基于PLC的船舶阀门遥控与液位遥测教学实训系统设计

(渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 125000)

船舶阀门遥控与液位遥测系统是机舱自动化系统的重要组成部分。随着船舶自动化水平的不断提高，基于PLC技术的阀门遥控与液位遥测系统广泛应用在新造船舶中。与此同时，对于船舶电气类及轮机自动化等专业学生、船舶建造技术人员和船员来说，迫切需要迅速掌握系统最新技术的工作原理和操作流程，以便能更好地完成系统安装调试与运行维护等工作任务。在没有实船舱室背景的实训室, 研制出体现实船工作环境和操作条件的教学实训系统成为当务之需[1]。结合船舶阀门遥控与液位遥测系统的具体技术要求，采用西门子S7-200PLC、威达RACK工控机、典型液位测量传感器等设计船舶阀门遥控与液位遥测教学实训系统，在保证基本使用功能和可靠性的前提下，营造一个尽量逼真的系统工作环境，为开展系统调试、参数观察、故障分析与排除等操作创造条件。

1 系统总体设计原则

1.1 技术要求

船舶液位遥测系统主要用于监测船舶各压载舱、淡水舱液位以及船舶吃水状态。系统的主要工作原理是：由安装在相关舱室内的液位传感器检测液位，送至系统中的数据采集与处理单元，最终通过显示仪表和上位计算机的显示器在甲板工作室等地作以显示，同时为相关液体舱柜管路控制阀的开闭操作提供实时液位参考信息。该系统一般由液位传感器、信号处理单元、显示单元和操作单元等组成。

阀门遥控系统主要用于船舶压载水系统、舱底水系统及货油装卸系统等管路上遥控阀门的开闭状态监视与控制。系统的主要工作原理是：由于被控阀门本身带有表明其开、关状态或中间位置的信息(微动开关或阀位指示器)，故可以通过继电器、单片机、PLC或计算机监控站等采集相应系统管路上的遥控阀门的开闭状态，送至甲板工作室作以显示和指示；而阀门的开闭命令由甲板工作室控制设备给出，再通过中间单元送至位于机舱内的遥控阀门控制箱，以控制各阀门动作，达到液体舱柜液位调控的目的[2-4]。

1.2 总体设计细则

1)整个实训系统的数据采集、处理与显示、液位调节与控制等核心设备要使用实船设备，既包含最新技术的实船系统的基本功能，同时也要兼顾进行系统教学，为学员进行系统调试、参数观察、故障分析与排除等操作创造条件。

2)系统所配置的舱室液位检测传感器和液位控制阀门的类型要具有典型性和代表性，数量以满足实训要求、节约成本为准，区别于实船。

3)液位检测、阀门状态检测由传感器送入PLC中，而信息显示则靠PLC与上位机之间的通讯和显示器等完成。

4)考虑到实训室不具备实船液体舱室的局限性，专门设置一个透明可调液位的容器作为舱液位模拟装置，各液位检测传感器要安装在此液体容器中。控制计算机、液位控制阀门、液体管路、测量传感器等都在同一区域内集中安装。

2 系统设计方案

2.1 系统构成

阀门遥控与液位遥测教学实训系统建在船舶电气实训中心。系统由1台工控机、1套PLC装置、1个接口转换器、液位开关及液位传感器若干、1套电动蝶阀执行机构和1套气动蝶阀执行机构等设备组成。系统构成见图1。

图1 船舶阀门遥控与液位遥测教学实训系统构成

该系统主要工作原理：由IPC通过RS-232串口通讯连接PLC，对PLC进行编程和监控。PLC的I/O模块分别输入液位高低和阀门状态信号、输出阀门开闭命令信号。在上位机中用编程软件编写PLC控制程序，并下载到PLC中运行；在上位机的组态软件中进行控制和监视。包括舱室液位高低动态信号、阀门开关状态、数量、都可由组态软件界面确定。组态界面做好后，开阀、关阀等控件的控制和动作可以直接在组态界面中很直观形象地进行操作。

2.2 系统主要设备配置

2.2.1 PLC的选型与配置

来自传感器的液位信号和阀门开关状态信息要由PLC 进行采集、处理并送往上位机。本系统采用的PLC为西门子 S7-200系列。具体配置如下。

CPU：CPU224(14点DI，10点DO)；

AI：EM231(4路)；

以太网模块：CP243-1；

编程软件：STEP 7-Micro/WIN。

2.2.2 上位机的选型与配置

系统中负责与PLC通信和监控的上位机选择威达工控机RACK-360，具体配置如下。CPU：Socket-478架构，支持Pentium 4/Cerleron，外频533/800 MHz；系统芯片组：Intel 865G+ICH5；总线：AGP 4X /8X, 1个10/100 Mbit/s i82562ET以太网；2个RS-232串口,1个LPT并口(支持SPP/ECP/EPP模式)8个 USB2.0接口等。

2.2.3 液位测量传感器选择

实船上压载水舱、淡水舱、液态货舱柜等液位检测主要采用浮子开关和模拟量输出液位传感器，本系统中配置浮子开关2个，分别检测液位的上限和下限，将之转换为开关量；配置液位传感器3个，选取了广泛应用的3种类型。分别是：投入式液位变送器、侧装式液位变送器和超声波液位计。这些液位传感器适用于液货舱、压载舱、燃油舱和其他油水舱的液位测量，将所测量的液位信号实时转换为对应的4～20 mA电流信号，具有数据准确、可靠性高、工作寿命长等优点。

其中，投入式液位变送器是基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将静压转成电信号。经过温度补偿和线性校正，转换成4～20 mADC标准电流信号输出；超声波式液位计则利用液位高低影响发射与接收超声波的时间差的原理来测量的。

2.2.4 遥控阀门选择

选取开关式气动蝶阀和开关式电动蝶阀各1个。气动蝶阀是在气源动力驱动下完成阀门的开关动作的，它由2个两位三通电磁阀与气动执行机构配套组成，见图2。

图2 气动蝶阀驱动原理

在阀门打开控制信号作用下，SV1电磁阀动作，压缩空气从气动执行器的正向管嘴输入气动执行器内，气体会推动活塞向两端运动，通过齿条带动旋转轴上的齿轮转动，从而开启阀门。需要关闭阀门时，SV2电磁阀导通，气源是从反向管嘴进入，将活塞推动向中间运动，带动阀门关闭。

电动蝶阀由电动执行器和蝶阀组成，电动执行器为90度旋转，通过电动执行器旋转带动蝶阀的开启与关闭。具备手动操作功能，在断电时通过手动操作来开关蝶阀。

3 系统教学实训功能

1)船舶阀门遥控与液位遥测系统的组成、分布及其工作原理演示。

2)系统功能及动作过程演示。

3)系统自身故障监测情况动态显示。

4)系统实时液位测量及阀门遥控的操作过程训练。

5)在上位机组态软件界面上，进行液位监测与读数、阀门开闭状态显示、阀门开闭操作命令发送，系统报警后的消声、应答、复位等操作训练。

6)上位机系统软件及传感器安装与调校操作训练。

7)系统调试训练。

8)人为设置传感器或PLC故障，观察故障表现形式，进行系统故障诊断及排除训练。

9)编制打印系统运行日志、月志、等操作训练。

10)系统软硬件功能扩展设计训练。

4 结论

基于西门子S7-200PLC的船舶阀门遥控与液位遥测教学实训系统既体现了现代实船上该系统最新建构方案，同时又兼顾了系统的教学实训功能。该方案已成功用于某学院船舶机舱自动化实训系统中，为船舶电气技术、轮机自动化等相关专业学生开展该系统实训创造了有利条件。同时，该教学实训系统的成功研制与应用，也为其他船舶电气教学实训系统开发提供了可借鉴的思路。

[1] 白 明.“船舶电气课程设计”项目教学法实践[J].船海工程，2011,40(4):100-102.

[2] 阮礽忠.船舶电气与自动化设备维修技术[M].北京：机械工业出版社,2013.

[3] 赵家斌.基于PLC抗横倾功能的阀门遥控与液位遥测系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[4] 林叶锦.轮机自动化[M].北京：人民交通出版社，2011.