基于PLC的分布式船舶推進集控裝置設(shè)計

唐文俊，劉 波

應(yīng)用研究

基于PLC的分布式船舶推進集控裝置設(shè)計

唐文俊1，劉 波2

（1. 海裝廣州局駐廣州地區(qū)第二軍事代表室，廣州 511464；2. 海裝廣州局駐廣州地區(qū)第一軍事代表室，廣州 511464）

當(dāng)下基于電-氣結(jié)合的船舶控制裝置已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新型電力推進系統(tǒng)的需求。隨著船舶自動控制技術(shù)的進步，新功能強大基于數(shù)字處理器的船舶推進集控系統(tǒng)應(yīng)運而生。本文以某型基于西門子S7-1500 PN型PLC與ET200SP型分布式從站的船舶推進集控裝置為例，從功能需求、結(jié)構(gòu)、以及軟硬件設(shè)計等多個角度對分布式船舶推進集控裝置進行了詳細(xì)的介紹。該型船舶推進集控裝置的設(shè)計思路和技術(shù)特征對其他船舶自動化控制設(shè)備的設(shè)計具有一定的參考意義。

電力推進系統(tǒng) 自動化控制 推進集控裝置 PLC分布式從站

0 引言

船舶推進集控裝置是船舶電力推進系統(tǒng)用于實現(xiàn)船舶主機的自動化操控與狀態(tài)實時監(jiān)測的重要組成設(shè)備。船舶推進集控裝置對保證船舶主機的安全經(jīng)濟可靠運行，減輕船員勞動工作量，提高船舶的操縱性能具有重要的作用[1]?，F(xiàn)有基于電-氣結(jié)合式的船舶推進集控裝置正處于主機遙控系統(tǒng)發(fā)展的第三階段[2]，存在設(shè)備體積大，布置麻煩、功能單一、監(jiān)控報警功能簡陋、自動化程度低、難以擴展等缺點，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新型船舶電力推進系統(tǒng)的需求。

隨著船舶計算機控制技術(shù)不斷發(fā)展，配置基于數(shù)字化控制器與工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)的新型船舶推進集控系統(tǒng)成為船舶電力推進系統(tǒng)在智能化領(lǐng)域發(fā)展的新方向。新型船舶推進集控系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、人機界面友好，并且具有強大的擴展性。工業(yè)通訊總線的應(yīng)用使船舶推進集控裝置具備了分散布置，集中控制的特性，極大的增強了安裝的靈活性與適應(yīng)性[3]。

西門子SIMATIC S7-1500 PN型PLC控制器是西門子工業(yè)自動化集團推出的新一代數(shù)字化可編程邏輯控制器，具有可靠性高、抗干擾能力強、配套齊全、體積小、重量輕等特點[4]，通過與ET200SP型分布式從站配合，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集輸出與數(shù)據(jù)處理的分離。本文從功能、結(jié)構(gòu)以及軟硬件設(shè)計等多個角度，詳細(xì)介紹了基于PLC的分布式船舶推進集控系統(tǒng)的設(shè)計。

1 船舶推進集控裝置的總體設(shè)計

1.1 推進集控裝置的功能需求分析

根據(jù)船舶電力推進系統(tǒng)的設(shè)計要求，推進集控裝置應(yīng)具有以下功能：1）操作方式選擇功能；2）檢測采樣功能；3）電機速區(qū)控制功能；4）電機調(diào)速控制功能；5）故障報警功能；6）數(shù)據(jù)處理與存儲記錄功能；7）中斷處理功能。功能需求的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 推進集控裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

推進集控裝置采用分布式設(shè)計，由遙控車鐘、推進集控臺、分布式從站三部分組成。其中遙控車鐘位于指揮臺，推進集控臺布置于集控室，分布式從站安裝于機艙主機旁。用戶可分別在指揮臺、集控室通過推進集控裝置對船舶主機進行控制。

遙控車鐘具有整個集控裝置最高的控制權(quán)限，包括主航車鐘、經(jīng)航車鐘與顯示車鐘。用戶通過主航或經(jīng)航車鐘向推進集控臺發(fā)出車令，推進集控臺根據(jù)車令自動完成主機轉(zhuǎn)速的控制。為了確保車令下達的正確性，用戶可以通過顯示車鐘接收來自推進集控臺的回令。

推進集控臺是整個推進集控裝置的核心，包含PLC、集控車鐘、監(jiān)控計算機等設(shè)備。PLC利用CAN總線與PROFINET現(xiàn)場總線分別連接遙控車鐘與分布式從站；通過Modbus和以太網(wǎng)向航行記錄儀VDR、機電長顯示儀、監(jiān)測報警系統(tǒng)等外部設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。推進集控臺具有自動模式與手動模式兩種控制模式。自動模式下用戶通過集控車鐘向PLC發(fā)出車令，PLC根據(jù)車令和來自分布式從站的主機狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合控制邏輯形成主機控制信號；手動模式下用戶可以越過PLC，直接使用操縱鍵盤控制主機。PLC根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)自動分析判斷系統(tǒng)故障并輸出故障報警信息。 PLC內(nèi)部建立數(shù)據(jù)庫記錄航行數(shù)據(jù)與系統(tǒng)狀態(tài)信息。用戶可通過監(jiān)控計算機顯示器直觀讀取當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)與故障報警。為確保裝置的可靠性，推進集控臺配備一套指示儀表和報警指示燈，與監(jiān)控計算機互為冗余備份。

圖1 推進集控裝置的功能需求

分布式從站中ET200SP型從站模塊一方面通過IO模塊實時采集主機狀態(tài)信號，另一方面通過執(zhí)行繼電箱與勵磁調(diào)節(jié)器控制主機的運行。勵磁調(diào)節(jié)器采用冗余配置，當(dāng)主勵磁調(diào)節(jié)器故障時自動切換至備用勵磁調(diào)節(jié)器，確保故障情況下主機依然得到控制。

2 推進集控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

推進集控臺的PLC由西門子S7-1500-1 PN型CPU模塊、接收操控鍵盤信號的32×24VDC的DI模塊、輸出狀態(tài)和報警信號的32×24V DC的DO模塊、支持Modbus RTU通訊協(xié)議的CM PtP RS422/485模塊、CAN通訊的西門子PN/CAN LINK 模塊和SCALANCE X208型PROFINET交換機構(gòu)成。監(jiān)控部分包括監(jiān)控計算機、操控鍵盤、鼠標(biāo)、指示儀表和報警指示燈、報警蜂鳴器等。

分布式從站的SIMATICET200SP型分布式遠(yuǎn)程從站模塊通過背板總線連接采集電機狀態(tài)數(shù)字量的32×24VDC的DI模塊、輸出勵磁電流的8×U/I型AQ模塊以及用于采集的電機溫度、電流以及轉(zhuǎn)速等模擬信號的8×U/I/RTD/TC型AI模塊、控制執(zhí)行繼電器箱的16×230V的DO模塊。AI模塊的信號輸入為4～20 mA電流與-10 V～10 V電壓。因此AI模塊的輸入前端配置高精度采樣電阻與濾波器以提高采樣精度，消除采樣信號中的擾動與毛刺。

為兼顧通訊速率與成本，推進集控裝置內(nèi)部除遙控車鐘與推進集控臺之間采用CAN通訊外，其他設(shè)備之間的通訊均基于以PROFINET網(wǎng)絡(luò)交換機為核心的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3 推進集控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 控制軟件邏輯與單元層次

推進集控裝置控制軟件設(shè)計主要采用結(jié)構(gòu)化的方法。設(shè)計中考慮邏輯控制軟件的特點，利用全局變量傳遞數(shù)據(jù)，以節(jié)約計算開銷和和程序空間。軟件運行以周期調(diào)用和事件觸發(fā)兩種調(diào)用方式相結(jié)合：初始化后進入周期循環(huán)，事件發(fā)生時中斷觸發(fā)控制調(diào)用周期。

控制軟件按照如下原則進行軟件單元的劃分：1）軟件內(nèi)的軟件單元以功能進行劃分。功能較復(fù)雜的軟件單元，再以功能的分支進行子單元的劃分。2）以接口進行劃分。針對邏輯控制軟件外部數(shù)據(jù)采集的特征，對于與硬件有接口的軟件單元的劃分盡量與硬件的模塊、接口劃分相對應(yīng)。3）以工作模式進行劃分。根據(jù)如圖2所示的運行狀態(tài)（或模式），某個狀態(tài)特有的軟件功能在一個軟件單元內(nèi)實現(xiàn)，再根據(jù)功能劃分軟件單元。

圖2 控制軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

軟件可以分為三個部分，分別為初始化程序，主循環(huán)程序和公用函數(shù)庫。

初始化程序：對PLC輸出控制量與內(nèi)部寄存器進行初始化。

主循環(huán)程序：主循環(huán)程序根據(jù)運行狀態(tài)與功能的不同，分為啟動模塊、停機模塊、運行模塊、故障報警模塊、輸入輸出模塊與通訊模塊。

公用函數(shù)庫：用于存儲模塊間交叉引用的功能函數(shù)。

軟件詳細(xì)結(jié)構(gòu)層次如圖3與圖4所示。

圖3 控制軟件單元結(jié)構(gòu)

軟件模塊子模塊 輸入輸出模塊DI輸入處理模塊 AI輸入處理模塊 AO輸出處理模塊 DO輸入處理模塊 故障報警模塊故障檢測模塊 故障存儲模塊 報警模塊 故障復(fù)位模塊 通訊模塊485通訊模塊 以太網(wǎng)通訊模塊 PLC-CAN-車鐘通訊模塊 PLC-CAN-VDR通訊模塊 速區(qū)控制模塊停機-低速區(qū)模塊 低速區(qū)-中速區(qū)模塊 低速區(qū)-高速區(qū)模塊 中速區(qū)-高速區(qū)模塊 停機模塊 低速區(qū)-反轉(zhuǎn)模塊 中速區(qū)-反轉(zhuǎn)模塊

3.2 人機界面的設(shè)計

監(jiān)控計算機使用西門子WinCCRunTime組態(tài)軟件開發(fā)人機界面?？紤]到系統(tǒng)的安全性問題，用戶進入操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)將直接以全屏的方式進入監(jiān)控初始界面。用戶可經(jīng)過左側(cè)菜單選擇進入不同的監(jiān)控界面，退出系統(tǒng)經(jīng)確認(rèn)后將直接實現(xiàn)計算機的關(guān)機。

人機界面由6個子界面組成，分別是：主推進分系統(tǒng)參數(shù)顯示界面、主推進分系統(tǒng)報警及故障顯示界面、主推進分系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢界面、艏側(cè)推分系統(tǒng)參數(shù)顯示界面、艏側(cè)推分系統(tǒng)報警及故障顯示界面、艏側(cè)推分系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢界面。6個子界面層疊放置于同一窗口中，用標(biāo)簽加以區(qū)分顯示，轉(zhuǎn)換至某界面只需點擊相應(yīng)的標(biāo)簽即可。人機界面的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 人機界面結(jié)構(gòu)

3.3 通訊總線的設(shè)計

推進集控裝置采用基于UDP協(xié)議的以太網(wǎng)與1#和2#推進主機能量管理系統(tǒng)通訊。數(shù)據(jù)輪詢采用主從式，由PLC每1 s發(fā)送一次非實時數(shù)據(jù)輪詢數(shù)據(jù)包，推進主機能量管理系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后在100 ms內(nèi)必須回復(fù)。如果計算機在100 ms沒有收到數(shù)據(jù)，錯誤加1，如果在60 s沒有收到數(shù)據(jù)，認(rèn)為通訊巡檢信息處理機節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通訊故障。

推進集控裝置與機電長顯示儀的通訊采用基于Modbus RTU協(xié)議的RS-485串行總線。其中機電長顯示儀為主站，推進集控裝置為從站。需要讀取數(shù)據(jù)時，機電長顯示儀向推進集控裝置發(fā)送功能碼為0x03報文。推進集控裝置在收到報文后，向機電長顯示儀發(fā)送功能碼為0x10的報文，并在指定地址寄存器內(nèi)寫入數(shù)據(jù)。為確保通訊的可靠性，通訊設(shè)備采用CRC校驗方式對報文數(shù)據(jù)的正確性和完整性進行校驗。

航行數(shù)據(jù)記錄儀VDR與推進集控裝置之間的通訊采用CAN2.0B協(xié)議，為防止外部電磁干擾，通訊接口加裝光電隔離器。

4 結(jié)論

本文從功能需求、結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及軟硬件等多角度詳細(xì)介紹了基于PLC的分布式船舶推進集控系統(tǒng)的設(shè)計。本文所述推進集控裝置經(jīng)過實船應(yīng)用驗證，證明基于PLC的分布式船舶推進集控系統(tǒng)具有功能強大、安裝靈活等特點，極大減輕船員的勞動強度，提高了船舶航行的安全性與穩(wěn)定性。該型推進集控裝置設(shè)計過程中應(yīng)用的方法與思路為其他船舶電力推進系統(tǒng)自動化設(shè)備的開發(fā)可以提供有益參考。

[1] 劉芃澎, 劉志剛. 綜合電力系統(tǒng)電力推進分系統(tǒng)集控臺設(shè)計, 2021, 41(02): 60.

[2] 顧林林. 船舶主機遙控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 大連：大連海事大學(xué), 2014.

[3] 孫晗. 船舶主機遙控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 大連：大連海事大學(xué), 2016.

[4] 謝泓丘. 基于西門子S7_1500PLC沼氣凈化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[D]. 綿陽: 西南科技大學(xué), 2019.

[5] 李成陽, 黎曙, 賈志強. 一種分布式船舶推進集控裝置[P]. 中國: CN 201910000047.0[P]. 2019.

The design of distributed ship propulsion control equipment based on PLC

Tang Wenjun1, Liu Bo2

(1. The Second Military Representative Office of Guangzhou Bureau of Naval Armament Department of PLAN, Guangzhou 511464, China; 2. Guangzhou First Military Representative Office, Guangzhou Military Representative Department, Naval Armament Department of PLAN, Guangzhou 511464, China)

U664.14

A

1003-4862（2022）04-0034-04

2021-08-09

唐文俊(1986-)，男，工程師。研究方向為電氣工程。E-mail: 444625237@qq.com