船舶液位测量与阀门遥控系统的应用

朱逸铭 潘万欣

摘 要：本船舶液位测量与阀门遥控系统主要由下端的数据采集模块和PLC控制模块以及上位机组成。上位机界面主要采用Visual Basic语言来编写。利用Lonworks现场数据总线将信号采集模块采集到的模拟或数字信号全部转换成可用数字信号传送给上位机。通过RS485将上位机与PLC模块相连，由PLC送出信号驱动现场的电磁阀，通过控制电磁阀箱内的电磁阀的通断，换向，改变介质（液压油）走向来驱动阀门的转向，达到阀门开关的目的，从而达到船舶油水的换路，增加船舶的自动化程度。

关键词：液位测量；阀门遥控；VB技术；Lonworks传输模式；PLC控制；RS485数据传输

绪论

随着全球经济的一体化进程加速，世界各国的贸易往来越来越频繁，而航运业在其中扮演着举足轻重的地位。正是对船舶的依赖性日益加剧，造成了使用者对船舶的安全性，稳定性及实用性等提出了更高的要求。船舶的智能化成为一种必然的选择。基于这种刚性需求，我们认为有必要对船舶的液位测量和阀门遥控系统作出技术改进。

1 原理

利用性能较好的传感器，将物理量精确的转换成4-20mA的电流信号。基于对底层A/D数据转换模块的信号采集，通过Lonworks数据总线将底层的数字信号传送至上位机，通过人机交互界面，达到远程监控船舶各个舱室及污水井等水位情况。通过RS485的数据传输，将上位机发出的控制命令传达给PLC，用PLC去控制电磁阀，利用液压最终驱动阀门，达到船舶压载油水的目的。

2 相关技术介绍

2.1 传感器的选用。传感器是把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。传感器有以下指标：量程指标，灵敏度指标，精度有关指标，温度指标，可靠性指标及其他指标。

针对民用船舶测量精度要求不是非常高，考虑价格和实用等因素，可选用压电式压力传感器。它是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。主要用于各种船舶的压载舱，燃油舱。精度0.5%～0.125%。

特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高，结构简单，工作可靠，重量轻等优点。

2.2 Lonworks数据总线传输技术。在控制系统中，Lonworks是通用的控制网络技术。其网络协议完全开放，通信不受通信介质的限制。Lonworks技术的核心产品之一是它推出的Lonworks神经元芯片，它是Lonworks技术在控制端的基本组成。固化了负荷OSI标准的Lontalk通信协议，使它具有强大的通信功能，控制功能，自诊断功能和I/O功能。Lonworks技术在双绞线情况下，适用于长距离大范圍的信号采集和数据传送。Lonworks技术的整个系统结构主要包括：Lonworks节点和路由器，Lonworks协议，Lonworks收发器和Lonworks网络等组成部分。

图1 Host Base节点的结构框图

在人机界面中显示实时测得的数据，必要时可以通过LonTalk协议编写报文传输给二次仪表，使用更为直观，带屏蔽的双绞线可以隔离信号干扰等，这些都是Lonworks能够保证系统稳定工作的特点。

2.3 A/D转换技术（信号采集模块）。本系统采用的A/D转换器不仅仅只是稳定快速的转换信号，还必须采用带TOSHIBA3150神经元芯片的CPU作为处理器适用于Lonworks通信系统。我们采用的信号采集模块负责采集传感器信号；对信号进行数模转换计算处理；把数据传送到人机界面或其他单元。应用模块化，在维修时可直接更换解决问题，大大缩短维修时间。为了适用于Lonworks总线，数据处理单元还必须将转换后的数字信号满足LonTalk的报文规则，且必须每个采集模块都必须设置自身的节点号，即模块地址。

2.4 RS485传输技术。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。用户可以建立自己的高层通信协议，如MODBUS协议完成设备互联。这样一来，船上的设备可以自带一个数据处理终端，将本设备所需的被测量编写进MODBUS协议，仅通过一对双绞线将上百个被测量点传送给其他系统。大大节省了电缆，也给船厂施工人员和调试人员减少了很多工作量。还可以和船舶的其它系统相连。

2.5 VB程序编写技术。本系统采用VB程序编写，最大的优势在于它的易用性，可以让经验丰富的程序员或是刚刚懂得皮毛的人都能用自己的方式快速开发程序。而且VB的程序可以非常简单的和数据库连接。VB使用了可以简单建立应用程序的GUI系统，但是又可以开发相当复杂的程序。

2.6 PLC编程技术。PLC为船级社认可的船用产品。且在市场上被认为是稳定，性价比较高的产品。PLC程序下载只需要一根通讯线，在现场修改程序非常方便。集成了MODBUS总线，可直接连接到总线上。编程软件比较容易上手。

西门子S7-200系列PLC可应用于各种自动化系统，可以使用专业编程软件对PLC进行程序编写。通常S7-200用于200点开关量以内，35点模拟量以内，程序量在16K以内的应用场合。

3 需求分析

要做出一个优秀的系统，首先应该进行需求分析，才能令设计出的监控系统满足用户的各项功能。

首先，最基本的功能应该能够把需要监测的各个燃料油舱，吃水挠度等主要数据传送到上位机上，供船员远程监视。其次，阀门远程控制系统要求用户能够在远离阀门的位置（控制室）对阀门进行远程控制，对于开关阀必须能够开关到位，对于开度阀，必须能够满足船员的要求在0%-100%范围内调节。开关阀门的位置反馈信息必须在上位机侧准确显示。每条船舶都必须根据船体设计，在上位机上正确地反映出船舶的MIMIC图，船舶在哪些位置有传感器，哪些位置有遥控阀，海水淡水的进出管路等信息。使船员能够真正安心的在控制室里了解船舶实时运行情况。最重要的是系统接收的数据误差不能过大，系统必须稳定长期运行，系统设置的报警点准确，万一系统出现瘫痪必须有明确的提示，以避免船员因系统瘫痪显示的假数据导致船舶发生重大事故。

4 详细设计

本系统最重要的设计分2个部分：（1）上位机的VB程序编写。（2）遥控阀功能实现的PLC程序编写。

5 结束语

本系统设计的核心在于PLC程序的编写和上位机人机对话界面的程序编写。其他硬件方面均可以直接采用市场上比较成熟的产品。具以下优点：（1）规范性：整个系统的各种软件、硬件均应符合相关的国际、国内标准及船舶所入船级社技术规范标准等。（2）开放性：可以将我们采集到的信号和发送出去的命令，同时传送给机舱监测报警系统，VDR设备等船舶其它系统。（3）先进性：先从模仿进口产品的设计和使用理念开始，不断改进船员在使用系统过程中提出的要求，更新产品。从而保证系统在技术上领先。（4）扩展性：软件、硬件平台具有良好的可扩充、扩展能力，能够方便进行系统升级和更新。（5）经济性：产品自主化，可大大降低设备后续的维护及修理费用。

参考文献

[1]SIEMENS SIMATIC S7-200.西门子公司提供的关于PLC200的编程教材和产品介绍资料[Z].

[2]纪宗南.集成A/D转换器应用技术和实用线路[M].中国电力出版社，2009.

[3]周撸.基于Lonworks与.NET技术的智能大厦设计实现[M].

[4]邵鹏鸣.Visual Basic.NET面向对象程序设计——基础、设计、实现与应用程序开发[M].机械工业出版社.

作者简介：朱逸铭（1987-），男，上海市人，助理工程师，主要从事船舶自动化系统研究。