浅析PLC的工作原理及其在船舶上的使用

2014-04-16陈新华印爱荣张丹秋

机电信息 2014年15期

陈新华印爱荣张丹秋

（江苏兆胜空调有限公司，江苏泰州225400）

0 引言

PLC即可编程序控制器，主要优点为可靠性高、便于使用、设计花费周期短等，因此在我国各个行业中被广泛应用，例如钢铁、水泥、机械加工以及纺织等。PLC主要由硬件与软件构成，硬件部分主要包括电源、中央处理器、I/O单元（输入/输出）、内部储存器以及编程器等，软件则主要包括主板上各个I/O管理系统及操作系统。先要将所需系统的编程工作做好，而后将其放置于PLC的内部存储器中，一旦系统启动便会自动运行，且该运行具有反复性。对于PLC而言，其主要工作方式即循环扫描，每当系统内部出现一个状态改变就需要经历一个扫描周期，其时间一般在几到几十毫秒之间。PLC的整个控制流程为：内部处理—通信—输入—执行—输出。通过此流程将输入时所获信号予以加工处理，而后再将其送至输出环节，从而对设备的正常工作运行发挥指挥之效。

1 PLC的工作原理

PLC的工作阶段主要包括输入采样、执行程序以及输出刷新。

1.1 输入采样阶段

在此阶段，PLC会将收集到的所有信号拷贝于映像寄存器中，在此过程中要注意遵照其顺序，而后便进入执行程序阶段。在此阶段即使输入状态产生了调整或者改变，寄存到映像寄存器中的所有内容与信号都不会发生变化，而输入状态若是出现变化，则只有在下个周期开展PLC的工作时才会被读入映像寄存器中。

1.2 执行程序阶段

在此阶段PLC主要是按照梯形图的方式编写程序，而后遵照先左后右、由上至下的顺序进行扫描。扫描内容若为指令，则所需的元素例如输入状态等会由映像寄存器予以读出处理，并将其执行结果拷贝到元素映像寄存器中。所有元素在映像寄存器中的内容都会随着执行程序的不断变化与发展而作出改变。

1.3 输出刷新阶段

当PLC系统执行完程序后便会进入输出刷新阶段，这时PLC会将元素映像寄存器所使用的状态送至输出锁存器，从而形成PLC的实际输出。在第二阶段，对于输出锁存器而言，其状态是固定不变的。

以上即PLC的工作原理，每重复一次，就代表一个新的扫描周期。PLC的工作周期不仅包括上述3个阶段，严格来说还应该有自我监控、信息交换以及系统通信等环节。

2 PLC在船舶上的使用

PLC是一种将计算机技术与自控技术结合在一起的工业产品，其具备微型计算机的逻辑运算能力、信息传输能力以及处理数据能力，当下已经广泛地应用于工业领域。其在船舶中的应用主要体现在电站控制系统、冷却水智能控制系统以及航向控制系统中。

2.1 PLC在船舶电站控制系统中的应用

由于传统的船舶电站自控系统存在可靠性低、线路复杂以及维修难度大等缺点，且当前对于我国船舶而言，其电站系统都能够体现自控性，但控制系统却大同小异，无非就是继电器与电子电路这两种。而这两种系统缺点都较为明显，因此为了实现船舶的自动化控制，并提升其安全系数与可靠性能，便在电站控制系统中引入了PLC。

PLC在该系统中的主要职责在于控制发电机组的启动与停止，并且还要处理机组出现的故障、调节频率、控制并联运行状态与机组数量以及管理大功率负荷等。其采用了CPU模块，主要用于采集、处理输入信号与变换、执行输出信号。同时在PLC内部还能够实现PID计算，其指令处理速度快并且丰富多样，运算能力较好。由于具备上述功能，PLC能够对船舶电站进行总体与逻辑控制，因而完全能代替上述两种传统的控制系统，使机组故障率大幅度降低。

2.2 PLC在船舶冷却水智能控制系统中的应用

PLC船舶冷却水智能控制系统主要包括以下内容：

（1）PLC控制器。主要功能在于接收与处理源于水泵温度传感器的信号（淡水温度、海水温度），将其与给定值相比并通过合理计算后，将控制信号发送至调节阀与海水泵。

（2）双速海水泵与淡水调节阀。该设备能够有效调节流入、流出的淡水及海水的量，同时还能够保证其温度的稳定性，实现期望值。

PLC应用于冷却水智能控制系统的主要原理为：

（1）若系统遭受扰动，例如负荷发生变化、海水温度出现变化等，将使中央主机中的冷却水与给定值相差甚远。

（2）PLC控制器会对比测量值与既定值，从而得到偏差值并形成信号。PLC再对其进行精密计算，将控制信号传送至电动执行器。

（3）该执行器会自动调节三通阀，一直到冷却水的温度恢复至原始状态。

（4）在该系统中海水泵有着重要作用，并且数量较多，能够依据三通阀的位置以及海水温度合理调节海水流量，从而满足各个负荷水平下的要求。

2.3 PLC在船舶航向控制系统中的应用

过去对船舶航向进行控制时主要是应用PID舵，其一旦周边出现高频干扰就极为敏感，需要频繁操舵，因而无法自主适应船舶所具备的特性与海水情况的变化，而一般的航舵自控系统具有成本高、参数难以调节、控制效果变化幅度大的缺点，同时对数学模型具有较大的依赖性。而一般而言，要想使数学模型具备高精确性是极其困难的，因此在该系统中引入PLC能够有效解决传统控制系统中电子元件由于使用时间长出现老化、舵机故障出现率高、保养维修费用高等问题。

基于PLC的船舶航向控制系统中主要使用的PLC硬件平台为S7－200，而后应用专门的软件来编程。同时还采用了CPU模块，实现了PID功能。该系统所能连接的扩展模块高达7个，由于PLC设计是模块化的，这也就为扩展提供了诸多接口。在该系统中有船舶操舵仪，PLC在其中具备以下功能：PID自整定功能；船舶若偏航则自动报警；限幅；调节反舵角、压舵角、灵敏度、天气、航向等；对游隙机构予以补偿。由此可见，在船舶航向自控系统中应用PLC具备很大的适应性，能够管理PID参数，在对自动舵进行调节时动态与静态性能均较为优良。同时，应用PLC可靠性较高，还能减少船舶保养维修费用，并使操作更加简便。