船舶液位遙測與閥門遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙衛(wèi)麗

【摘? 要】進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，船舶自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，船舶液位遙測技術(shù)和閥門遙控系統(tǒng)在海洋工程船舶上得到了廣泛的應(yīng)用，在一些艙底水系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)以及貨物系統(tǒng)等需要對(duì)管路閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的管道系統(tǒng)，使用遙控閥門系統(tǒng)的比例越來越高。通過閥門遙控系統(tǒng)對(duì)管路上閥門狀態(tài)、閥門開度顯示和報(bào)警等方面的監(jiān)測和控制，使船員能輕易的保證艙底水等系統(tǒng)各項(xiàng)功能的正常運(yùn)行。這不僅大大減輕了船員的工作強(qiáng)度，而且顯著提高了航運(yùn)的效益和安全。

【關(guān)鍵詞】PLC;閥門遙控;液位遙測

引言

當(dāng)代船舶工業(yè)中，控制船體的平衡是重要的課題。船舶在裝卸貨物時(shí)需對(duì)壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)，譬如船在裝貨時(shí)，船體勢必向裝貨的方向傾斜，這時(shí)候需將裝貨的艙室所對(duì)應(yīng)的壓載艙內(nèi)的水排出;卸荷時(shí)，壓載水注入與卸料艙相對(duì)應(yīng)的壓載艙內(nèi)?，F(xiàn)代船舶控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化、集成化、安全運(yùn)行、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本文在PLC的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了閥門遙控及液位遙測系統(tǒng)。

一、概述

近十幾年來，由于船舶自動(dòng)化技術(shù)的重視與提高，各種液位遙控系統(tǒng)也得到了廣泛地開發(fā)與應(yīng)用。其系統(tǒng)的測量精度、系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性以及可靠性也上了一個(gè)新的臺(tái)階。由于船舶的吃水承載能力等問題，在一定程度上影響著船行的安全性和穩(wěn)定性。因此控制好遙測系統(tǒng)的誤差，是很有必要的。遙測系統(tǒng)是基于PLC技術(shù)的系統(tǒng)，它的種類有很多種，目前船舶液位系統(tǒng)常見的有：壓電式、吹泡式、浮子式、氣電式以及雷達(dá)式等。而無論哪一種遙測系統(tǒng)，其組成部分也是大同小異?？傮w來說都是由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)分析單元以及數(shù)據(jù)顯示單元等模塊組成。其工作原理由傳感器采集各個(gè)倉位的液位、溫度以及吃水信號(hào)。并通過數(shù)字信號(hào)的方式傳遞給數(shù)據(jù)分析單元并以各種數(shù)字形式顯示出來。然后工作人員再根據(jù)這些信息在中控室實(shí)現(xiàn)對(duì)全船的檢測與控制。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，船舶系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也越來越高。高科學(xué)技術(shù)含量的集成系統(tǒng)的大量應(yīng)用，使得船舶各系統(tǒng)更加高效、智能。液位遙測系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。經(jīng)過近十多年的發(fā)展，液位遙測系統(tǒng)的概念已拓展為液艙參數(shù)測量系統(tǒng)。在測量精度，系統(tǒng)功能，穩(wěn)定性和可靠性都上了一個(gè)新臺(tái)階，用戶不僅能知道液艙內(nèi)的液位，還能隨時(shí)知道艙內(nèi)的溫度、氣體壓力、液貨密度、重量等參數(shù)和船的壓載、吃水、穩(wěn)性、強(qiáng)度等各種參數(shù)，以確保船舶裝卸與航行的安全。

二、船舶液位遙測系統(tǒng)

1、系統(tǒng)功能

液位遙測系統(tǒng)是船舶的核心部分，直接關(guān)系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。液位遙測系統(tǒng)能夠集成多種液位測量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶液位的監(jiān)測和報(bào)警。系統(tǒng)可以接液位顯示儀表顯示液位，也可以通過現(xiàn)場總線通訊方式將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)液位的顯示和監(jiān)視。船舶液位遙測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)二項(xiàng)功能：①對(duì)各艙的液位、溫度、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;②當(dāng)監(jiān)測高于報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

船舶液位遙測系統(tǒng)主要由集中顯示控制柜、現(xiàn)場采集箱、液位關(guān)斷箱、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)及各種傳感器組成。傳感器包括雷達(dá)液位傳感器、氣泡式液位變送器、投入式液位壓力傳感器和溫度傳感器等。投入式液位傳感器信號(hào)直接通過通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入船舶中控系統(tǒng)。其它的傳感器信號(hào)通過現(xiàn)場采集箱后進(jìn)入中控系統(tǒng)，通過中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和報(bào)警。

三、液位遙測與閥門遙控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥門遙控和遙測系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：電液閥的驅(qū)動(dòng)頭和傳感器單元、控制模塊，監(jiān)測控制面板MIMIC。從控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)船舶各部分進(jìn)行分散控制，并在控制室和監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行集中管理。

（一）閥門電液驅(qū)動(dòng)頭及傳感器單元

閥門開關(guān)的動(dòng)力來源由液壓油所提供，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由液壓泵、電機(jī)、控制附件等組成。由PLC采集的信號(hào)控制電磁閥的接通和斷開，液壓部分的集成油路能夠避免管路連接不完整，它具有整體結(jié)構(gòu)，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)閥門對(duì)應(yīng)一個(gè)電液驅(qū)動(dòng)頭，所以各控制單元之間是獨(dú)立的，互不影響，所以能夠提高其可靠性。

該設(shè)計(jì)選用了壓力式液位傳感器，適用于各種壓載船、燃油艙及船舶液貨的液位測量。傳感器把收集來的液位、船舶吃水、溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA的基準(zhǔn)電流作為PLC的輸入信號(hào)。

（二）中間控制模塊

中間控制模塊由8臺(tái)西門子7S-200系列PLC及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊組成，其中1臺(tái)連接以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊。PLC主站通過交換機(jī)與監(jiān)控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，PLC從站使用7臺(tái)PLC，PLC的主站與從站間、PLC各從站間使用RS485接口進(jìn)行連接。與PLC1-PLC5相連的數(shù)字量輸入/輸出模塊，用來采集來自現(xiàn)場的閥門狀態(tài)、泵的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，數(shù)字量輸出控制繼電器對(duì)閥門進(jìn)行遙控操作，對(duì)各艙的液位、溫度、泵進(jìn)出口的壓力由模擬量輸入模塊進(jìn)行采集;數(shù)字輸入/輸出模塊連接PLC6和PLC7獲得閥門的開關(guān)狀態(tài)和MIMIC模擬面板上的啟?？刂菩盘?hào)，根據(jù)這些信號(hào)運(yùn)行，其輸出驅(qū)動(dòng)閥門的開關(guān)，還控制MIMIC模擬面板上的泵操作的指示燈。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)模塊化、分層化設(shè)計(jì)，能夠動(dòng)態(tài)顯示液體在管道中的流動(dòng)，利用鼠標(biāo)或鍵盤可以打開和關(guān)閉閥門上的接口，完成泵的啟動(dòng)和停止，還可以監(jiān)控閥門、水泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)，便于查找和分析故障。

（二）PLC程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控機(jī)與PLC主站之間采用以太網(wǎng)模塊進(jìn)行通信，PLC主站與PLC從站及PLC從站之間采用RS485串行通信接口。PLC自由口協(xié)議通信，并且對(duì)PLC特殊功能寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，從而定義信息收發(fā)的開始和停止條件。

五、系統(tǒng)工作原理及功能

本設(shè)計(jì)中由PLC1-PLC5負(fù)責(zé)采集各閥門的開關(guān)狀態(tài)、液艙的液位、溫度等信號(hào)。PLC依次采集所有輸入端子的狀態(tài)，作為程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。PLC主站接收采集來的輸入信號(hào)，并與監(jiān)控機(jī)進(jìn)行通信，把信息傳送到監(jiān)控機(jī)，從而使監(jiān)控機(jī)對(duì)閥門、泵等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。此外，PLC主站發(fā)送接收來的信息到PLC6和PLC7，根據(jù)接收到的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作，輸出控制MIMIC模擬屏指示燈，閥門和泵的狀態(tài)也可以顯示在MIMIC模擬屏上。閥門的遠(yuǎn)程控制可以在監(jiān)視器和MIMIC模擬面板上執(zhí)行，但不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)閥門在MIMIC模擬面板遠(yuǎn)程操作時(shí)，相應(yīng)的閥的控制信號(hào)由PLC6或PLC7收集，并發(fā)送到PLC主站，然后發(fā)送到相應(yīng)的PLC1-PLC5從站，實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程控制，從站狀態(tài)反饋到監(jiān)控機(jī)和MIMIC模擬控制面板。當(dāng)監(jiān)控機(jī)遠(yuǎn)程操作閥門時(shí)，控制信號(hào)通過鼠標(biāo)利用以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送到PLC主站，閥門的遠(yuǎn)程操作由MIMIC模擬面板完成。

六、結(jié)束語

船舶液位遙測與閥門遙控系統(tǒng)是我們現(xiàn)代船舶業(yè)達(dá)到無人值班機(jī)艙狀態(tài)的最重要的部分，如果遙控系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，那么就會(huì)出現(xiàn)很多不可避免的麻煩。所以船舶液位遙測與閥門遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有很重要的意義。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，是船舶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要部分，能夠體現(xiàn)船舶自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。

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（作者單位：天津市斯萊頓電子有限公司）