基于PLC和MCGS的船舶侧推监控系统设计

栾荣华　崔守娟

摘要：文章根据船舶侧推器控制的发展要求，设计一套以PLC为控制器的侧推控制系统，利用PLC技术对过程中最重要的螺距和负荷功能进行就地和远程控制，结合MCGS组态软件来对人机界面进行设计，以实现对侧推器不同工况的实时监控、历史查询，并能及时做出调整，从而提高系统的操控性和可靠性。

关键词：船舶设计；侧推器；PLC；MCGS；侧推监控系统 文献标识码：A

中图分类号：TP277 文章编号：1009-2374（2015）36-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.004

侧推器（side thruster）也叫横向舵，安装有侧推器的船舶在进行港内操纵时，如靠离泊和避碰，可以用侧推器使船舶在较低船速情况下方便地转头或产生横向位移。同时，在抛起锚作业时可用其来方便地控向。鉴于侧推器较大的优越性以及在船舶建设中的重要地位，侧推控制技术无疑也是当下船舶自动化研究的重点，近年来得到了快速发展并显现出无限的生命力。近十年来，随着船舶业的发展，侧推器及其控制技术也有了较快发展，PLC控制技术己逐步应用到侧推器中，很多公司所设计的侧推器虽然已能够满足客户的基本需求，但是对于侧推系统的远程监控方面做得还不够完善。

本文通过N：N链接通信技术，实现主、从站PLC的远程通信，达到安全可靠的远程控制效果，并采用MCGS组态软件来对人机界面进行设计，以实现对螺距的实时控制、监控，并及时做出调整以达到自动控制的效果。

1 系统的总体结构设计及主要功能

1.1 系统的总体结构设计

侧推监控系统主要由以下部分组成：电源、本地控制站（机旁控制站）、遥控系统、MCGS触摸屏、安全系统等。本系统采用可编程控制器（PLC）控制技术为核心单元，引入N：N链接通信技术，通过RS-485BD通信模块达到主站PLC与从站PLC通信的要求，进行信息的互相交换，对侧推器实现遥控控制，对整个侧推器采用集中控制方式，包括螺距、负荷及指示各个系统；基于MCGS组态软件设计人机界面，设计可视化程度更高的人机界面，提高其控制系统的自动化程度和可靠性，方便用户进行操作。

1.2 系统的部分主要功能

1.2.1 螺距控制。侧推器控制系统可实时控制侧推器螺距以实现船舶前进、后退、停止和变速等要求。操纵控制杆或手柄，将位置信号传递到控制单元PLC并经过比较进行处理和控制。

1.2.2 负荷控制。主机的负荷取决于主机的转速和喷油量，转速信号通过机旁的转速传感器测得，喷油量信号由燃油泵的负荷控制。

1.2.3 螺距指示。螺距指示系统用于实际螺距的连续指示。该系统有一个单独的螺距反馈传感器，反馈信号送到控制单元PLC经过处理，然后输出到螺距表或是触摸屏。

1.2.4 备用螺距控制。备用螺距控制独立于主控系统，当主控系统螺距控制失效时，操纵人员启用备用螺距控制，可以通过左舷或右舷按钮直接驱动电磁阀进行变螺距操作，此时螺距反馈不参与控制过程，仅用于指示当前螺距角位置。

2 控制器的选择与确定

本系统控制器采用由具有现场总线的可编程控制器PLC，其特点为可靠性高、体积小、功能强、集成度高、稳定性强、通用性好、模块化程度高等，具有很强的通用性和扩展性，检修及备件更换升级方便迅捷。采用日本三菱公司的FX系列一体化可编程控制PLC，型号FX2N48+3A。PLC配置BD485协议模块、串行通讯模块、AD模块和DA模块等，使得应用中外围电路简单化，减少了扩展部分器件，减少了功率消耗，具有很高的可靠性。同时，采用标准商业化器件，使得备件供给全球化。

开关量的输入输出都采取隔离技术，并尽可能使用模块外部主24V电源，减少内部功率消耗，减少了开关量对模块的干扰。

对接线端口采用了比较多的保护技术，减少因接线错误、静电、强感应脉冲等对模块造成的损坏。内部采用了多种屏蔽技术，提高系统抗电磁干扰的能力。

取消了模块内部模拟量调节电位器，通过软件设置来调节模拟量的输入输出，消除了因电位器的漂移而产生的不良影响。

提供了比较多的端口，以便实际使用中的扩展，同时减少模块的种类，提高其通用性，通过内置控制软件的更改来实现多种功能要求，并使每一种应用都有端口可供备用，既提高了可靠性，又提供了灵活性。

控制器分别为驾驶室PLC和侧推舱PLC。

2.1 驾驶室PLC

主要负责驾驶室控制面板/两翼控制台或后控制面板指令的采集、处理、发送，并处理显示报警信息。同时，具有与MCGS的接口能力，通过串行通讯，将侧推器的信息传送到触摸屏上，并根据PLC处理情况进行反馈操作。

2.2 侧推器舱PLC

负责螺距控制计算及反馈信号的处理；负责相关电机启停控制和采集电机负荷信号；负责侧推装置报警信号的采集。

2.3 PLC之间通信

驾驶室PLC与侧推器舱PLC之间的通信，采用N：N链接通信技术，通过RS-485BD通信模块达到主站PLC与从站PLC通信的要求。总线的使用极大限度地减少了铜质电缆的使用。

3 系统软件设计

本文通过对现场施工情况的分析，结合侧推器的工作原理，创新性地提出侧推器软件设计方案。将N：N链接通信技术通过FX2N-485BD通信模块应用于控制系统中，实现侧推装置主站PLC与从站PLC之间的远程通信，并通过FX2N-232BD实现主站PLC与触摸屏之间的通信，方便操作人员进行远距离操控，同时提高自动控制系统的稳定性和可靠性；MCGS组态软件的应用通过RS-485通信方式，将从站PLC中的所有现场信息反馈至人机界面上，根据反馈的信息执行相应的控制、显示和查询，完成信息互换，从而实现侧推装置的自动化控制。

在上位机和下位机的通信模块间要接入一个电平转换设备，因为PC机的串口是RS-232电平，而下位机是RS-485电平将RS-232电平转换到RS-485电平，方可进行上位机与下位机之间的通信。

由于RS-485BD通信距离大约为500m左右，故主站PLC大约能实现500m的远程控制距离，实现侧推装置风机马达、液压马达、主电机等设备运行控制和主电机起动失败、主电机过载、主电动机绕组高温、液压系统低压、液压油泵过载等控制量在人机界面上显示。从站PLC控制左和右螺距输出（电磁阀驱动）、驱动电机启动和停止、液压电机启动和停止、风机启动和停止等。

3.1 PLC软件设计

船舶侧推装置的控制系统是在三菱PLC编程软件GX Developer 7.08版编写。GX Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列、A系列（包括运动控制CPU）、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。

由三菱GX Developer 7.08编写的系统程序通常包含梯形图和SFC两大块程序，其中梯形图程序中一般包含系统启动、停止、联锁和N：N通信的程序，例如本系统中除了包含上述的一般功能，还可以有急停、继续运行、断电保持以及和触摸屏的部分关联信息的处理，如密码键入、比较、跳转等功能处理。而SFC块基本是包含的机旁和遥控的程序流程。

3.1.1 N：N链接通信技术。N：N链接通信协议用于最多8台FX系列PLC之间的自动数据交换，可以设定其中一台为主机，其余为从机。该通信技术必须使用FX2N-485BD模块，FX2N-485BD是用于RS-485通信的特殊功能板，可连接FX2N系列PLC。N：N的链接示意图如图2所示：

PLC系统程序中的通信程序，把公共数据区的发送区数据发送到通信接口上，并且把通信接口上接收到的数据放入公共数据区的接收区中。用户应用程序中，只需编写把发送的数据送入公共数据区的发送区和从公共数据区的接收区读取接收的数据的程序，即可实现PLC之间的相互信息传递，完成整个系统的数据通信。

3.1.2 部分梯形图和SFC程序。

梯形图程序1、2给出了系统常规的启动、联锁、急停及继续运行等功能。整个侧推系统功能是非常复杂的，但可以理解是各经典程序的逻辑性叠加，这样程序实现就比较容易。梯形图程序3给出了触摸屏密码设定的过程，系统并未选择在触摸屏里通过“用户使用权限”来设置，而是通过三菱PLC程序里给出，打破了常规做法，并能够让系统更加安全。

SFC程序：SFC部分通常是给出系统主体流程，从图6可以看出结构清晰，通过不同的块处理不同流程或阶段的功能点。

3.2 MCGS软件设计

MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统）是为工业过程控制和实时检测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作便捷、可视性好、可维护性强等突出特点。

本文采用昆仑通态人机界面TPC7062KS，是一款实时多任务嵌入式操作系统。MCGS嵌入版的不同窗口切换来管理用户系统组态，其窗口组态有数据库组态、设备组态、用户组态、主控窗口和运行策略，对应于五个不同的窗口页面，每一个页面负责管理用户应用系统的一个部分，通过鼠标单击切换可选取不同窗口页面，对应用系统的相应部分进行组态操作。下文分别介绍这几个控制界面的功能。

3.2.1 登陆界面。为了防止非操作人员的误操作，系统设置了登陆界面，如图所示，并要求使用指定密码进行登录。图7为系统登录首页：

3.2.2 密码输入界面。只有当系统内工作人员键入正确密码方可进入控制系统，否则触摸屏将提出“！密码错误，不能进入系统”的提醒字符以警戒非工作人员不能进入下一步系统操作，如图8所示。首页中实现“欢迎使用侧推装置控制系统”采用滚动循环字幕要求进入运行策略，点击新建策略，选择“循环策略”确认后双击“循环策略”进入，新建并选择“策略工具箱”中的选择脚本程序。

3.2.3 侧推控制系统主界面，如图9所示：

3.2.4 遥控界面。图9是MCGS参照控制功能要求设计的遥控控制界面。

在各个界面的底部都加入了界面切换按钮，用来实现不同控制界面之间的相互切换，并通过MCGS中的历史数据功能可以直观显示各重要参数的变化情况，查询起来非常方便。

4 结语

相对于市场上目前的侧推控制系统，本文采用PLC为控制单元结合工控组态软件的使用，使其系统具有以下优点：（1）控制系统结构简单，通用性强。在硬件设计方面，只需要确定PLC的硬件配置与I/O的外部接线，无需大量的硬接线电路和诸如继电器、电路板之类的固体电子器件。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只需改变存储器中的控制程序并重新下载到相应的PLC中即可；（2）可靠性高，抗干扰能力强。PLC是专为工业控制而设计的，能适应恶劣的工业现场环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次的抗干扰措施，使得PLC的平均无故障工作时间MTBF通常在2万小时以上，这是一般电气设备不可能达到的；（3）能直接进行模拟量处理。这是有别于继电器控制的最大优点。用PLC进行模拟量控制的优点是在进行模拟量控制的同时，也可以进行数字量（开关量）控制。这是其他控制系统所不具备的或实现起来不如PLC方便；（4）使用PLC易于操作和维护，设计、施工和调试周期短，具有强大通信功能，便于与其他系统通讯，并能与MCGS触摸屏结合构建友好的人机界面；（5）MCGS工控组态软件概念简单、功能齐全、便于方案设计，为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等多个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库选用，使得组态工作既简单直观又灵活多变。对于这种智能化控制的侧推装置，其所节省的电缆及智能控制效果是非常可观和方便的，对提高船舶自动化建设具有十分重要的意义。

参考文献

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作者简介：崔守娟（1980-），女，江苏连云港人，供职于镇江高等职业技术学校，博士，研究方向：高效节能机械设计与系统监控。

（责任编辑：周 琼）