC的輪機模擬器主機遙控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)分析

曾洛軍

摘要：在輪機模擬器中，主機遙控系統(tǒng)的應用可提高船員操作動力設備的能力，保障船舶的正常運行，避免海上交通事故的出現(xiàn)。基于此，本文將輪機模擬器的主機遙控系統(tǒng)為研究對象，從設計要求、硬件、軟件三方面入手，分析基于PLC的輪機模擬器主機遙控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，為輪機模擬器的有效應用提供幫助。

Abstract： In the marine engine simulator， the application of the host remote control system can improve the crew's ability to operate power equipment， ensure the normal operation of the ship and avoid the occurrence of marine traffic accidents. Based on this， this paper takes the host remote control system of the marine engine simulator as the research object， and analyzes the design and implementation methods of the PLC-based host remote control system of the marine engine simulator from the aspects of design requirements， hardware and software， to provide help for the effective application of the marine engine simulator.

關鍵詞：PLC;輪機模擬器;主機遙控系統(tǒng)

Key words： PLC;marine engine simulator;host remote control system

中圖分類號：U664.82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0262-02

0? 引言

主機遙控系統(tǒng)是實現(xiàn)船舶自動化的關鍵，可為船舶的無人值班機艙落實提供技術支持。為保障主機遙控系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮，需對船員進行相關培訓，而實船培訓的投入成本高、風險大，船舶企業(yè)大都應用輪機模擬器，配置相應的主機遙控系統(tǒng)，模擬船舶操作，為船員熟悉船舶操作提供支持，提升培訓效益。

1? 輪機模擬器主機遙控系統(tǒng)設計要求

輪機模擬器的主機遙控系統(tǒng)設計階段，首先必然是提高控制系統(tǒng)的控制精度，PLC控制系統(tǒng)本身具有較高的精度控制水平，然而考慮到輪機系統(tǒng)的復雜性和高安全運行要求性，要建成PLC控制系統(tǒng)的定制化系統(tǒng)，其可以廣泛收集當前的設備運行信息和可獲取的反饋性信息，代入到控制系統(tǒng)之中后，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結構找到目前的運行缺陷，并把該信息上傳給遙控系統(tǒng)，并根據(jù)實際運行狀態(tài)發(fā)出遙控新號，同時發(fā)出的遙控新號也要具備高響應性，需要考慮對信號的分析效率和分析精確度，防止發(fā)出的控制指令無法被控制系統(tǒng)接收。

其次是針對控制系統(tǒng)的響應速度分析，無論何種控制系統(tǒng)都要具備高相應速度，對于輪機模擬器的主機遙控系統(tǒng)，對發(fā)出指令的響應速度要求更高。PLC控制系統(tǒng)的設計中，要明確該系統(tǒng)的時域響應特點，分析控制精度的同時，協(xié)調(diào)該控制系統(tǒng)的運行速度。此外由于PLC控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)控制論下的一類控制方法，所以在系統(tǒng)的運行階段會發(fā)出連續(xù)性的控制信號，無需考慮數(shù)字控制信號等現(xiàn)代控制技術，帶來的問題是模擬信號的抗環(huán)境干擾能力較差，要考慮信號線的布設區(qū)域、信號的沖突以及環(huán)境干擾因素。

最后是建立分級控制體系，輪機系統(tǒng)實際運行要大量的設備協(xié)同運行，把所有的設備運行狀態(tài)信息同時獲取并計算，PLC系統(tǒng)的運行難度和任務量過大，會導致信息丟失。建成的分級遙控控制系統(tǒng)，終端為信息顯示界面和遙控軟件，中間層獲得的信息涵蓋輪機系統(tǒng)運行參數(shù)、電力參數(shù)、設備運行階段的各項故障表現(xiàn)參數(shù)等，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的計算之后輸出，并通過設置的干擾信息清除系統(tǒng)保證輸出結果的精度[1]。

2? 基于PLC的輪機模擬器主機遙控系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)

2.1 界面設計

第一，駕駛臺界面。在主機遙控系統(tǒng)中，駕駛臺需設計為虛擬操作界面，船員可利用鼠標的點擊與拖拽操作，模擬實船的駕駛臺操作。在實際設計中，技術人員可將上位機組態(tài)軟件的PIMS開發(fā)功能為基礎，設計并實現(xiàn)界面。設計后的駕駛臺界面涵蓋車鐘系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)面板、參數(shù)儀表區(qū)以及急停按鈕等部分。其中，車鐘系統(tǒng)涵蓋主、副車鐘及應急車鐘三部分;遙控系統(tǒng)面板涵蓋指示燈及相應的按鈕;應急按鈕主要負責船舶駕駛室的應急停車。為發(fā)揮輪機模擬器的培訓功能，設計的駕駛臺界面可支持培訓師工作站與數(shù)據(jù)服務器的共享[2]。

第二，集控臺界面。在開展集控臺設計時，技術人員需參照實體船舶的結構。在實際設計中，技術人員將集控臺界面設計為開關、按鈕、指示燈、儀表等部分，為保障集控臺功能的發(fā)揮，上述器件均和PLC中的I/O模塊連接。結合集控臺的功能需求，界面主要涉及安保、調(diào)速、車鐘系統(tǒng)、溫度等控制面板及相應的指示燈。

第三，操縱臺界面。在主機遙控系統(tǒng)中，操縱臺界面主要設置在輪機附近，涵蓋副車鐘、應急車鐘、調(diào)節(jié)設備及按鈕等器件。為保障其操縱功能，船員在機旁應急操縱主機時，設計人員通過有效設計，確保主機油門調(diào)節(jié)桿和調(diào)速器執(zhí)行機構分離，進而和機旁的油門調(diào)節(jié)設備連接。

2.2 PLC設計

在選擇PLC控制器時，技術人員需確保其功能符合主控系統(tǒng)的要求，選擇兼?zhèn)浞€(wěn)定可靠性、使用便捷性且成本較低的控制器。結合船舶主機遙控系統(tǒng)的功能要求，技術人員可選擇AB Compact Logix系列的控制器，該型號的PLC控制器具備RS—232通訊端口，用戶可根據(jù)實際需求，選擇Ether Net/IP或Control Net通訊方式。和傳統(tǒng)通訊方式相比，這兩種通訊方式具有功耗低、功能多元的優(yōu)勢，可支持文本、梯形圖等程序的編程。

在明確上述硬件后，技術人員需結合主機遙控系統(tǒng)的運行需求，設置相應數(shù)量的輸入點及輸出點。具體而言，對于數(shù)字量來說，其輸入點需控制在150個左右，輸出點需控制在280個左右;對于模擬量來說，其輸入點需控制在3-5個，輸出點需控制在35個左右。技術人員需根據(jù)上述輸入點及輸出點要求，進行相應硬件模塊的選擇。

3? 基于PLC的輪機模擬器主機遙控系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)

3.1 設計前的準備

第一，組態(tài)PLC。在主機遙控系統(tǒng)的軟件設計中，組態(tài)PLC主要涵蓋控制器及I/O模塊兩項，在其設計中，技術人員可將RSLogix5000軟件作為開發(fā)平臺，將該開發(fā)平臺的工程文件為基礎，進行PLC控制器相關組態(tài)、數(shù)據(jù)、文本及邏輯等內(nèi)容的存儲。在組態(tài)PLC中，組態(tài)控制器涵蓋的信息內(nèi)容較多，涉及PLC控制器的類型、參數(shù)等，為確保其與I/O模塊的有效通信，技術人員需合理選擇I/O模塊的配置區(qū)域，通常將其設置于I/O組態(tài)文件夾中，并在文件夾中標明I/O 模塊的基本信息。

第二，I/O分配。在組態(tài)PLC設置完成后，技術人員需做好I/O分配工作。在主機遙控系統(tǒng)的控制器中，技術人員需為物理盤臺的所有涉及輸入量或輸出量的設備進行I/O分配。

第三，自定義指令。在主機遙控系統(tǒng)中某些功能一致，但需重復使用的梯形圖邏輯，設計人員需按照一定規(guī)則將其封裝成自定義的功能指令，避免后續(xù)設計時的重復工作，提高設計效率。以指示燈的測試指令為例，設計人員的自定義指令如下，在程序運行開始后，如果指示燈測試按鈕按下1，則指示燈亮，即測試結束。

第四，信號處理。在主機遙控系統(tǒng)設計中，信號處理是指對模擬量輸入信號的處理，主要涉及以下三類：集控室車令信號、集控室轉速設置信號以及機旁油門調(diào)節(jié)信號。技術人員需將上述信號設置為4-20mA的電流信號，這類信號在通過A/D變換后，在PLC控制器中以整型數(shù)字量信號方式存在，且表現(xiàn)出無量綱特征，在變換處理后，即可獲得系統(tǒng)所需的工程量。

第五，界面開發(fā)。在主機遙控系統(tǒng)設計中，技術人員可選擇PIMS組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，對操縱界面進行全面可靠的開發(fā)。該開發(fā)平臺支持界面設計、連接設計及語言編寫等多項功能，可實現(xiàn)文本、矩形及單選框等多個文字或圖形的處理，滿足主機遙控系統(tǒng)的界面設置要求[3]。

3.2 系統(tǒng)程序設計

在系統(tǒng)程序設計中，設計人員需根據(jù)功能需求，合理設計相關程序。本節(jié)以以下幾種功能為例，分析系統(tǒng)程序設計要點。

第一，操縱地點選擇功能。在船員培訓中，常用的操縱培訓地點有機旁、集控室、駕駛室這三類。在實際船舶運行中，為保障船舶運行安全，這三個區(qū)域的操縱存在相互聯(lián)鎖機制，在船舶運行期間，只能保持一個操縱部位有效，且這三個操作地點存在優(yōu)先級區(qū)分。其中機旁的控制級別最高，集控室的控制級別產(chǎn)值，駕駛室的控制級別最低。在操作地點選擇中，設計人員利用切換開關的設計來實現(xiàn)，共需設計兩個切換開關，分別是設置在機旁操縱臺的LOCAL/REMOTE切換開關，以及設置在集控臺上的ECR/BR切換開關。

第二，換向功能。如果車令和凸輪軸存在區(qū)域差異，則主機需換向處理，換向涵蓋正常換向和應急換向。在主機遙控系統(tǒng)中，這兩種換向在停車時無差別，僅在應急操縱指令中存在不同。如果正車處于最大轉速狀態(tài)，主機突然將車鐘從爭車位轉變倒車某檔位，則需進行換向處理。在該情況下，正常換向邏輯會在主車的轉速下降至換向轉速時，發(fā)送相應的換向指令。如果存在應急操縱現(xiàn)象，應急換向邏輯會在轉速下降至應急換向轉速時，發(fā)送相應的換向指令。由此可見，和正常換向相比，應急換向的指令更早發(fā)出，響應時間更短。

第三，起動功能。在主機遙控系統(tǒng)中，主機起動主要有慢轉、正常、重起以及三次重復起動組成。其中，慢轉起動并非主機起動必要環(huán)節(jié)，僅是在主機停車不符合規(guī)定要求的基礎上，方可實施慢轉起動過程，此后再進行正常起動。在主機運行中，正常起動屬于第一次起動，如果起動不成功，則需開展重啟或三次重復啟動。如果三次起動都不成功，就表明起動失敗。

第四，車鐘通信功能。在主機遙控系統(tǒng)中，車鐘通信主要是指駕駛室和集控室、機旁間的通信，通過主/副車鐘或應急車鐘實現(xiàn)通信。為保障主機遙控系統(tǒng)的有效通信，技術人員需明確不同車鐘的通信內(nèi)容。通常來說，主車鐘主要負責動車車令的發(fā)送及相關回令信號的通信。為保障主機遙控系統(tǒng)的運行安全，如果車鐘未在要求時間內(nèi)收到相應的回令信號，系統(tǒng)以聲信號和光信號的形式報警。如果主機遙控系統(tǒng)將駕駛室作為控制位置，駕駛室會延時五秒給出回應[4]。

4? 結論

綜上所述，在開展輪機模擬器主機遙控系統(tǒng)的設計前，技術人員需明確系統(tǒng)的設計要求，并分別進行硬件與軟件的設計。通過本文的分析，在硬件設計中，技術人員需做好界面設計與PLC設計;在軟件設計中，技術人員需開展組態(tài)PLC、I/O分配、自定義指令、信號處理及界面開發(fā)等準備工作，再設計各項功能程序，保障主機遙控系統(tǒng)各項功能的有效實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]劉林華，張予祥.基于Free RTOS+ARM架構的遙控控制器設計[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2019，42（04）：32-37.

[2]孫志元，蔣春燕，李澤萌，等.一種基于氣電混合控制方式的主機遙控及監(jiān)視報警裝置設計[J].中國設備工程，2019（17）：76-77.

[3]吳富民，陳岱岱，李培正，等.轉速采集異常情況下的主機遙控技術研究[J].無線互聯(lián)科技，2019，16（10）：126-127.

[4]袁景超.PIMS技術在艦船主機遙控虛擬操作系統(tǒng)的應用[J].艦船科學技術，2019，41（04）：82-84.