可編程序控制器在挖泥船上的應(yīng)用

黃 兵

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

20世紀(jì) 70年代發(fā)展起來(lái)的可編程序控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)是大規(guī)模集成電路成功開(kāi)發(fā)以及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物。PLC主要功能有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)算術(shù)運(yùn)算、通信等,其功耗低、速度快、功能強(qiáng)、使用靈活、體積小、輸入采用光電隔離、輸出采用繼電器隔離,抗干擾能力和可靠性都達(dá)到了很高的水平。PLC已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域,在挖泥船上也得到了很好的應(yīng)用。本文以西門(mén)子PLC為例進(jìn)行敘述。

1 小型挖泥船的控制

挖泥船的液壓系統(tǒng)由液壓泵站、液壓閥站、液壓管路、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、挖泥操縱臺(tái)組成。施工人員在操縱室操縱臺(tái)旁就可以控制挖泥船各個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作,挖泥船的各種動(dòng)作是通過(guò)大量電磁閥通斷的不同組合完成的。如 20世紀(jì) 90年代某類(lèi)小型挖泥船,其裝機(jī)功率不大,液壓閥站的電磁閥數(shù)量不是很多(40～50個(gè)),控制類(lèi)型都是開(kāi)關(guān)量,沒(méi)有模擬量參與控制,也沒(méi)有時(shí)間繼電器參與控制,挖泥船液壓閥站電磁閥控制采用多層組合開(kāi)關(guān)直接控制電磁閥通電、斷電。多層組合開(kāi)關(guān)直接控制電磁閥簡(jiǎn)單明了,有一般電工知識(shí)的船員就可維修。多層組合開(kāi)關(guān)直接控制電磁閥有上述優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)就是易出故障,可靠性不高,影響了挖泥船的持續(xù)工作。挖泥船工作時(shí)有的動(dòng)作需要許多電磁閥通電工作,組合開(kāi)關(guān)層數(shù)越多越易損壞,特別是操作組合開(kāi)關(guān)時(shí)每層受力不一樣,還有多層組合開(kāi)關(guān)不能直接應(yīng)用,必須按電磁閥工作狀態(tài)勵(lì)磁表接通組合重新排布組合開(kāi)關(guān)的每層彈子,這樣就要拆開(kāi)開(kāi)關(guān)排彈子,既麻煩又易損壞?？傊鄬咏M合開(kāi)關(guān)直接控制電磁閥在組裝時(shí)以及挖泥船使用時(shí)故障率較高、可靠性差、日常維護(hù)工作量大,常造成挖泥船停工,降低了挖泥船的效率。針對(duì)上述缺點(diǎn),有必要用更可靠的器件對(duì)挖泥船液壓泵站電磁閥進(jìn)行控制。

1999年“百船辦”“河湖疏浚挖泥船建造項(xiàng)目”的200m3/h(分體)絞吸挖泥船的液壓泵站電磁閥的控制以及機(jī)艙報(bào)警監(jiān)控選用了西門(mén)子 S7-200系列PLC。通過(guò)設(shè)計(jì)操縱臺(tái),編制程序,調(diào)試及挖泥試驗(yàn)后,結(jié)果非常理想,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。200m3/h (分體)絞吸挖泥船的液壓控制原理圖如圖 1所示。

2 中型挖泥船的控制

中型挖泥船的液壓泵站與前面敘述的小型挖泥船有許多不同。中型挖泥船的液壓泵站電磁閥一般有 70～80個(gè),有的系統(tǒng)需要采集模擬量參與液壓控制。

如2 000m3/h挖泥船的液壓泵站電磁閥有 70個(gè),需要采集 7個(gè)模擬量,命令輸入及限位輸入 50個(gè),所以共有127個(gè)點(diǎn)。該船選用 S7-200系列可變程序控制器組成液壓控制系統(tǒng),液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖 2所示。

以左操縱臺(tái)的PLC作為主站,右操縱臺(tái)的PLC作為從站,主站與從站進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。該船的液壓控制系統(tǒng)與小型挖泥船的液壓控制系統(tǒng)所用的PLC都是西門(mén)子S7-200系列的PLC,只是2 000 m3/h挖泥船的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增加了許多,并且用了模擬量參與控制。西門(mén)子S7-200系列的CPU224及CPU226可編程可連接 7個(gè)擴(kuò)展模塊,最大可擴(kuò)展的數(shù)字量輸入/輸出范圍 CPU224是 168點(diǎn), CPU226是 248點(diǎn)。但此控制系統(tǒng)也有缺點(diǎn),其一是系統(tǒng)構(gòu)成比較死板,S7-200系列的PLC輸入輸出點(diǎn)都在一個(gè)模塊上,限位信號(hào)輸入電纜、驅(qū)動(dòng)電磁閥輸出電纜均要進(jìn)出操縱臺(tái),整個(gè)操縱臺(tái)的電纜非常多,造成了操縱臺(tái)制造安裝困難,調(diào)試也困難;其二如果要控制的液壓泵站電磁閥數(shù)量很多,參與控制的模擬量也多,S7-200系列可變程序控制器不論怎樣擴(kuò)展也不能勝任液壓系統(tǒng)的控制工作?；谏鲜鲈? 500m3/h絞吸挖泥船選用了 S7-300系列可變程序控制器構(gòu)成挖泥船液壓控制系統(tǒng)。

圖1 200m3/h(分體)絞吸挖泥船液壓控制原理圖

圖2 2 000m3/h液壓挖泥船系統(tǒng)原理圖

西門(mén)子 S7-300系列可變程序控制器是中型PLC,S7-300具有模塊化、無(wú)排風(fēng)結(jié)構(gòu),易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置(這點(diǎn)很重要)。S7-300可編程控制器可配各種各樣的功能模塊和輸入輸出模塊,S7-300可編程控制器的系統(tǒng)一般由PS電源模塊、CPU模塊、IM接口模塊、SM信號(hào)模塊(輸入輸出模塊)、FM功能模塊、CP通信模塊組成。

3500m3/h絞吸挖泥船的部分液壓系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示,機(jī)艙監(jiān)控室PLC輸出柜原理圖如圖4所示。

圖3 3500m3/h絞吸挖泥船部分液壓系統(tǒng)控制原理圖

圖4 機(jī)艙監(jiān)控室PLC輸出柜原理圖

S7-300組成的液壓控制系統(tǒng)非常合理,液壓系統(tǒng)的動(dòng)作命令由操縱臺(tái)發(fā)出,所以輸入模塊SM321安裝在操縱臺(tái)內(nèi),操縱臺(tái)上的許多指示燈由PLC輸出驅(qū)動(dòng),部分輸出模塊SM322也安裝在操縱臺(tái)內(nèi),參與控制的模擬量輸入模塊安裝在操縱臺(tái)內(nèi);驅(qū)動(dòng)液壓泵站電磁閥的模塊 SM322組合在一起與SIMATIC ET200(PROFIBUS-DP分布式I/O)構(gòu)成PLC輸出柜,S7-300的PLC通信功能強(qiáng)大,操縱臺(tái)作為主站,PLC輸出柜作為旁站,主站通過(guò)PROFIBUS-DP電纜與PLC輸出柜組成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。其實(shí)S7-300模塊組態(tài)時(shí)非常靈活,各輸入模塊可安裝在操縱臺(tái)內(nèi),也安裝在PLC輸出柜內(nèi);同樣各輸出模塊可安裝在操縱臺(tái)內(nèi)也可安裝在PLC輸出柜內(nèi),在設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)綜合考慮模塊的安裝位置。

3 500m3/h絞吸挖泥船的操縱臺(tái)進(jìn)出電纜少,較簡(jiǎn)潔。操縱臺(tái)發(fā)出的各動(dòng)作指令經(jīng)CPU處理后通過(guò)PROFIBUS-DP電纜傳送到機(jī)艙監(jiān)控室PLC輸出柜直接驅(qū)動(dòng)液壓泵站電磁閥。另外在操縱臺(tái)上配置了上位計(jì)算機(jī),該計(jì)算機(jī)與S7-300通信直接調(diào)取PLC系統(tǒng)的輸入輸出狀態(tài)以及模擬量在計(jì)算機(jī)人機(jī)界面上顯示。該船投入使用后船東很滿意。

3 大型挖泥船的控制

這些年我國(guó)建造了許多大型耙吸式挖泥船,如新?；?13 500m3、新海鳳 16 888m3、新海牛10 000 m3、新海馬 10 000m3等。這類(lèi)大型挖泥船控制較為復(fù)雜,整船的監(jiān)控系統(tǒng)已進(jìn)化為全船復(fù)合集成自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng),復(fù)合集成自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是基于工業(yè)控制以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能儀器儀表技術(shù)的復(fù)合集成化監(jiān)視與控制系統(tǒng)。我國(guó)自主研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的這類(lèi)復(fù)合集成自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大型耙吸式挖泥船,而系統(tǒng)的價(jià)格只有同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品的 1/4。

耙吸式挖泥船的復(fù)合集成自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成:

集成耙吸挖泥船控制系統(tǒng)IHDCS(Integrated Hopper Dredger Control System)、報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)AMS (Alarm and Monitoring System)、駕駛室疏?？刂婆_(tái)PLC控制系統(tǒng)、艏/艉液壓及疏浚機(jī)械PLC控制系統(tǒng)、泥泵控制PLC控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、挖泥船綜合顯示系統(tǒng)。

大型耙吸式挖泥船集成監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜,要監(jiān)控的點(diǎn)數(shù)眾多,AMS系統(tǒng)的總點(diǎn)數(shù)將近 900個(gè),挖泥疏浚系統(tǒng)的電磁閥將近 300個(gè),挖泥疏浚系統(tǒng)的泵站液壓電磁閥分散在全船幾個(gè)區(qū)域,液壓PLC控制系統(tǒng)可分為幾個(gè)PLC子系統(tǒng),所有PLC子控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)系統(tǒng)。大型耙吸式挖泥船的控制系統(tǒng)可選用西門(mén)子S7-300系列及S7-400系列可編程控制器組成挖泥船控制系統(tǒng)。系統(tǒng)編程一般有2種方法,1個(gè)是線性化編程,另 1個(gè)是結(jié)構(gòu)化編程。簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)使用線性化編程;復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用結(jié)構(gòu)化編程方法。大型耙吸式挖泥船的控制系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-300系列及S7-400系列可編程控制器組成挖泥船控制系統(tǒng)時(shí),編制程序采用結(jié)構(gòu)化編程方法更方便。