基于SoftPLC的船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器設(shè)計

郭家建 林貽慧

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院船政學(xué)院，福州350007）

0 引言

自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在船舶駕駛中的廣泛使用，使船舶自動化經(jīng)歷了機(jī)艙集中控制、無人值班機(jī)艙、一臺大型計算機(jī)集中控制、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和微機(jī)分布式控制等發(fā)展階段。這對輪機(jī)管理人員的技術(shù)要求越來越高，必須對學(xué)生和船員進(jìn)行訓(xùn)練[1]。

模擬器以一艘 1600 TEU集裝箱船使用的Autochief IV 主機(jī)控制系統(tǒng)作為原型，采用SoftPLC實現(xiàn)對船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器的控制。利用組態(tài)軟件PIMS作為上位機(jī)開發(fā)平臺，進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計，使其功能的更加完善；通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及應(yīng)用。與傳統(tǒng)的輪機(jī)模擬器相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1）采用PLC 進(jìn)行現(xiàn)場控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度加快，運行更穩(wěn)定；

2）操縱過程的數(shù)據(jù)全部儲存在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，可供師生查詢及評判等；

3）船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器既可與上位機(jī)系統(tǒng)相連運行，也可自成體系單獨運行。

1 船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器的組成

船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器主要硬件包括PC 機(jī)、SoftPLC控制器、儀器儀表、指示燈、控制開關(guān)等。SoftPLC采用工業(yè)以太網(wǎng) Modbus TCP/IP 方式和PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SoftPLC對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)設(shè)定程序完成各種控制動作。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

SoftPLC作為下位機(jī)，可以完成數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的處理。利用以太網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，具有較高的傳輸速度及較好的可靠性和實時性。SoftPLC是整個系統(tǒng)的控制核心。整個系統(tǒng)中所有的信號數(shù)據(jù)都會傳遞給 SoftPLC，并且通過與PC機(jī)進(jìn)行實時通訊，可以實現(xiàn)在上位機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理等等。

圖1 系統(tǒng)框圖

船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器軟件設(shè)計包括SoftPLC梯形圖編輯、人機(jī)交互界面的設(shè)計和組態(tài)軟件中腳本程序的編寫。通過SoftPLC梯形圖的編輯，可以完成系統(tǒng)所要求的基本功能。而在組態(tài)軟件中的設(shè)計，可以使系統(tǒng)的功能更加完善，比如：數(shù)據(jù)的儲存、故障的設(shè)置等等。

2 SoftPLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 SoftPLC簡介

SoftPLC是SoftPLC公司的產(chǎn)品，是運行在工業(yè) PC上的一個實時多任務(wù)控制內(nèi)核。它既有所有“硬”PLC的特性，又具有自己的特性，即開放結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。SoftPLC系列控制器是以嵌入式CPU為核心的實時控制器，符合 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，可以構(gòu)建成開放式的PLC控制系統(tǒng)。用戶可把 SoftPLC系列的控制器作為專用的運行控制器。利用 TDNG組態(tài)軟件平臺，可以實現(xiàn)常規(guī)PLC的全部功能。用戶也可使用MODBUS通訊協(xié)議，連接RS-232C通信接口，把圖形操作面板和SoftPLC系列的CPU連接起來。

2.2 SoftPLC程序設(shè)計

1） SoftPLC配置

根據(jù)系統(tǒng)的要求，對SoftPLC的I/O地址進(jìn)行分配?？梢酝ㄟ^兩種方式來設(shè)置I/O地址：一是，使用“I/O MAP editor for SoftPLC”程序來設(shè)置I/O地址；二是，通過 FTP將 SPLC-2內(nèi)C:SOFTPLCRUN目錄下的FAMA.ISO文件刪除后重新上電，系統(tǒng)會自動生成新的I/O映射表。

2）梯形圖設(shè)計

船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器的功能比較復(fù)雜，涉及的器件繁多。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的各種邏輯功能，必須對梯形圖進(jìn)行合理的設(shè)計。以集控室和駕駛室之間主車鐘的校對控制為例，在備車狀態(tài)下進(jìn)行主車鐘的校對，駕駛室主機(jī)控制臺上把主車鐘手柄推從“STOP”位至其他不同的車鐘檔位，發(fā)出聲光報警。然后，集控室主機(jī)控制臺上將主車鐘手柄推至對應(yīng)的檔位進(jìn)行應(yīng)答，警報消除。在各檔車令校對正常后，在駕駛室內(nèi)將主車鐘手柄放在“STOP”位，集控室內(nèi)也將主車鐘拉回“STOP”位。集控室和駕駛室之間主車鐘的校對控制程序流程圖如圖2所示。

3 組態(tài)監(jiān)控的設(shè)計過程

3.1 組態(tài)軟件PIMS簡介

船舶主機(jī)遙控物理仿真模擬器選擇組態(tài)軟件PIMS作為開發(fā)平臺。PIMS 組態(tài)軟件融合了先進(jìn)的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，先進(jìn)的通訊技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組態(tài)軟件PIMS具有以下功能特點：

1）實時多任務(wù)：例如，數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對話、實時數(shù)據(jù)的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務(wù)在同一臺計算機(jī)上同時運行。

2）強(qiáng)大的畫面顯示組態(tài)功能：組態(tài)軟件PIMS提供給用戶豐富的作圖工具。

3）提供了良好的人機(jī)交互界面：它可提供各種圖形工具、參數(shù)組態(tài)界面等，使系統(tǒng)功能易于實現(xiàn)，從而加快了系統(tǒng)開發(fā)速度。

4）豐富的功能模塊：提供豐富的控制功能庫，滿足用戶的要求。

5）良好的開放性：擁有龐大的驅(qū)動程序庫，支持多種不同的硬件設(shè)備和通訊協(xié)議。

6）實時數(shù)據(jù)庫功能：實時數(shù)據(jù)庫是PIMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，用作管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，同時為PIMS的其它組件提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2 組態(tài)軟件功能設(shè)計

1）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫變量

為了實現(xiàn)邏輯控制的功能，在組態(tài)軟件中必須進(jìn)行程序的編寫。而在編寫程序之前必須定義程序中用到的變量，根據(jù)變量的不同性質(zhì)可以定義為數(shù)據(jù)庫變量、中間變量等。變量的數(shù)據(jù)是用來描述工控對象的狀態(tài)[2]。組態(tài)軟件 PIMS擁有自帶的點組態(tài)數(shù)據(jù)庫，將所有的I/O變量在點組態(tài)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行定義。這些 I/O變量與下位機(jī)SoftPLC對應(yīng)的變量相關(guān)聯(lián)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入，即可以在上位機(jī)上實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控[3]。

圖2 集控室和駕駛室之間主車鐘的校對控制程序流程圖

2）設(shè)計人機(jī)界面

人機(jī)界面是人機(jī)交互的平臺，利用 PIMS軟件來創(chuàng)建友好的人機(jī)交互界面。首先進(jìn)行畫面組態(tài)的設(shè)計。在組態(tài)軟件PIMS中繪制出逼真的畫面。這些畫面生動、形象，使整個系統(tǒng)操作更加人性化。例如：安保系統(tǒng)的監(jiān)控畫面如圖3所示。

其次，建立動畫連接。畫面組態(tài)是一些靜止的畫面，要實現(xiàn)動態(tài)效果必須進(jìn)行動畫連接。

圖3 安保系統(tǒng)監(jiān)控畫面

3) 與SoftPLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

要實現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，就必須完成組態(tài)軟件PIMS與SoftPLC之間的通訊。采用Modbus通用協(xié)議通訊方式，使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。在組態(tài)軟件PIMS中定義I/O設(shè)備，即設(shè)置設(shè)備名稱、設(shè)備地址、主機(jī)地址等等參數(shù)。將組態(tài)軟件PIMS中定義的I/O變量與定義的I/O設(shè)備相關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)與SoftPLC之間的通訊。

4）運行和調(diào)試

對系統(tǒng)進(jìn)行測試，檢查其能否實現(xiàn)船舶主機(jī)遙控模擬器所需的各項功能。下位機(jī)在運行時，查看各個監(jiān)控畫面，確保每一個控件顯示正確。在上位機(jī)上進(jìn)行操作，看下位機(jī)能否按要求實現(xiàn)相關(guān)的動作。模擬器在組態(tài)軟件PIMS和SoftPLC共同控制下，安全穩(wěn)定的運行。

4 結(jié)束語

本套模擬器采用SoftPLC作為系統(tǒng)控制的核心，提高了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時也加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。學(xué)員可以在操縱面板上進(jìn)行相關(guān)科目的練習(xí)，達(dá)到培訓(xùn)學(xué)員的目的；同時模擬器也可以作為對輪機(jī)員進(jìn)行相關(guān)評估考核的設(shè)備。此外，組態(tài)軟件PIMS的使用，提高了系統(tǒng)的開放性，使系統(tǒng)的功能更加完善。

[1]王錫淮, 肖健梅, 鮑敏中. 船舶主機(jī)遙控仿真系統(tǒng)實時多任務(wù)軟件設(shè)計[J]. 船舶, 2002,(12).

[2]劉玉敏. 組態(tài)軟件中先進(jìn)控制算法的開發(fā)[D]. 大慶石油學(xué)院, 碩士學(xué)位論文, 2005.3

[3]艾輝. 基于組態(tài)軟件的電梯監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 中國電梯, 2005, (15).