基于PLC 技術(shù)的艦船機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)

劉海生，王天杰

(1. 河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 唐山 063000；2. 唐山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 河北 唐山 063000)

0 引 言

由于機(jī)電設(shè)備種類(lèi)以及機(jī)電設(shè)備數(shù)量較多，各個(gè)種類(lèi)設(shè)備的控制方法也存在明顯差異[1]；與此同時(shí)，海上環(huán)境復(fù)雜多變，存在諸多的突發(fā)情況和干擾因素，因此，導(dǎo)致艦船機(jī)電設(shè)備控制效果較差[2]?？刂七^(guò)程中，會(huì)發(fā)生一定的協(xié)調(diào)控制誤差、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行效率較差，并且遠(yuǎn)程控制的時(shí)效性不理想等情況。因此，在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備控制時(shí)，如何保證機(jī)電設(shè)備的控制效果和響應(yīng)效率[3]，則是艦船機(jī)電設(shè)備控制過(guò)程中的重要內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的有效控制，文獻(xiàn)[4]以設(shè)備的協(xié)同分群控制為目標(biāo)，提出基于蟻群算法的相關(guān)控制方法，該方法通過(guò)尋優(yōu)求解獲取全局最優(yōu)解，得出最佳控制結(jié)果。但是該方法在控制過(guò)程中，艦船在發(fā)生明顯階躍的情況下，控制結(jié)果的偏差較大。文獻(xiàn)[5]以實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定控制為目標(biāo)，設(shè)計(jì)觀測(cè)器摩擦補(bǔ)償控制器，依據(jù)該控制器觀測(cè)機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)的不確定因素，設(shè)計(jì)相關(guān)的控制律，完成機(jī)電系統(tǒng)高精度控制。但是該方法在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于控制指令的響應(yīng)時(shí)間存在延時(shí)情況，降低設(shè)備的執(zhí)行效率。

PLC 技術(shù)也稱(chēng)為可編程邏輯控制器，其屬于一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，該控制器內(nèi)部設(shè)有微處理器以及可編程存儲(chǔ)器，能夠依據(jù)應(yīng)用需求存儲(chǔ)相關(guān)邏輯運(yùn)算以及控制等指令[6]，并可通過(guò)數(shù)字模擬輸入或者輸出的方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的控制。因此，本文為實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的一體化控制，設(shè)計(jì)基于PLC 技術(shù)的艦船機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)。

1 艦船機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)基于PLC 技術(shù)的艦船機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)電設(shè)備的一體化控制，以此保證機(jī)電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制效果，降低各個(gè)設(shè)備的控制響應(yīng)誤差。該系統(tǒng)屬于閉環(huán)體系，該系統(tǒng)整體分為3 個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊以及控制模塊，采集模塊是利用多源傳感器采集艦船機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送至控制模塊中，控制模塊利用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，該系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于PLC 技術(shù)的艦船機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Architecture of ship electromechanical equipment control system based on PLC technology

1) 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊的主要作用是利用多源傳感器獲取艦船機(jī)電設(shè)備運(yùn)行信息，包含驅(qū)動(dòng)輸出信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、按鍵信號(hào)、開(kāi)關(guān)信息以及階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)等；并且該模塊中設(shè)有暫存數(shù)據(jù)庫(kù)，以此保證數(shù)據(jù)采集的完整性。

2) 通信模塊

該模塊主要包含CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、有線(xiàn)通信協(xié)議、CAN 通信板卡、綜合處理單元等多個(gè)部分組成。以此，保證不同狀態(tài)下的信息傳輸需求，確保信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，以此提升艦船機(jī)電設(shè)備的控制的實(shí)時(shí)性。

3) 控制模塊

該模塊主要由PLC 可編程控制器、通信端口、人機(jī)界面等部分組成，通過(guò)PLC 可編程控制器實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)電設(shè)備的一體化協(xié)調(diào)控制，控制指令則通過(guò)PLC 輸出端子進(jìn)行發(fā)送，各個(gè)機(jī)電設(shè)備則依據(jù)控制指令進(jìn)行控制，并且將控制結(jié)果通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行展示。其中人機(jī)界面和PLC 可編程控制器之間的連接通過(guò)PLC 端口完成。

1.2 通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)行艦船機(jī)電設(shè)備控制過(guò)程中，信息混合控制指令的傳輸均需依據(jù)通信模塊完成，因此，通信模塊的通信效果，對(duì)于艦船機(jī)電設(shè)備的控制效果存在一定影響。為保證較好的通信效果，以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)通信模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有較好的自我修復(fù)能力、均衡能力，能夠在鏈路發(fā)生異常或者損壞的情況下，進(jìn)行自我修復(fù)，并自主選擇最佳的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，同時(shí)可在極短時(shí)間內(nèi)完成傳感器采集數(shù)據(jù)的備份和傳輸，保證數(shù)據(jù)的傳出效率。艦船航行過(guò)程中，機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，因此，在設(shè)計(jì)通信模塊過(guò)程中，為滿(mǎn)足設(shè)備的控制需求以及信息交互各個(gè)載體的差異，主要設(shè)計(jì)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)2 種通信類(lèi)型；并且現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證不同傳感器采集信息的傳輸效果，設(shè)計(jì)不同的通信協(xié)議機(jī)制，以此滿(mǎn)足艦船機(jī)電設(shè)備運(yùn)行信息的傳輸和交互需求。除此之外，保證控制指令傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性可可靠性。

圖2 通信模塊結(jié)構(gòu)Fig. 2 Communication module structure

1.3 控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 控制模塊結(jié)構(gòu)

PLC 可編程控制器能夠保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性，具有好的動(dòng)態(tài)分析和控制效果。同時(shí)，能夠高效完成艦船機(jī)電設(shè)備海量數(shù)據(jù)的運(yùn)算?？山Y(jié)合實(shí)際控制需求，在控制器內(nèi)部署不同設(shè)備的控制律以控制方法，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)電設(shè)備的控制。因此，本文為實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)電設(shè)備的一體化協(xié)調(diào)控制，控制模塊以PLC 可編程控制器為核心，完成艦船機(jī)電設(shè)備控制，控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示?？刂颇K是以PLC 可編程控制器為核心，其包含微處理器、數(shù)字和模擬單位、通信接口、控制指令集、輸入輸出單元等多個(gè)部分組成，以此保證艦船機(jī)電設(shè)備控制效果。

圖3 控制模塊結(jié)構(gòu)Fig. 3 Control module structure

1.3.2 基于動(dòng)態(tài)矩陣的機(jī)電設(shè)備控制方法

控制模塊為實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)電設(shè)備的一體化控制效果，在PLC 可編程控制器的微處理器內(nèi)部署動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，該方法具有較好的階躍控制效果。在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備控制前，需依據(jù)采集的機(jī)電設(shè)備單位階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其階躍狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果采集的艦船機(jī)電設(shè)備階躍采樣值用ai=a(iT)表示，其中，T表示采樣周期，i=1,2,...,n表示機(jī)電設(shè)備。當(dāng)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)不斷穩(wěn)定時(shí)，其階躍響應(yīng)結(jié)果則會(huì)在數(shù)個(gè)采樣周期后逐漸穩(wěn)定；依據(jù)采集的機(jī)電設(shè)備階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)建有限集合(a1,a2,...,aN)，N表示采樣周期數(shù)量，將(a1,a2,...,aN)定義為動(dòng)態(tài)矩陣控制方法的模型參數(shù)，N為該方法的時(shí)域。艦船機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行參數(shù)之間會(huì)存在一定比例的疊加，因此通過(guò)預(yù)測(cè)后可獲取機(jī)電設(shè)備一體化輸出結(jié)果的預(yù)測(cè)；如果機(jī)電設(shè)備一體化控制增量數(shù)量用M表示，初始預(yù)測(cè)值用表示，則機(jī)電設(shè)備在未來(lái)時(shí)刻的輸出結(jié)果計(jì)算公式為：

式中：t為時(shí)刻；t+i|t為第t+i個(gè)設(shè)備在t時(shí)刻下的預(yù)測(cè)值；ζ(.)為控制形式。

為提升艦船機(jī)電設(shè)備的一體化控制效果，本文對(duì)機(jī)電設(shè)備一體化運(yùn)行輸出預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，其公式為：

式中：rp(t)為機(jī)電設(shè)備一體化運(yùn)行的期望輸出結(jié)果；p為未來(lái)時(shí)刻；Q為誤差權(quán)矩陣；R為控制權(quán)矩陣。

依據(jù)式(2)計(jì)算控制增量數(shù)量為M時(shí)，艦船機(jī)電設(shè)備在未來(lái)時(shí)刻的輸出結(jié)果和控制方式之間的關(guān)系，其公式為：

式中：W表示動(dòng)態(tài)矩陣，其表達(dá)式為：

當(dāng)W ＜1時(shí)，則動(dòng)態(tài)矩陣收斂。

在控制過(guò)程中，為避免控制增量發(fā)生突變，影響控制的優(yōu)化效果，將Q和R兩個(gè)矩陣分別看作是控制和優(yōu)化時(shí)域，基于此艦船機(jī)電設(shè)備一體化優(yōu)化控制形式計(jì)算公式為：

依據(jù)式(6)可獲取M個(gè)控制增量的結(jié)果，對(duì)該公式進(jìn)行變換后得出：

式中，cT為優(yōu)化參量。

基于上述步驟完成艦船機(jī)電設(shè)備的一體化優(yōu)化控制。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)于艦船機(jī)電設(shè)備的控制效果，本文以某運(yùn)輸艦船上的機(jī)電設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象，該艦船的機(jī)電設(shè)備包含4 個(gè)主機(jī)，總功率為2 500 kW，發(fā)電機(jī)一臺(tái)，功率為25 kW，除此之外還包含液位系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)、火警系統(tǒng)等。

在該艦船的控制中心部署本文系統(tǒng)，在部署過(guò)程中，使用的PLC 硬件配置參數(shù)詳情如表1 所示。

表1 C 硬件配置參數(shù)詳情T(mén)ab. 1 Details of PLC hardware configuration parameters

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)在控制過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)通信效果，以控制指令的執(zhí)行時(shí)間作為衡量指標(biāo)，以2 種機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)為例，獲取本文系統(tǒng)在進(jìn)行不同數(shù)量指令執(zhí)行時(shí)，控制指令的執(zhí)行時(shí)間(應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為控制指令執(zhí)行時(shí)間低于0.8μs/條)，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。可知，隨著控制指令數(shù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)應(yīng)用后，隨著控制指令數(shù)量的逐漸增加，艦船的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)的指令執(zhí)行時(shí)間均低于0.8μs/條，通信的實(shí)時(shí)性較好。

表2 控制指令的執(zhí)行時(shí)間測(cè)試結(jié)果(μs/條)Tab. 2 Execution time test results of control instructions(μs/ strip)

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)于機(jī)電設(shè)備的一體化控制效果，文中采用控制結(jié)果的偏離程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，該指標(biāo)能夠衡量實(shí)際控制結(jié)果和設(shè)定結(jié)果之間的偏離程度，其取值范圍在0～1 之間，其值越小，表示控制效果越佳，該指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：xi(β)為實(shí)際控制結(jié)果；x0(β)為設(shè)定的理性控制結(jié)果；β為機(jī)電設(shè)備控制數(shù)據(jù)。

依據(jù)式(8)計(jì)算本文系統(tǒng)在不同的階躍擾動(dòng)下，偏離程度的測(cè)試結(jié)果，如圖4 所示?？芍?，在不同的階躍擾動(dòng)下，本文系統(tǒng)應(yīng)用后，能夠可靠完成機(jī)電設(shè)備的一體化控制，并且控制后的偏離程度均在0.052 以下。因此，本文系統(tǒng)的控制性能較好，即使機(jī)電設(shè)備處于階躍狀態(tài)下，依舊能夠可靠完成機(jī)電設(shè)備的有效控制。

圖4 階躍控制結(jié)果的偏離程度Fig. 4 Deviation degree of step control results

為直觀驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)于艦船機(jī)電設(shè)備控制的應(yīng)用性，獲取本文系統(tǒng)應(yīng)用后艦船的航速控制結(jié)果，如圖5 所示。可知，本文系統(tǒng)應(yīng)用后，能夠?qū)崟r(shí)、高效完成機(jī)電設(shè)備的一體化控制，艦船的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在接收控制指令后，能夠精準(zhǔn)完成艦船航行速度的控制，使艦船的航行控制結(jié)果和控制指令結(jié)果極為吻合，既使在速度調(diào)整情況下，依舊能夠快速完成控制指令的響應(yīng)，完成航行速度控制。

圖5 艦船的航速控制結(jié)果Fig. 5 Speed control results of ships

3 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)電設(shè)備的控制效果直接影響艦船航行狀態(tài)，本文為實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)電設(shè)備的一體化協(xié)調(diào)控制效果，提升機(jī)電設(shè)備的響應(yīng)效率，設(shè)計(jì)基于PLC 技術(shù)的艦船機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用情況展開(kāi)相關(guān)測(cè)試后得出結(jié)論，本文系統(tǒng)的通信效果良好，能夠高效、實(shí)時(shí)完成控制指令的傳輸，并且精準(zhǔn)完成機(jī)電設(shè)備的階躍控制，滿(mǎn)足需求。