基于PLC 技術(shù)的船舶輔助機械自動化設(shè)備控制研究

吳小鋼

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，更加凸顯了船舶輔助機械自動化控制的作用。船舶輔助機械設(shè)備在船舶海上行駛中發(fā)揮著重要的作用，是船舶正常航行的重要保證，為船舶提供必要的服務(wù)。大量的輔助機械設(shè)備有獨立的控制系統(tǒng)，相互之間也存在一定的關(guān)聯(lián)。自動轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)、起貨機控制系統(tǒng)、鍋爐自動控制系統(tǒng)等，都是船舶輔助機械設(shè)備控制系統(tǒng)。工業(yè)領(lǐng)域向智能化、自動化方向發(fā)展，廣泛應(yīng)用可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)，船舶輔助機械自動化控制進一步發(fā)展，有必要充分應(yīng)用PLC 技術(shù)。編寫PLC 程序，合理確定變頻器的參數(shù)，設(shè)計變頻控制系統(tǒng)，可以提升自動化控制效果，促進船舶的正常穩(wěn)定運行。

1 PLC 工作流程

可編程邏輯控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專門為工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用而設(shè)計，是工業(yè)控制設(shè)備，具有通用性。PLC 系統(tǒng)啟動后，先進行初始化操作，檢查I/O 接口，檢測電源狀態(tài)，復(fù)位定時器，繼電器清零等。然后，進行自檢，外部公共操作，保證PLC 的可靠性。每個任務(wù)執(zhí)行周期，都需要自檢PLC 系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)異常。然后，執(zhí)行用戶程序，從存儲器中讀取、掃描相關(guān)指令，調(diào)用運算器，處理指令，在PLC 的映像區(qū)存儲運算結(jié)果。狀態(tài)刷新就是PLC 的輸輸出激勵、輸入采樣。運算處理指令向輸出鎖存器傳輸，然后，向I/O 端口傳送，為輸出激勵，控制外圍負載。I/O 端口上的信號采集后，向CPU 寄存器區(qū)傳輸，為輸入采樣。

2 基于PLC 技術(shù)的船舶輔助機械自動化控制系統(tǒng)

2.1 鍋爐系統(tǒng)

為鍋爐系統(tǒng)中供汽壓力和燃油比重調(diào)節(jié)基本原理。起動時，從40s 鍋爐進行預(yù)掃風(fēng)，以防止點火時發(fā)生冷爆現(xiàn)象。到了40s 后開始點火，如能在7s 內(nèi)點火成功，鍋爐便進入正常燃燒狀態(tài)。如在7s 內(nèi)點火不成功，鍋爐便停爐，同時，發(fā)出聲光報警信號，故障熄火指示燈亮。鍋爐在正常燃燒過程中，當(dāng)汽壓到達設(shè)定的上限值時，會正常熄爐，不發(fā)出報警信號。當(dāng)汽壓又降到控制汽壓的下限值時，鍋爐又重新起動，開始自動點火時序控制，重新燃燒。

利用PLC 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)節(jié)功能。根據(jù)鍋爐的質(zhì)量控制要求、大小、性能，合理選擇鍋爐系統(tǒng)的給水自動調(diào)節(jié)方式。

由于船舶艙內(nèi)有明顯的振動特征，并且溫度相對較高，許多干擾源會影響海上航行狀態(tài)，對控制系統(tǒng)要求更高。需要科學(xué)選擇PLC 型號，提高內(nèi)部元器件的環(huán)境承受能力。保證船舶安全可靠地運行，是船舶輔助機械自動化控制的基礎(chǔ)，同時，節(jié)省能源消耗，提升船舶運行的經(jīng)濟性，減少維修費用。考慮到以下幾方面，可選用FX 2N PLC。FX 2N 指令功能豐富，且指令執(zhí)行速度快。FX 2N 配置靈活，設(shè)計需I/O 40 點。FX2NPLC 可用內(nèi)部輔助繼電器M、計數(shù)器C、寄存器D、定時器T、狀態(tài)繼電器S，滿足系統(tǒng)控制要求的需要。輸入、輸出點設(shè)計如表1。

表1 輸入、輸出點設(shè)計

2.2 自動化導(dǎo)航控制系統(tǒng)

如下圖所示，為基于PLC 技術(shù)的船舶自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)。包括衛(wèi)星接收模塊、顯示器、電子羅盤等子模塊，以PLC 邏輯控制器為中心，與衛(wèi)生接收模塊、電子羅盤、互聯(lián)網(wǎng)、EL顯示器等連接，通過智能導(dǎo)航系統(tǒng)輸入端輸入，自動化控制導(dǎo)航。

圖1 基于 PLC 技術(shù)的船舶自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)

2.3 安全監(jiān)視應(yīng)用

為保證系統(tǒng)運行的安全性，需要加強對系統(tǒng)的安全監(jiān)視。系統(tǒng)初始化的功率輸出如下圖所示，前6s 系統(tǒng)沒有輸出。PLC 技術(shù)是系統(tǒng)本身發(fā)揮監(jiān)控功能的重點，如果PLC 失去效用，容易引發(fā)一系列的問題。因此，需要利用PLC 自診斷的功能，完善系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計。同時，也要使用自診斷監(jiān)視器。自診斷監(jiān)視器有明顯的獨立性特征，屬于數(shù)字電路，包括比較器、脈沖發(fā)生器。有效結(jié)合硬件與軟件，對PLC 系統(tǒng)內(nèi)的微處理器、存貯器、程序邏輯的執(zhí)行等情況，進行實時監(jiān)視。如果某個部分出現(xiàn)故障，立即報警，同時復(fù)位系統(tǒng)，使輸出點能夠安全運行。

本文針對普遍情況下的船舶輔助用電設(shè)備故障診斷問題，設(shè)計了一種基于PLC 的設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為用戶程序、輔助控制系統(tǒng)內(nèi)核和PLC 硬件3 個主體部分。實現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo)，主要利用兩路標(biāo)準(zhǔn)脈沖串的對比。通過PLC 用戶程序，形成，第一路的脈沖。設(shè)定程序的前提下，傳送給PLC 系統(tǒng)的首個模塊。向PLC 返回，主要是與相同模塊輸入點外部接線連接。利用設(shè)定的用戶程序，可以輸出脈沖傳遞到第二模塊。操作反復(fù)進行，PLC 硬件與軟件的脈沖串，就可以在最終模塊的基本輸出點獲得。然后，傳輸給WatchDog 裝置。對PLC 系統(tǒng)進行有效監(jiān)視，需要充分結(jié)合硬件與軟件。在各模件中，兩點創(chuàng)建硬件鏈接的通道被占據(jù)。實際的船舶輔助機械運行中，并沒有明顯的影響。需要設(shè)計備用的脈沖發(fā)生器，有效監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，規(guī)避內(nèi)部硬件脈沖發(fā)生器的故障。

圖2 系統(tǒng)初始化的功率輸出曲線

2.4 起貨機三相異步電動機控制

本文研究中，船舶起貨機三相異步電動機控制，應(yīng)用PLC 技術(shù)。如圖3 所示，建立三相異步電動機電路模型。 旋轉(zhuǎn)角速度以w 表示，電感以L 表示，磁鏈以ψd 表示，定子電阻以Rs 表示，電壓方程為：。磁鏈方程為：三相異步電動機控制應(yīng)用PLC 技術(shù)，通過邏輯控制命令，可以實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并且正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)互鎖電動機的控制開關(guān)。分析信號特征向量，通過PLC 的信號監(jiān)測功能，監(jiān)測三相異步電動機的運行狀態(tài)，從而可以有效診斷電動機的故障，及時進行處理。

圖3 三相異步電動機電路模型

3 結(jié)語

船舶正常運行，依賴于船舶輔助機械設(shè)備。合理引入PLC 技術(shù)，可以提升船舶輔助機械設(shè)備的自動化水平，實現(xiàn)有效的自動化控制，提高機械設(shè)備的運行性能。PLC 技術(shù)可以改善船舶輔助機械運行的安全性，使控制效果更加智能化、自動化，有利于現(xiàn)代船舶事業(yè)的發(fā)展。