船用閥門遙控控制系統(tǒng)的設(shè)計

陸 健

（南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司 南通226003）

引 言

隨著船舶規(guī)范的提升和船舶自動化程度要求的提高，特別是在當(dāng)前發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、維護(hù)海洋權(quán)益、建設(shè)海洋強(qiáng)國的新時代，船舶設(shè)備的自動化、智能化是一種必然選擇［1］。船舶閥門遙控控制系統(tǒng)主要用于監(jiān)測和控制船舶壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)以及貨油裝卸系統(tǒng)等管路上的遙控閥門［2］。通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)閥門的遙控，這不僅大大減輕了船員工作負(fù)擔(dān)，而且更能提高航運(yùn)效率和安全程度，是現(xiàn)實(shí)船舶自動化控制的一個重要部分［3］。本文介紹基于PLC技術(shù)和計算機(jī)組態(tài)動畫技術(shù)的閥門遙控控制系統(tǒng)，它具有直觀性強(qiáng)、操作簡單、對某些重要的閥門能夠進(jìn)行精確控制等特點(diǎn)，切實(shí)減少了船員的工作量，提高了整個船舶的安全性，提高了船舶設(shè)備自動化的水平。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

閥門的遙控類型按驅(qū)動方式的不同，主要分為氣動式、液壓式、電動式、電液式等幾種。一般由船舶設(shè)計院根據(jù)實(shí)船管路布置位置和功能的不同需求，選擇不同類型的遙控閥門。閥門遙控控制系統(tǒng)是對這些分散在管路中的遙控閥門進(jìn)行集中遠(yuǎn)程控制，是船舶自動的一個重要組成部分，尤其對油船、化學(xué)品船這類船，閥門遙控控制系統(tǒng)至關(guān)重要。

1.1 組 成

不同驅(qū)動方式的閥門遙控的組成是不同的，氣動式閥門遙控主要由氣源、氣動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動裝置）、氣動電磁閥柜、控制單元部分組成；液壓式閥門遙控主要由液壓動力泵站、液動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動裝置）、液壓電磁閥柜、控制單元部分組成；電動式閥門遙控主要由電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動裝置）、中繼箱、控制單元部分組成；電液式閥門遙控主要由電液一體式閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動裝置）、閥門控制采集柜、控制單元部分組成。

對于不同驅(qū)動方式組成的閥門遙控控制系統(tǒng)的主要控制結(jié)構(gòu)基本是一樣的，即主要由基于計算機(jī)組態(tài)軟件的上位機(jī)和基于PLC邏輯控制的閥門控制采集柜及被控制的遙控閥門驅(qū)動裝置組成。本文主要以最新型電液一體式閥門遙控裝置為控制對象進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。以研華工業(yè)計算機(jī)作為上位機(jī)，用組態(tài)王組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)交互界面［5］，以施耐德MODICON M340PLC為下位機(jī)開發(fā)邏輯控制程序，兩者的通訊網(wǎng)絡(luò)是基于MODBUS TCP/IP協(xié)議的工業(yè)實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)［6］，利用物理連接設(shè)備工業(yè)級以態(tài)網(wǎng)交換機(jī)和超五類計算機(jī)電纜組建而成（如圖1所示）。

圖1 控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 功 能

閥門遙控控制系統(tǒng)具有如下功能［7］：

（1）開關(guān)閥門控制功能

在計算機(jī)操作畫面上有設(shè)計開發(fā)的閥門模擬管系圖，操作人員根據(jù)模擬管系圖可任意點(diǎn)擊控制要操作的遙控閥門，對應(yīng)的閥門能實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉。

（2）顯示閥門狀態(tài)功能

在計算機(jī)操作畫面上能實(shí)時顯示每個遙控閥門的開閉狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)。

（3）監(jiān)測報警功能

當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時能及時發(fā)出報警和提示，并進(jìn)行記錄。

（4）通訊功能

控制系統(tǒng)中能把閥門的監(jiān)測和報警信息提供給船舶控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 基于PLC的閥門控制程序設(shè)計

PLC一種可編程序控制器，具有邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能，通過PLC實(shí)現(xiàn)閥門控制系統(tǒng)的閥門位置信號采集和執(zhí)行閥門開關(guān)動作。

2.1.1 PLC硬件

根據(jù)閥門控制的技術(shù)要求，對于開關(guān)遙控閥每個閥門對應(yīng)的PLC有開、閉兩個動作輸出和開、閉兩個位置輸出，所以每個閥門需要4個DO輸出點(diǎn)； 同時每個閥門對應(yīng)的PLC有開、閉兩個動作信號輸入和開、閉兩個位置反饋信號輸入，所以每個閥門還需要4個DI輸入點(diǎn)； 對于開度遙控閥每個閥門還有一個模擬量的信號輸入對應(yīng)PLC有1個AI模擬量點(diǎn)。

本文以某1 400標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船的閥門遙控控制系統(tǒng)為例，根據(jù)船舶實(shí)際情況以50只開關(guān)遙控閥門來計算，那么PLC輸入輸出I/O總點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于等于50×（4+4）= 400，我們以施耐德MODICON系列M340 PLC來進(jìn)行硬件配置，選用的模塊有電源模塊CPS200一塊、處理器模塊P342020一塊、離散量64點(diǎn)輸入模塊DDI6402K三塊、離散量32點(diǎn)輸入模塊DDI3202K一塊、離散量64點(diǎn)輸出模塊DDO6402K、離散量32點(diǎn)輸出模塊DDO3202K一塊、模擬量輸入AMI0410模塊兩塊，配置如圖2所示。

圖2 PLC硬件配置圖

2.1.2 PLC 軟件

根據(jù)控制要求， PLC控制的輸入部分有開閥指令%i0.1.0、關(guān)閥指令%i0.1.1、開位置反饋信號%i0.2.0、關(guān)位置反饋信號%i0.2.1；輸出部分有開閥動作%i0.5.0、關(guān)閥動作%i0.5.1、開狀態(tài)指示%i0.6.0、關(guān)狀態(tài)指示%i0.6.1［4］，采用梯形圖設(shè)計遙控閥門的邏輯動作功能。圖3為 PLC控制系統(tǒng)脈沖輸出部分梯形圖，下頁圖4為PLC控制系統(tǒng)閥門控制部分梯形圖。

圖3 PLC控制系統(tǒng)脈沖輸出部分梯形圖

圖4 PLC控制系統(tǒng)閥門控制部分梯形圖

PLC控制系統(tǒng)遙控閥門控制動作順序：通過時間繼電器t1、t2組合得到慢脈沖m1000，通過時間繼電器t3、t4組合得到快脈沖m1002，參見圖3。當(dāng)有輸入信號開閥指令%i0.1.0后，輔助繼電器m10置位得電，進(jìn)而輸出開閥動作%i0.5.0，同時m10和慢脈沖 m1000組合把慢脈沖信號賦給中間繼電器m11，m11在開位置反饋信號%i0.2.0未到位狀態(tài)下，把慢脈沖信號給開狀態(tài)指示%i0.6.0，通過慢脈沖即指示燈慢閃爍來顯示閥門開的運(yùn)行過程狀態(tài)。當(dāng)開位置反饋信號%i0.2.0到位時直接輸出給開狀態(tài)指示%i0.6.0，閥門開狀態(tài)指示燈常亮；同時把輔助繼電器m10復(fù)位得失電，停止輸出開閥動作%i0.5.0。如果閥門開動作過程異常，通過時間繼電器t5判斷超時未到位中間繼電器m14得電，m14和快脈沖 m1002組合把快脈沖信號通過中間繼電器m12給開狀態(tài)指示%i0.6.0，通過快脈沖即指示燈快閃爍來顯示閥門開故障報警狀態(tài)，見圖4 。遙控閥關(guān)閥控制邏輯跟開閥一樣，僅僅改變輸入輸出點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于組態(tài)王的閥門控制人機(jī)交互畫面設(shè)計

遙控閥門除了在控制箱上進(jìn)行按鈕（旋鈕）式控制，還需在人機(jī)界面上進(jìn)行交互式控制，人機(jī)界面開發(fā)生成的軟件就是工控組態(tài)軟件。本項(xiàng)目以組態(tài)王為組態(tài)開發(fā)軟件對船用閥門遙控控制系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行開發(fā)。組態(tài)王軟件由工程管理器、工程瀏覽器和運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成，項(xiàng)目根據(jù)5個步驟（新建工程、硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)詞典組態(tài)、畫面組態(tài)和配置運(yùn)行系統(tǒng)）依次設(shè)計。

首先在組態(tài)操作畫面上設(shè)計閥門的4種狀態(tài)：當(dāng)閥全開時顯示綠色，如圖5所示；當(dāng)閥全關(guān)時顯示紅色，如圖6所示；當(dāng)閥門運(yùn)行狀態(tài)時顯示灰色，如圖7所示；當(dāng)閥故障狀態(tài)時顯示黃色，如圖8所示。

圖5 閥全開

圖6 閥全關(guān)

圖7 閥運(yùn)行

圖8 閥故障

然后進(jìn)行閥門的操作控制畫面設(shè)計。進(jìn)行閥門遙控操作時，當(dāng)點(diǎn)擊畫面中任一閥時，會自動彈出操作框（見圖9），點(diǎn)擊一次相關(guān)按鈕即為操作相應(yīng)閥門開或關(guān)控制。最后，根據(jù)全船管系設(shè)計全船的遙控閥門控制系統(tǒng)，模擬管系控制畫面參見下頁圖10。

圖9 操作框

2.3 通訊與連接

基于組態(tài)王軟件的工業(yè)控制計算機(jī)（上位機(jī)）與基于施耐德M340PLC（下位機(jī)）兩者的通訊網(wǎng)絡(luò)是基于MODBUS TCP/IP協(xié)議的工業(yè)實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)，利用物理連接設(shè)備工業(yè)級以態(tài)網(wǎng)交換機(jī)和超五類計算機(jī)電纜組建而成，參見圖11。

圖11 通訊網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié) 語

本文主要對船用閥門遙控控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行研究，涉及PLC在船用閥門遙控控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和基于組態(tài)軟件人機(jī)組態(tài)畫面在船用閥門遙控控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，并通過組建工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備連接，以此組成一個完整的電氣自動化控制系統(tǒng)，應(yīng)用于蓬萊中柏京魯船業(yè)建造的1 400 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船以及中船黃埔文沖船舶建造的H6011等船的閥門遙控控制中，有效提高了船舶自動化程度，且達(dá)到了國際較先進(jìn)水平。