大型多功能水池集中控制系统设计和实现

郑 治，沈海钢

· （上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011）

大型多功能水池集中控制系统设计和实现

郑 治，沈海钢

· （上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011）

多功能水池试验室设置若干工艺设备，这些设备的控制系统各成一体，相互独立。在试验时，各工艺设备需要相互协作。因此，需要配置一套集中控制系统，负责各设备的协同控制。介绍了集中控制系统设计、主要工作原理、控制流程及运行效果。同样介绍了系统操作、监视人机画面的实现。

集中控制；系统通讯；流程控制

0 引言

多功能试验水池可用于多种海洋船舶设备试验，其主要设备系统包括抽真空系统、平台升降系统、发射系统、水下拖车系统、水下灯光系统、大造波机系统等子系统。集中控制系统功能是采集试验所需参数，按照工艺、操作、安全等要求将各设备系统集合起来控制。

1 试验室系统结构

集中控制系统与子系统的连接结构如图1所示。

系统的平台升降系统主要控制设备由S7300PLC、10台变频器、位置传感器等组成，控制平台按照设定位置升降。抽真空系统控制水池真空度，主要由10组真空泵、阀组成，根据实际真空度情况控制这10组泵、阀的开停顺序。大造波机控制系统由SIMOTION运动控制系统组成，主要设备选用低压交流同步伺服电机为驱动电机、SINAMICS S120为驱动控制系统、SIMOTION P350为运动控制器，辅以其它控制设备共同构成推板造波伺服控制系统。水下小车控制系统主要由S7300PLC、西门子6RA70直流调速装置等组成、控制小车的速度、行走位置。水下灯系统控制水下灯试验时开停。

集中控制系统Step7硬件组成图如图2所示。

图1 系统结构图

图2 Step7硬件组成图

2 集中控制系统功能

综合水池试验集中控制系统的主要功能为：

(1)集中控制系统完成对综合水池试验环境和试验过程的参数采集并记录，主要采集温度、湿度、真空度、波高、水速等信号。

(2)集中控制系统与各子系统之间相互通讯连接，实现集中控制系统对各子系统的信号采集、单独控制。

(3)根据试验流程集中控制系统对各子系统实现集中式整体控制。

(4)各系统参数、状态、故障等显示、存储、查询。

3 集中控制系统组成

集中控制系统由工业控制计算机、交换机、S7-400PLC和ET200M远程IO从站构成。人机画面采用西门子组态软件WinCC。集中控制系统通讯结构复杂，具体网络组成如下：

(1)集中控制系统S7-400PLC与工业控制计算机之间采用以太网通讯连接。

(2)集中控制系统工业控制计算机与大造波机监控计算机之间采用以太网通讯连接，集中控制WINCC监控图面与大造波机WINCC flexible之间采用OPC连接。

(3)集中控制系统S7-400PLC与抽真空系统、平台升降系统、发射系统、水下拖车系统四个子系统之间采用Profibus DP现场总线通讯连接。

(4)集中控制系统共设置3个ET200从站，1个用于水下灯光控制；1个用于环境数据监控；1个备用。

(5)集中控制系统通过Profibus DP转Modbus网关采集水速仪、波高仪信号(水速仪、波高仪为Modbus从站)。

4 系统通讯

集中控制系统诊断与各子系统之间的通讯状态：集中控制系统PLC采用西门子标准DP诊断功能块，并在“系统网络结构图”中显示各子系统通讯状态。当子系统出现故障时，集中控制系统产生相应的报警并停止指令发送。

子系统与集中控制系统通讯诊断采用“心跳”程序方式判断：所谓“心跳”就是子系统PLC中不停累计一数值，集中控制周期间断性发一指令将此数值清零，当通讯故障时，此数值增大到一定值就表示通讯中断。当子系统处于“集中控制”时出现通讯故障，则子系统停止运行。

5 集中控制实现

集中控制系统对子系统控制分“单动”和“联动”控制。当选择“单动”时，集中控制系统对各子系统分别进行单动操作。当选择“联动”时，集中控制系统按照流程对各子系统进行控制操作。

5.1 集中控制系统试验流程

(1)常压准备阶段。升降平台浮到水面→拖车运行到轨道前极限并抱闸锁死→安装发射装置→安装内测装置→安装光测设备(水下灯，高速相机)。此阶段由各系统独自操作完成，完成一项工作需在集中控制系统中人机确认。

(2)抽真空阶段流程。抽真空阶段流程见图3。

(3)试验准备阶段流程。试验准备阶段流程见图4。

图3 抽真空阶段流程

图4 试验准备阶段流程

(4)试验阶段流程。试验阶段流程见图5。

(5)试验收尾阶段流程。试验收尾阶段流程见图6。

图5 试验阶段流程

图6 试验收尾阶段流程

5.2 PLC程序和人机操作、监视画面实现

流程结构PLC程序采用S7-GRAPH语言编程(如图7所示)，按照以上流程编制，条理清楚，实现了各系统之间的协调工作。

实现了集中控制系统，只有条件满足才能进行下一步操作，特别是发射前所有发射条件都有显示，只有条件满

足才能进行试验，极大地提高和保障了设备试验时的正常运行。

常压准备阶段、抽真空阶段流程画面见图8。

试验阶段、试验收尾阶段流程画面见图9。

图7 S7-GRAPH语言截面

图8 常压准备阶段、抽真空阶段流程画面

图9 试验阶段、试验收尾阶段流程画面

5.3 数据记录、报警等功能实现

各子系统参数、环境参数采用选择性周期归档记录，通过程序控制，试验时自动归档记录或别的时候手动进行归档记录。Wincc组态软件数据记录表格控件和趋势控件能方便显示、查询归档数据。

波高仪数据需要采集到波峰和波谷值。由PLC在一定周期内采集波高数据经过最大值和最小值比较，并计算出浪高值，再在人机上显示出波峰和波谷值、浪高值。

系统报警按照各系统分组，报警“进入”文本色为黄色，背景色为黑色；报警“确认”文本色为红色，背景色为灰色；报警“离开”文本色为绿色，背景色为黑色；Wincc组态软件报警控件能方便显示、查询实时和历史报警数据。

系统操作信息记录：当操作人员点击操作按钮、更改设定值时系统会自动记录操作情况。

6 集中控制运行效果

多功能水池以前各子系统相互独立，试验时需要子系统单独操作，操作繁杂、操作步序无法保证，只能人为判断操作条件。因此，需要操作人员人数多、安全性上也无法保证。2013年初集中控制系统运行后，在集中控制计算机上一个操作人员就可对整个试验设备进行监视、操作，大大提高了试验效率和设备试验时的正常运行以及操作的安全性。

[1]SIMATIC NET Manual Collection.

[2]S7-GRAPH,Programming Sequential Control Systems.

[3]WinCC系统手册.

Design and Realization of Centralized Control System for Large Multifunctional Pool

ZHENG Zhi,SHEN Hai-gang
(Shanghai Oriental Maritime Engineering Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200011,China)

There are many devices in the multifunctional testing pool.Control system of these devices is each as a whole and independent of each other.The process equipment needs collaboration in the test.Therefore,a centralized control system need be configured.It undertakes the cooperative control of every equipment.The design,working principle,control flow and running effect of the centralized control system are introduced.The realization of system operation and monitor the man-machine interface are also introduced.

centralized control; system communication; flow control

TP29

A

郑治（1972-），男，主任工程师，研究方向：工业电气自动化。