基于PLC模块的船舶监控仿真系统实现

张　环,胡定军

(镇江船艇学院 指挥系，江苏 镇江　212003)



基于PLC模块的船舶监控仿真系统实现

张环,胡定军

(镇江船艇学院 指挥系，江苏 镇江212003)

摘要：以西门子S7-300系列PLC为核心模块设计船舶监控仿真系统，实现了PLC下位机程序设计，基于Prodave软件包和Profibus总线实现数据通信传输功能，实时采集船舶航行信息、设备运行信息等数据到PC上位机;在船舶综合信息平台网络和数据库系统的基础上，综合运用虚拟现实技术、计算机建模技术、故障诊断技术、信息集成、网络信息技术等技术手段开发了基于PLC模块的船舶监控仿真系统;该系统可以有效地降低船舶工作人员的劳动强度，提高其工作效率，还可以对船舶人员进行基础技能训练、船舶管理训练、故障诊断与排除训练等。

关键词：可编程逻辑控制器；现场总线；过程数据交换；实时监控；场景再现

0引言

船舶监控仿真系统是船舶自动化系统的一个重要组成部分，随着通信网络技术和自动化技术的快速发展，集中管理和远程监控船舶系统的实时运行数据和各项性能指标参数在整个船舶自动化系统中占着极其重要的地位[1]。通过设计船舶运行数据实时采集模块，建设船舶综合信息平台网络和数据库系统，对船舶的航行信息、设备运行信息等数据进行后续处理和分析，实现监控船舶实时信息和模拟仿真试操作等功能已经成为船舶自动化系统的一个重要方向[2]。

相较于其他计算机控制系统，可编程逻辑控制器(PLC)具有高度稳定性及其抗干扰性，而且PLC配线容易及价格相对便宜，因此在工业控制和自动化领域中得到了广泛应用，解决了很多计算机所无法解决的问题。西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率，S7-300系列PLC是西门子SIMATIC PLC家族中的成员之一，具有体积小、软硬件功能强大和系统配置方便等优点，由它组成的系统可以与强大的Profibus总线相连接。考虑到上述因素，采用S7-300系列PLC为硬件基础来实时采集船舶航行信息、设备运行信息等数据到PC上位机[3-4]。

本文主要研究和探讨PLC在船舶监控仿真系统中的应用，实现了PC上位机对PLC的数据采集和通信，在船舶综合信息平台网络和数据库系统的基础上，实现了船舶数据实时监控、场景再现和模拟试操作等功能。

1系统硬件设计

1.1PLC硬件设计

PLC硬件设计采用单台上位机管理多台PLC的方案(如图1所示)，即PC上位机通过MPI总线访问多台PLC，各个PLC之间又可以通过Profibus-DP总线相连接，通过Windows高级语言调用通信软件与各个PLC进行通信，采集或者修改PLC存储区的数据，实现上位机控制和监控PLC相关数据的功能，同时，通过在PC上位机的Windows高级语言编程，可以灵活地根据需求增加数据库和网络分发等模块，实现存储和分发PLC相关数据的功能。在上位机中安装双网卡并连接本地工业以太网或者无线局域网，可以实现IE远程发布功能和手持终端设备远程监控等功能。通过将船舶各个设备的实时数据采集到数据库中，并进行后续的数据分析、诊断和处理，还可以综合运用Windows高级语言的消息队列、定时器和多线程技术，为其它船舶应用程序提供编程接口，实现应用程序之间的无缝对接等功能[5-6]。

图1　单台上位机管理多台PLC方案

1.2分系统硬件设计

1.2.1机舱系统

机舱监控台设有两台PC上位机完成对底层网络采集的数据进行预处理(带记录、打印等功能)并上传至中央数据库。两台PC上位机正常情况下监视主要设备，在一台故障的情况下，另外一台可自动承担并完成所有的监控任务。

数据采集系统选用西门子S7-300系列PLC完成对机舱设备开关量、模拟量数据及通讯数据的采集和处理。PLC采用CPU及电源双冗余，以提高系统的安全性。具备较强的容错能力和可拓展能力。

PLC与电站管理系统的PPU、侧推、中央空调等系统设备内置的PLC间采用Profibus总线进行数据交换，与PC上位机采用TCP/IP工业以太网通讯协议方式进行通讯，与主机、发电机组等系统或设备采用ModBus 485总线进行数据采集与控制。

1.2.2自动电站系统

自动电站系统采用西门子S7-300系列PLC和DEIF公司的PPU发电机并车保护模块，完成对发电机电压、电流、功率、相位等参数的采集与控制。电站管理系统可根据电网和待并发电机的频率差发出调速及并车合闸信号。PPU发电机并车保护模块采用Profibus DP通讯协议与PLC进行数据通讯，电站管理系统可设置西门子触摸屏显示可编程控制器的设备数据状态，机组的起停及各个主开关的状态都可以有触摸屏显示，各发电机组的有功功率、电压、电流无功功率等都在触摸屏上实时显示。

1.2.3驾控台系统

驾控台PLC控制系统，通过PROFIBUS总线连接机舱采集系统，负责驾控台航行信号灯、雾笛控制器、应急车钟、程控电话、主机遥控等设备状态的信息记录；并可对程控信号灯进行控制与状态信息记录。

1.2.4损管系统

通过数据采集箱采集各类浸水报警、弹药舱高温报警、消防总管压力显示、消防泵遥控及风有遥切、火灾报警、CO2灭火、冷库呼叫延伸报警、水雾灭火、阀门遥控、通讯、水密门控制等信号，转换成标准开关量或模拟量送入损管PLC控制系统，并通过Profibus现场总线将信号送入机舱监控综合报警。部分损管台信号(如浮态检测与自动调压载控制信号)直接将数据传至主工业以太网内。

1.2.5侧推系统

侧推系统标准设置是由S7-200系列PLC作为其核心监控组件并结合变频器(ATV61-315)自身的监控功能来实现对该套系统装置的控制监测与保护，电动机的电柜绕组温度、电机轴承温度由PLC实施监控。PLC与变频器间采用DP通讯的方式实施监控，以节约变频器的DP通讯字。出于电磁兼容性需要，在变频器柜进线附近设置一台容量不低于400 kVA的隔离变压器，以阻断变频器整流端的高次谐波进入电网，消除其对电站和网络通讯系统的干扰。

变频监控PLC(作为从站)与机舱监控台内主站PLC(S7-300系列)之间采用Profibus-DP总线通讯方式进行数据交换，实现数据采集、网络监控与管理、电站容量匹配的协同并行。

1.2.6中央空调系统

由于空调系统用电总量较大，相对电站单机容量的百分比较高，有必要纳入自动电站的容量管理系统(PMS)。选用S7-200系列PLC加DP通讯模块和相应的模拟量与数字量模块来完成对空调系统逻辑控制、模拟量监测故障报警和系统保护。空调监控PLC(作为从站)与机舱监控台内主站PLC(S7-300系列)间采用现场工业总线Profibus的通讯方式进行数据交换。

1.2.7舵机系统

舵机系统配设舵角变送器(4～20 mA)一只，设置两只压力变送器，配设流量计一只，控制系统设置相应超限保护。该部分的数据由机舱监控台所设PLC的模拟量输入模块进行数据采集。

2系统主要程序设计

2.1下位机程序设计

PLC下位机程序设计使用西门子公司的编程软件STEP7，STEP7具有使用方便、直观的用户界面、用组态取代编程和统一数据库等优点，以文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据,使得组态编程非常容易、简单[3-4]。图2为PLC硬件组态窗口示意图，图3为PLC采集电路的局部梯形图[5]。

图2　PLC硬件组态

图3　PLC采集电路局部梯形图

2.2数据通信程序设计

如何实现PC机与PLC之间的数据通信是一个棘手的问题。西门子公司提供了Prodave软件包，Prodave是Process Data Traffic(过程数据交换)的缩写，该软件包的DLL和LIB文件中集成了大量基于Windows操作系统的函数，供用户解决PLC与PC之间的数据交换和数据处理问题。在自行开发的监控软件中可以方便地调用该软件中的各种函数，省去了烦琐冗长的通讯部分，用户只需编写流程处理和数据处理模块，提高了系统开发效率。

Prodave的主要函数有：

1)load_tool :PC上位机与PLC系统初始化链接；

2)unload_tool:断开PC上位机与PLC系统链接；

3)读写PLC内部存储区的若干函数db_read,db_write等。

通过Prodave软件包的读写函数对PLC内部存储区进行读写，可以方便地管理和监控PLC控制系统，能够满足大规模数据的传输速度要求，程序调试非常简单，适合于船舶监控仿真系统的应用开发。

3系统主要功能与实验分析

3.1系统主要功能

考虑到船舶监控仿真系统的数据量、实时性和成本等因素，采用C#语言开发船舶监控仿真系统，综合运用TCP网络技术、数据库、多线程、对象仿真、COM组件等技术手段，实现数据实时监控、场景再现和模拟试操作等功能[6]。船舶监控仿真系统主要功能如下。

3.1.1实时监控功能

通过网络平台与数字化技术，访问中央数据服务器的信息，实时接收船舶环境信息、操纵信息、机电设备运行信息等，经筛选、编辑、处理后，以合适的界面在手持触摸屏或监控终端PC机上显示，参考示例如图4所示，为左右泵并联供水系统实时监控数据。

图4　左右泵并联供水系统实时监控数据

3.1.2场景再现功能

船舶航行系统、推进系统、电站系统、辅机系统、损管系统和机舱综合报警系统信息数据存入数据库形成历史数据。对历史数据进行场景再现，可以培训船舶人员正确操纵管理船舶设备的能力，对船舶设备运行故障信息进行处理分析，培训船舶人员判断、排除设备故障的能力。场景再现界面示例如图5所示。

图5　场景再现界面示例

3.1.3模拟试操作功能

利用3DMax等开发工具实现模拟试操作功能，船舶受训人员根据试操作课目进行模拟试操作，产生虚拟设备运行信息。船舶相关专业人员利用实时采集的船舶实际运行信息，比对该虚拟设备运行信息，可以迅速找出操纵管理差距，及时调整操纵管理方法，有效提高受训人员的操纵管理技能。图6为主机启动模拟试操作示例。

图6　主机启动模拟试操作示例

3.2系统实验分析

数据通信程序是船舶监控仿真系统的重要组成部分，测试对多台PLC与PC之间在网络环境下的网络通信性能进行实验测试。

目前PLC与PC机之间的通信方式有两种：1)PC机始终处于主导地位，数据的传输都由PC机定时发出命令；2)PLC始终具有优先权。

为了方便测量出PC机和PLC之间的通信时间，本文采用前一种方式，即在PC机上利用C#语言开发基于Prodave的通信程序，将C#编程与PLC口编程绑定起来，PC机发送一个特定的字符串时，当PLC检测并接收到数据时，将数据存入指定的数据缓冲区中，通过发送指令将对应数据通过网络发送至PC机。

PC机与多台PLC通信时，采用并行通信与串行通信相结合的方式进行：首先将各台PLC按照功能性划分为若干个小组，每个PLC小组内部采用并行链结先一个一个连接好，各个小组之间通过中转接到PC机在网络口上进行通信。

在通信实验中所计算出的通信时间是在PC机用C调用Windows API函数来实现的，采用多次实验取平均值的方法进行通信测试，具体的测试结果如表1所示。

表1　Prodave通信程序数据读写测试

还对Profibus-DP通信协议进行了通信数据测试：即用db_write函数对PLC的存储区10个存储单元进行20Bytes写操作的测试数据(共进行1000次试验)，测试结果如表2所示。

表2　不同通信协议写数据测试

试验结果表明，基于Prodave软件包和Profibus-DP数据总线能够实现上位机和PLC之间的高速数据通信传输功能，能够满足实时采集船舶航行信息、设备运行信息等数据到PC上位机，为实现船舶监控仿真系统提供实时性的数据通信支持。

4结论

本文以西门子系列PLC为核心模块设计船舶监控仿真系统，综合运用网络技术、数据库、虚拟现实等技术手段，实现数据实时监控、场景再现和模拟试操作等功能。该系统不仅可以方便船舶人员管理和监控船舶相关信息，还可以对船舶人员进行基础技能、故障诊断与排除等训练，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]刘沿阳，邵昱. 舰船综合自动化系统的现状与发展趋势 [J]. 船舶工程，2006， 28(2)：62-66.

[2]杨家龙，曹云鹏，路勇，等. 基于网络环境的船舶机舱动力装置监控系统开发研究[J]. 船舶工程，2006，28(2)：47-50.

[3]阳胜峰. 快速学会S7-3300/400PLC [M]. 北京：中国电力出版社，2014.

[4]刘忠超，盖晓华. 西门子S-300PLC编程入门及工程实践 [M]. 北京：化学工业出版社，2014.

[5]王志开. PLC及WINCC组态软件在自动控制中的应用 [J]. 中国科技信息，2005(5)：14-16.

[6]蒋晓峰,等. 基于触摸屏和PLC的船舶电站监控系统设计 [J]. 电力自动化设备，2011，31(1)：118-121.

Realization of Vessel Monitoring and Simulated System Based on PLC Module

Zhang Huan，Hu Dingjun

(Department of Commanding, Zhenjiang Watercraft College,Zhenjiang212003,China)

Abstract:A vessel monitoring and simulated system is designed based on Siemens S7-300, which realized the PLC program. The data communication function is implemented based on Prodave software package and Profibus. The navigation information, the run information of the device and so on is collected into the upper-computer instantly. On the basis of integrated information platform network and database, the vessel monitoring system based on PLC module is developed recur to the virtual reality technology, computer modeling technology, fault diagnosis technology, united information technology, network information technology and so on. The proposed system can reduce the labor intensity of the vessel worker and improve their working efficiency effectively. Meanwhile, with the help of the proposed system, the vessel worker can do basic skill training, vessel manage training, diagnose training, and so on.

Keywords：PLC; Profibus; process data exchange; real-time monitor; scene reconstruction

文章编号：1671-4598(2016)02-0103-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.028

中图分类号：TP274

文献标识码：A

作者简介：张环(1982-)，男，江苏灌云人，博士，讲师，主要从事自动控制、虚拟现实方向的研究。胡定军(1976-)，男，江苏宝应人，硕士，高级工程师，主要从事船艇指挥方向的研究。

基金项目：全军后勤科研计划课题(080137)。

收稿日期：2015-08-31；修回日期：2015-09-28。