基于PLC 的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)模擬裝置設(shè)計(jì)

沈玉霞

（上海海事大學(xué)，上海201306）

1 引言

船舶機(jī)艙集中監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)是輪機(jī)自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分，主要用來集中監(jiān)測(cè)機(jī)艙中所有設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警，并在機(jī)艙值班人員應(yīng)答后，撤銷聲響報(bào)警，并將故障信息打印記錄[1,2]。

本系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)性和實(shí)驗(yàn)過程中的互動(dòng)性出發(fā)，把船上的機(jī)艙監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)遷移到教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中。系統(tǒng)配有操作臺(tái)、控制器、延伸報(bào)警器、輪機(jī)員呼叫系統(tǒng)、信號(hào)模擬測(cè)量箱。該系統(tǒng)與模擬外部傳感器探頭的信號(hào)發(fā)生裝置相配合，可模擬機(jī)艙主要設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)延伸報(bào)警和對(duì)輪機(jī)員的呼叫。

2 船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)按3 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)劃和系統(tǒng)配置，分別為控制層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，包含1 個(gè)控制臺(tái)，1 個(gè)輪機(jī)員呼叫箱，2個(gè)信號(hào)模擬箱及2 個(gè)延伸報(bào)警箱。機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示[3～5]。

圖1 機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制層

本系統(tǒng)控制層為1 臺(tái)計(jì)算機(jī)，1 個(gè)主控制站及1 個(gè)總線接口從站。主控制站包含1 個(gè)ABB AC500PLC，PLC 包含CPU 系列模塊PM581 型和2 個(gè)I/O 模塊DC532。總線接口從站包含1 個(gè)總線接口模塊DC551 和1 個(gè)I/O 模塊DC532。

AC500CPU 模塊的內(nèi)存接收經(jīng)由CS31 總線傳送過來的從站測(cè)量箱所采集的數(shù)據(jù)，并把接收到的模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)信息直接映射到CPU 模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址中，等待CoDeSys 編程軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理，最后再由AC500CPU將報(bào)警處理結(jié)果輸出到DC532 或DC551 模塊的相應(yīng)輸出通道，驅(qū)動(dòng)燈板和喇叭報(bào)警。主站擴(kuò)展的2 個(gè)I/O 擴(kuò)展模塊DC532 的32 路輸出通道被用來作為驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的32 路報(bào)警燈板的輸出通道。

2.2 設(shè)備層

1 號(hào)、2 號(hào)測(cè)量箱用以完成開關(guān)量和模擬量的數(shù)據(jù)采集。測(cè)量箱中包含1 個(gè)遠(yuǎn)程擴(kuò)展單元ICMK14N1、1個(gè)開關(guān)量擴(kuò)展模塊XC32L1、1 個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊XE08B5。ICMK14N1 主要功能是傳送數(shù)據(jù)，完成和主站CPU 的通訊任務(wù)。開關(guān)量擴(kuò)展模塊XC32L1，其帶有16 路開關(guān)量輸入，當(dāng)面板上有按鈕開關(guān)被按下時(shí)，產(chǎn)生監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化，模塊上對(duì)應(yīng)的通道值變?yōu)?，由此完成了開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集。模擬量擴(kuò)展模塊XE08B5，其功能是完成模擬量數(shù)據(jù)的采集。在測(cè)量箱面板下設(shè)計(jì)安裝了模擬信號(hào)發(fā)生裝置，由此來提供模擬量信號(hào)的來源，模塊上的LED 能夠顯示各個(gè)通道當(dāng)前采集到的模擬量的值，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存。

3 號(hào)輪機(jī)員呼叫箱，包含1 臺(tái)8 開關(guān)量輸入，16 路開關(guān)量輸入/輸出的DC551，直接連接到CS31 總線上，實(shí)現(xiàn)對(duì)延伸報(bào)警箱的遠(yuǎn)程呼叫，通過對(duì)輸入點(diǎn)的定義，可分別對(duì)4 號(hào)、5 號(hào)延伸報(bào)警箱進(jìn)行單獨(dú)呼叫和群呼。

4 號(hào)、5 號(hào)延伸報(bào)警呼叫箱，包含1 臺(tái)8 開關(guān)量輸入，16 路開關(guān)量輸入/輸出的DC551，接收經(jīng)AC300CPU 處理分類之后報(bào)警信號(hào)進(jìn)行延伸報(bào)警和輪機(jī)員被呼叫功能。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

系統(tǒng)所用的網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)和CS31 總線?？刂婆_(tái)計(jì)算機(jī)和主控制站PLC 是通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信連接的，控制臺(tái)計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)接口對(duì)主控制站PLC 實(shí)現(xiàn)編程通信，主控制站通過CS31 總線對(duì)從站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行地址映射。

2.4 信號(hào)發(fā)生裝置

系統(tǒng)模擬了48 種船舶機(jī)艙報(bào)警信號(hào)，其中32 個(gè)用開關(guān)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)，16 個(gè)用模擬量信號(hào)實(shí)現(xiàn)。開關(guān)量報(bào)警信號(hào)利用可鎖定式開關(guān)作為輸入，當(dāng)開關(guān)接通代表有開關(guān)量報(bào)警信號(hào)。報(bào)警故障有柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)故障，主機(jī)冷卻油出口流量低，燃油水箱低位，凸輪軸油濾壓差高，主機(jī)燃油濾器壓差高，主機(jī)冷卻水低位等。

模擬信號(hào)由信號(hào)發(fā)生板提供，分別有4 個(gè)0～10V 輸出電路，模擬柴發(fā)滑油/燃油壓力。4 個(gè)0～20mA 輸出電路，模擬主機(jī)掃氣壓力，主機(jī)缸套水進(jìn)口壓力，主機(jī)（空冷器）冷卻水進(jìn)口壓力，主機(jī)冷卻海水進(jìn)口壓力。4 個(gè)4～20mA 輸出電路，模擬主機(jī)燃油/滑油進(jìn)口壓力，主機(jī)起動(dòng)/控制空氣壓力。4 個(gè)Pt100輸出電路，模擬主機(jī)滑油溫度高，主機(jī)推力軸承溫度高，主機(jī)1號(hào)/2 號(hào)缸缸套冷卻水出口溫度。

表1 I/O 點(diǎn)配置明細(xì)表

3 船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的功能是通過信號(hào)發(fā)生裝置模擬機(jī)艙內(nèi)各種動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦運(yùn)行設(shè)備發(fā)生故障，PLC 接收信號(hào)后，會(huì)通過輸出通道發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。為了滿足無人值班要求，要把報(bào)警信號(hào)傳送到輪機(jī)值班人員的住處及公共場(chǎng)所，使輪機(jī)值班人員能夠及時(shí)得悉報(bào)警信號(hào)，并及時(shí)去排除故障。通過ABB PLC 編程軟件CoDeSys V2.3 對(duì)I/O 口進(jìn)行相應(yīng)配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警、輪機(jī)員呼叫和延伸報(bào)警功能[5]。

3.1 軟件配置

主站CPU 接收到數(shù)據(jù)后，通過CoDeSys 對(duì)地址中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)地址配置表如表1 所示。

3.2 輪機(jī)員呼叫

3#站主要實(shí)現(xiàn)對(duì)延伸報(bào)警箱的呼叫，設(shè)有輪機(jī)長、大管輪、二管輪、三管輪、群呼等呼叫按鈕。因系統(tǒng)設(shè)置了2 個(gè)延伸報(bào)警箱，將其定義為大管輪和二管輪延伸報(bào)警。當(dāng)按下大管輪呼叫鍵后，點(diǎn)亮呼叫按鍵燈，被叫箱呼叫燈亮，呼叫喇叭響。呼叫應(yīng)答后，呼叫按鍵燈、被叫箱燈滅，呼叫喇叭消聲。呼叫二管輪同理，程序流程圖如圖2 所示。

圖2 輪機(jī)員呼叫子程序

3.3 延伸報(bào)警及報(bào)警抑制

當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)后，主站聲光報(bào)警，延時(shí)一分鐘無人應(yīng)答，則信號(hào)會(huì)延伸到4 號(hào)及5 號(hào)延伸報(bào)警箱，產(chǎn)生聲、光報(bào)警。同時(shí)會(huì)對(duì)報(bào)警信號(hào)判斷是否為重要報(bào)警。程序流程圖如圖3所示。

圖3 延伸報(bào)警子程序

4 結(jié)語

本文對(duì)機(jī)艙監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用上位機(jī)、PLC、CS31 總線，運(yùn)用3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個(gè)船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了部分機(jī)艙監(jiān)測(cè)與報(bào)警軟件功能，對(duì)信號(hào)采集，輪機(jī)呼叫，延伸報(bào)警等功能進(jìn)行了試驗(yàn)，在系統(tǒng)中能可靠應(yīng)用。