基于PLC的金槍魚延繩釣投繩機(jī)控制系統(tǒng)

崔秀芳，張 斌，邵 祺，許正文，曲曉文

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

金槍魚是一種重要的商業(yè)捕撈物種[1,2],是世界海洋漁業(yè)的主要捕撈物種之一。金槍魚的捕撈效率受釣鉤水深的影響極其顯著,劉莉莉[3]等人在研究中發(fā)現(xiàn)167.57m水層的捕撈概率密度最大。同時(shí)，戴小杰等[4]發(fā)現(xiàn)金槍魚延繩釣對(duì)瀕危海龜物種的誤捕情況十分嚴(yán)重，深水延繩釣的淺鉤對(duì)海龜誤捕的仍然占較大比例。由此可以看出優(yōu)化鉤的深度，不僅有助于提高捕撈效率，同時(shí)也將有助于減少鯊魚和海龜?shù)燃娌段锏恼`捕[5～7]。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以從數(shù)值模擬的角度建立延繩釣漁具的動(dòng)力學(xué)模型，獲取在不同海況影響下延繩釣漁具的載重分布和水下形態(tài)[8]。傳統(tǒng)的金槍魚延繩釣釣具理論深度通常按照懸鏈線公式計(jì)算[9]，得出每個(gè)釣鉤的理論深度。在此基礎(chǔ)上，宋利明使用SPSS軟件，通過建立多元線性逐步回歸模型，建立了預(yù)測(cè)鉤深和理論深度的關(guān)系模型[10]，根據(jù)測(cè)量的風(fēng)速、風(fēng)向、投放的鉤子數(shù)能夠計(jì)算獲得最佳的投繩速度、掛鉤的時(shí)間間隔以及航速。本文將從PLC控制的角度來(lái)，以文獻(xiàn)[10]中的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出基于PLC的金槍魚延繩釣自動(dòng)投繩機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于PLC控制的金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置，通過觸摸屏輸入鉤子數(shù)，通過風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器測(cè)量出風(fēng)速、風(fēng)向、船舷角，PLC通過以太網(wǎng)線連接PC電腦端，通過OPC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，PC電腦端在SQL Server中查找相關(guān)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的最佳投鉤參數(shù)，將最佳的投繩時(shí)間間隔、投繩速度以及航速下傳給PLC，PLC通過以太網(wǎng)線或者DP9接口利用RS485協(xié)議在觸摸屏上顯示最佳的航速，利用變頻器PID控制電機(jī)以及利用霍爾傳感器測(cè)量投繩速度從而自動(dòng)控制投繩速度，通過外接提示燈以及蜂鳴器按照最佳的投繩時(shí)間間隔利用聲光提醒掛上支線，從而按照事先規(guī)劃好的控制方案進(jìn)行工作，基于PLC控制的金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

金槍魚延繩釣自動(dòng)投繩機(jī)的動(dòng)作過程，涉及到控制的硬件有HMI觸摸屏、西門子S7-200 SMART PLC、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、霍爾傳感器等。本系統(tǒng)是基于捷勝海洋裝備股份有限公司的金槍魚延繩釣裝置進(jìn)行改進(jìn)研究，根據(jù)現(xiàn)有條件只需選型新的處理器模塊與風(fēng)速儀、風(fēng)向儀。

2.1 處理器模塊

西門子SR40型S7-200 SMART PLC，繼電器輸出，220V交流供電。集成在模塊上的Micro SD卡插槽，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)程序的功能。CPU標(biāo)配網(wǎng)線接口，支持多種通信協(xié)議，可與其他PLC、上位機(jī)、變頻器、觸摸屏等連網(wǎng)通信，同時(shí)CPU的處理性能優(yōu)秀，基本指令執(zhí)行時(shí)間最快可低至0.15μs。SR40型CPU板載I/O有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，可以應(yīng)用于控制邏輯復(fù)雜、I/O點(diǎn)數(shù)多的項(xiàng)目之中。PLC模塊如圖2所示。

圖2 西門子SR40型 S7-200 SMART PLC

2.2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器模塊

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用RS485總線Modbus-RTU 通信協(xié)議與PLC通訊，能夠同時(shí)傳輸風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀相比傳統(tǒng)的三杯式風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)風(fēng)向儀具有較大的性能優(yōu)質(zhì)，其受自然環(huán)境干擾小，分辨率高，精度好，無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速限制（傳統(tǒng)的三杯式風(fēng)速儀大多是需要一定的啟動(dòng)風(fēng)速的），無(wú)角度限制（傳統(tǒng)的風(fēng)向標(biāo)風(fēng)向儀精度低，大多為八方向與十六方向），具備IP66的高防護(hù)等級(jí)，堅(jiān)固耐用，無(wú)需調(diào)試校準(zhǔn)。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PC Acess SMART、SIMATIC WinCC Explorer、STEP 7 -Micro/WIN SMART、SQL Server 2016軟件的相關(guān)配置與程序編寫；操作系統(tǒng)選用Windows10，主控制器采用西門子S7-200 SMART型PLC。軟件的設(shè)計(jì)主要包括: 數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸。投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 金槍魚延繩釣投繩機(jī)裝置的控制系統(tǒng)流程圖

3.1 PC Access SMART軟件與S7-200 SMART CPU建立連接

PC Access SMART軟件可以通過以太網(wǎng)接口或者RS485接口與S7-200 SMART CPU建立連接，本文選擇通過連接以太網(wǎng)網(wǎng)線建立連接。

3.1.1 設(shè)置計(jì)算機(jī)的IP地址

給計(jì)算機(jī)設(shè)置一個(gè)固定的地址，在“網(wǎng)絡(luò)連接屬性界面”里選擇“以太網(wǎng)屬性”，選擇網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)下的“Internet協(xié)議版本4（TCP/IPv4）”，點(diǎn)擊“屬性”，點(diǎn)擊“使用下面的IP地址”選項(xiàng)，根據(jù)需求輸入一個(gè)固定的IP地址與子網(wǎng)掩碼，如圖5所示。

圖5 設(shè)置固定的IP地址與子網(wǎng)掩碼

3.1.2 設(shè)置S7-200 SMART CPU的IP地址

在STEP 7-Micro/WIN SMART軟件的“通信”窗口中編輯CPU的IP地址。在“通信接口”下選擇客戶計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡進(jìn)行通信。單擊“查找CPU”按鈕，會(huì)把連接在以太網(wǎng)上的所有設(shè)備都搜索出來(lái)。根據(jù)需要修改S7-200 SMART CPU的IP地址。在選項(xiàng)框右側(cè)的“站名稱”、“默認(rèn)網(wǎng)關(guān)”、“子網(wǎng)掩碼”、“IP地址”處設(shè)置相關(guān)內(nèi)容，最后單擊“確認(rèn)”完成設(shè)置，如圖6所示。

圖6 設(shè)置S7-200 SMART CPU的IP地址

3.1.3 設(shè)置PC Access SMART軟件

在PC Access SMART軟件的進(jìn)行OPC通信的設(shè)置。在項(xiàng)目下的“MWSMART(TCP/IP)”右擊選擇“新建PLC”。單擊“查找CPU”按鈕，連接在以太網(wǎng)上的所有設(shè)備都在對(duì)話框中顯示出來(lái)。確認(rèn)對(duì)應(yīng)的S7-200 SMART CPU的IP地址。在“本地TSAP”與“遠(yuǎn)程本地TSAP”處設(shè)置相關(guān)內(nèi)容，然后單擊“確認(rèn)”按鈕完成地址設(shè)置，如圖7所示。

圖7 設(shè)置PC Access SMART軟件

右擊NewPLC新建文件夾，右擊新文件夾新建條目，設(shè)定對(duì)應(yīng)的名稱以及讀寫地址、讀寫屬性、數(shù)據(jù)類型，并能夠設(shè)置上下限以及注釋，并保存。

3.2 設(shè)置SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)

使用管理員賬戶打開Microsoft SQL Server Management Studio數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，進(jìn)入主界面。新建數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)名稱根據(jù)需求設(shè)置，本文設(shè)置為“最佳參數(shù)”，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，刷新后能看到新生成的“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)”，右擊“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)”下的“表”，選擇“新建”，選擇“表”，在右邊的新視窗中輸入列名以及數(shù)據(jù)類型，選擇輸入[HOOK_NUM]、[WIND_SPEED]、[SIN_ANGLE]、[PROCESS_TAG]、[SHOT_SPEED]、[SHIP_SPEED]，數(shù)據(jù)類型根據(jù)不同變量不同設(shè)置，需要與WinCC中的變量類型相匹配，點(diǎn)擊保存，命名為“最佳參數(shù)表”。

最后使用Excel作為中間工具，將最佳的參數(shù)導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。右擊“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)”選擇“任務(wù)”，點(diǎn)擊“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”，出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入和導(dǎo)出向?qū)б暣埃瑪?shù)據(jù)源選擇Microsoft Excel，填入正確路徑，點(diǎn)擊“Next”?！澳繕?biāo)”選擇“Microsoft OLE DB Provider for SQL Server”，“數(shù)據(jù)庫(kù)”下拉選擇“最佳參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)”，點(diǎn)擊“Next”，默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊“Next”?！澳繕?biāo)”下拉選擇“[dbo].[最佳參數(shù)表]”，點(diǎn)擊“編輯映射”，將相關(guān)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)確認(rèn)后點(diǎn)擊確定，點(diǎn)擊“Next”。接下來(lái)的新視窗全部默認(rèn)設(shè)置選擇“Next”完成所有操作，完成所有的參數(shù)導(dǎo)入。

3.3 設(shè)置SIMATIC WinCC Explorer組態(tài)軟件

打開SIMATIC WinCC Explorer軟件，點(diǎn)擊“文件”選擇“新建”，選擇“單用戶項(xiàng)目”，點(diǎn)擊“確認(rèn)”。

打開變量管理窗口，右擊“變量管理”，點(diǎn)擊OPC選項(xiàng)，添加OPC驅(qū)動(dòng)，如圖8所示。右擊OPC下的“OPC Groups”，點(diǎn)擊“系統(tǒng)參數(shù)”，打開OPC管理?xiàng)l目，等待片刻，加載出本地計(jì)算機(jī)，選中“S7200SMART.OPCServer”，點(diǎn)擊瀏覽服務(wù)器，勾選“讀訪問”與“寫訪問”，點(diǎn)擊“下一步”，如圖9所示。選擇所需要的變量條目，點(diǎn)擊 “添加條目”，完成變量的設(shè)置。

圖8 添加OPC驅(qū)動(dòng)

圖9 添加變量

打開圖形界面，將變量作為輸入輸出域添加到界面上，添加2個(gè)按鈕“獲取最佳參數(shù)”、“開始投繩”，給“開始投繩”賦予動(dòng)作開始的中間變量M0.0，相當(dāng)于運(yùn)行開關(guān)按鈕，給“獲取最佳參數(shù)”添加鼠標(biāo)單擊的VBS腳本事件，用于獲取最佳的動(dòng)作參數(shù)，主要程序如下所示。

‘讀取變量

data7=HMIRuntime.Tags (“HOOK_NUM”).Read’讀取鉤子數(shù)

data8=HMIRuntime.Tags (“WIND_SPEED”).Read’讀取風(fēng)速

data9=HMIRuntime.Tags (“SIN_ANGLE”).Read’讀取風(fēng)舷角正弦值

‘在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相應(yīng)數(shù)據(jù)

sSql=”SELECT*FROM最佳參數(shù)表 WHERE HOOK_NUM=‘”&data7&”’AndWIND_SPEED=‘”&data8&”’andSIN_ANGLE=‘”&data9&”’;”

‘顯示到輸入/輸出域

HMIRuntime.Tags(“PROCESS_TAG”).Write data4‘寫入掛支線的時(shí)間間隔

HMIRuntime.Tags(“SHOT_SPEED”).Write data5‘寫入投繩速度

HMIRuntime.Tags(“SHIP_SPEED”).Write data6‘寫入船速

上面的data7,data8,data9變量為在Wincc組態(tài)界面所輸入的查詢變量HOOK_NUM（鉤子數(shù)）以及PLC上傳的通過傳感器獲取的環(huán)境變量WIND_SPEED、SIN_ANGLE（風(fēng)速、風(fēng)舷角正弦值），結(jié)合后面的SELECT語(yǔ)句，將輸入變量與數(shù)據(jù)庫(kù)最佳參數(shù)表中的參數(shù)比較，若有三個(gè)參數(shù)都對(duì)應(yīng)相等，則取出該行值，并顯示到輸入/輸出域中，同時(shí)輸入/輸出域所關(guān)聯(lián)的PROCESS_TAG、SHOT_SPEED、SHIP_SPEED三個(gè)變量也被賦予最佳的控制參數(shù)，從而通過OPC協(xié)議改變PLC程序中掛支線的時(shí)間間隔、投繩速度、船速相對(duì)應(yīng)地址的變量值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所述的基于PLC的投繩機(jī)控制軟件部分，現(xiàn)輸入已有的可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過SIMATIC WinCC Explorer的組態(tài)窗口查看PLC通過PC上位機(jī)獲取的控制量（掛支線的時(shí)間間隔、投繩速度、船速）與已有的可靠數(shù)據(jù)中的最佳控制量進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。根據(jù)所給定的鉤子數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)舷角正弦值獲得了相對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，驗(yàn)證整個(gè)控制軟件系統(tǒng)的可靠性。

圖10 SIMATIC WinCC Explorer組態(tài)窗口

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了PLC應(yīng)用于金槍魚延繩釣投繩機(jī)部分的基本原理以及傳感器、PLC下位機(jī)、PC上位機(jī)相互之間的通訊原理，重點(diǎn)闡述了基于PLC的投繩機(jī)控制部分的具體運(yùn)用，其中主要包括金槍魚延繩釣吊鉤鉤深與鉤子數(shù)、風(fēng)向角、風(fēng)速、風(fēng)弦角、船速，掛支線的時(shí)間間隔、投繩速度的關(guān)系以及金槍魚延繩釣投繩機(jī)控制部分的軟硬件設(shè)計(jì)。本文所介紹的基于PLC控制的金槍魚延繩釣自動(dòng)投繩機(jī)將為現(xiàn)有的半自動(dòng)的投繩機(jī)自動(dòng)化升級(jí)提供參考。隨著機(jī)械自動(dòng)化的迅速發(fā)展，基于PLC控制的金槍魚延繩釣裝置也將會(huì)更加自動(dòng)化和智能化。