基于PLC的船舶閥門遙控與液位遙測教學實訓系統(tǒng)設計

(渤海船舶職業(yè)學院，遼寧 葫蘆島 125000)

船舶閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)是機艙自動化系統(tǒng)的重要組成部分。隨著船舶自動化水平的不斷提高，基于PLC技術的閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)廣泛應用在新造船舶中。與此同時，對于船舶電氣類及輪機自動化等專業(yè)學生、船舶建造技術人員和船員來說，迫切需要迅速掌握系統(tǒng)最新技術的工作原理和操作流程，以便能更好地完成系統(tǒng)安裝調試與運行維護等工作任務。在沒有實船艙室背景的實訓室, 研制出體現(xiàn)實船工作環(huán)境和操作條件的教學實訓系統(tǒng)成為當務之需[1]。結合船舶閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)的具體技術要求，采用西門子S7-200PLC、威達RACK工控機、典型液位測量傳感器等設計船舶閥門遙控與液位遙測教學實訓系統(tǒng)，在保證基本使用功能和可靠性的前提下，營造一個盡量逼真的系統(tǒng)工作環(huán)境，為開展系統(tǒng)調試、參數(shù)觀察、故障分析與排除等操作創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)總體設計原則

1.1 技術要求

船舶液位遙測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測船舶各壓載艙、淡水艙液位以及船舶吃水狀態(tài)。系統(tǒng)的主要工作原理是：由安裝在相關艙室內的液位傳感器檢測液位，送至系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理單元，最終通過顯示儀表和上位計算機的顯示器在甲板工作室等地作以顯示，同時為相關液體艙柜管路控制閥的開閉操作提供實時液位參考信息。該系統(tǒng)一般由液位傳感器、信號處理單元、顯示單元和操作單元等組成。

閥門遙控系統(tǒng)主要用于船舶壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)及貨油裝卸系統(tǒng)等管路上遙控閥門的開閉狀態(tài)監(jiān)視與控制。系統(tǒng)的主要工作原理是：由于被控閥門本身帶有表明其開、關狀態(tài)或中間位置的信息(微動開關或閥位指示器)，故可以通過繼電器、單片機、PLC或計算機監(jiān)控站等采集相應系統(tǒng)管路上的遙控閥門的開閉狀態(tài)，送至甲板工作室作以顯示和指示；而閥門的開閉命令由甲板工作室控制設備給出，再通過中間單元送至位于機艙內的遙控閥門控制箱，以控制各閥門動作，達到液體艙柜液位調控的目的[2-4]。

1.2 總體設計細則

1)整個實訓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理與顯示、液位調節(jié)與控制等核心設備要使用實船設備，既包含最新技術的實船系統(tǒng)的基本功能，同時也要兼顧進行系統(tǒng)教學，為學員進行系統(tǒng)調試、參數(shù)觀察、故障分析與排除等操作創(chuàng)造條件。

2)系統(tǒng)所配置的艙室液位檢測傳感器和液位控制閥門的類型要具有典型性和代表性，數(shù)量以滿足實訓要求、節(jié)約成本為準，區(qū)別于實船。

3)液位檢測、閥門狀態(tài)檢測由傳感器送入PLC中，而信息顯示則靠PLC與上位機之間的通訊和顯示器等完成。

4)考慮到實訓室不具備實船液體艙室的局限性，專門設置一個透明可調液位的容器作為艙液位模擬裝置，各液位檢測傳感器要安裝在此液體容器中。控制計算機、液位控制閥門、液體管路、測量傳感器等都在同一區(qū)域內集中安裝。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)構成

閥門遙控與液位遙測教學實訓系統(tǒng)建在船舶電氣實訓中心。系統(tǒng)由1臺工控機、1套PLC裝置、1個接口轉換器、液位開關及液位傳感器若干、1套電動蝶閥執(zhí)行機構和1套氣動蝶閥執(zhí)行機構等設備組成。系統(tǒng)構成見圖1。

圖1 船舶閥門遙控與液位遙測教學實訓系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)主要工作原理：由IPC通過RS-232串口通訊連接PLC，對PLC進行編程和監(jiān)控。PLC的I/O模塊分別輸入液位高低和閥門狀態(tài)信號、輸出閥門開閉命令信號。在上位機中用編程軟件編寫PLC控制程序，并下載到PLC中運行；在上位機的組態(tài)軟件中進行控制和監(jiān)視。包括艙室液位高低動態(tài)信號、閥門開關狀態(tài)、數(shù)量、都可由組態(tài)軟件界面確定。組態(tài)界面做好后，開閥、關閥等控件的控制和動作可以直接在組態(tài)界面中很直觀形象地進行操作。

2.2 系統(tǒng)主要設備配置

2.2.1 PLC的選型與配置

來自傳感器的液位信號和閥門開關狀態(tài)信息要由PLC 進行采集、處理并送往上位機。本系統(tǒng)采用的PLC為西門子 S7-200系列。具體配置如下。

CPU：CPU224(14點DI，10點DO)；

AI：EM231(4路)；

以太網(wǎng)模塊：CP243-1；

編程軟件：STEP 7-Micro/WIN。

2.2.2 上位機的選型與配置

系統(tǒng)中負責與PLC通信和監(jiān)控的上位機選擇威達工控機RACK-360，具體配置如下。CPU：Socket-478架構，支持Pentium 4/Cerleron，外頻533/800 MHz；系統(tǒng)芯片組：Intel 865G+ICH5；總線：AGP 4X /8X, 1個10/100 Mbit/s i82562ET以太網(wǎng)；2個RS-232串口,1個LPT并口(支持SPP/ECP/EPP模式)8個 USB2.0接口等。

2.2.3 液位測量傳感器選擇

實船上壓載水艙、淡水艙、液態(tài)貨艙柜等液位檢測主要采用浮子開關和模擬量輸出液位傳感器，本系統(tǒng)中配置浮子開關2個，分別檢測液位的上限和下限，將之轉換為開關量；配置液位傳感器3個，選取了廣泛應用的3種類型。分別是：投入式液位變送器、側裝式液位變送器和超聲波液位計。這些液位傳感器適用于液貨艙、壓載艙、燃油艙和其他油水艙的液位測量，將所測量的液位信號實時轉換為對應的4～20 mA電流信號，具有數(shù)據(jù)準確、可靠性高、工作壽命長等優(yōu)點。

其中，投入式液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號。經(jīng)過溫度補償和線性校正，轉換成4～20 mADC標準電流信號輸出；超聲波式液位計則利用液位高低影響發(fā)射與接收超聲波的時間差的原理來測量的。

2.2.4 遙控閥門選擇

選取開關式氣動蝶閥和開關式電動蝶閥各1個。氣動蝶閥是在氣源動力驅動下完成閥門的開關動作的，它由2個兩位三通電磁閥與氣動執(zhí)行機構配套組成，見圖2。

圖2 氣動蝶閥驅動原理

在閥門打開控制信號作用下，SV1電磁閥動作，壓縮空氣從氣動執(zhí)行器的正向管嘴輸入氣動執(zhí)行器內，氣體會推動活塞向兩端運動，通過齒條帶動旋轉軸上的齒輪轉動，從而開啟閥門。需要關閉閥門時，SV2電磁閥導通，氣源是從反向管嘴進入，將活塞推動向中間運動，帶動閥門關閉。

電動蝶閥由電動執(zhí)行器和蝶閥組成，電動執(zhí)行器為90度旋轉，通過電動執(zhí)行器旋轉帶動蝶閥的開啟與關閉。具備手動操作功能，在斷電時通過手動操作來開關蝶閥。

3 系統(tǒng)教學實訓功能

1)船舶閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)的組成、分布及其工作原理演示。

2)系統(tǒng)功能及動作過程演示。

3)系統(tǒng)自身故障監(jiān)測情況動態(tài)顯示。

4)系統(tǒng)實時液位測量及閥門遙控的操作過程訓練。

5)在上位機組態(tài)軟件界面上，進行液位監(jiān)測與讀數(shù)、閥門開閉狀態(tài)顯示、閥門開閉操作命令發(fā)送，系統(tǒng)報警后的消聲、應答、復位等操作訓練。

6)上位機系統(tǒng)軟件及傳感器安裝與調校操作訓練。

7)系統(tǒng)調試訓練。

8)人為設置傳感器或PLC故障，觀察故障表現(xiàn)形式，進行系統(tǒng)故障診斷及排除訓練。

9)編制打印系統(tǒng)運行日志、月志、等操作訓練。

10)系統(tǒng)軟硬件功能擴展設計訓練。

4 結論

基于西門子S7-200PLC的船舶閥門遙控與液位遙測教學實訓系統(tǒng)既體現(xiàn)了現(xiàn)代實船上該系統(tǒng)最新建構方案，同時又兼顧了系統(tǒng)的教學實訓功能。該方案已成功用于某學院船舶機艙自動化實訓系統(tǒng)中，為船舶電氣技術、輪機自動化等相關專業(yè)學生開展該系統(tǒng)實訓創(chuàng)造了有利條件。同時，該教學實訓系統(tǒng)的成功研制與應用，也為其他船舶電氣教學實訓系統(tǒng)開發(fā)提供了可借鑒的思路。

[1] 白 明.“船舶電氣課程設計”項目教學法實踐[J].船海工程，2011,40(4):100-102.

[2] 阮礽忠.船舶電氣與自動化設備維修技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013.

[3] 趙家斌.基于PLC抗橫傾功能的閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[4] 林葉錦.輪機自動化[M].北京：人民交通出版社，2011.