基于PLC技术的船舶摇摆平台模型程序设计

余泛泳，刘彦东，陈海泉

（大连海事大学 航海训练与研究中心，辽宁 大连 116026）

管理现代化

基于PLC技术的船舶摇摆平台模型程序设计

余泛泳，刘彦东，陈海泉

（大连海事大学 航海训练与研究中心，辽宁 大连 116026）

针对某船舶摇摆平台所实现的功能要求，对平台摇摆模型进行可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller，PLC）程序设计。对平台摇摆控制原理及系统进行分析，基于实际海况推导船舶横摇数学模型，运用PLC模块化编程思想设计平台摇摆模型程序。试验结果表明，改进设计后的平台仿真效果明显，能实现实际海况下的船舶摇摆仿真运动。

船舶摇摆平台；可编程逻辑控制器；横摇数学模型

0 引 言

船舶在海上航行时会因诸多因素的影响产生摇摆运动。船舶的摇摆运动会给船员和乘客的工作及生活带来不适感，并影响推进装置及其他设备的性能。因此，船舶的摇摆运动是目前船舶运动控制领域研究的重点，在军用和民用方面都有着深远的意义[1]。

与海上实船试验相比，运用船舶运动仿真平台对船舶的摇摆运动进行研究可有效降低成本和节省时间[2]。基于机电液技术设计的某船舶摇摆仿真平台目前只能完成不同周期、不同幅度下的单个规则正弦波模型运动，为使平台实现真实海况下的船舶复杂随机摇摆运动，这里以横摇为例对平台可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller，PLC）横摇模型程序进行改进设计。

1 船舶摇摆平台原理

图1为船舶摇摆平台控制原理。该平台通过液压泵站驱动2对液压缸实现横摇和纵摇运动；2个呈并联关系的电液比例换向阀控制进入液压缸内的油的流速和方向；倾角传感器用来测量平台横摇和纵摇实际倾角值；倾角信号通过A/D（模拟数据量）转换模块反馈到PLC控制器中；PLC将预先设定的摇摆模型（设定值）与实际倾角值相比较，通过模糊 PID（比例积分微分）控制算法求出数字量控制值；最后通过D/A（数据模拟量）模块输出的模拟量控制值控制电液比例换向阀，以实现平台倾角位置闭环控制[3-4]。

系统基于上位机上的 WinCC组态软件开发设计操控界面，通过与PLC进行数据交换实现平台摇摆模型的设定和系统运行监控。

2 实际海况下的船舶横摇模型

由于船舶在海上航行时会受到海浪等复杂因素的影响，因此想要建立一个精准的横摇数学模型非常困难。这里基于目前工程设计中普遍采用的Conolly横摇方程建立平台的横摇数学模型，并进行一定的简化处理[5]。

船舶在海上作摇摆运动时，依据动平衡原理，其平衡条件是所有力矩之和为零[6]，船舶的横摇运动数学方程可表示为

处理变换式(1)可得

由随机过程理论可知，海浪有效波倾角可表示为

式(3)中： Sζ(ω)为海浪波谱密度； ωi为波倾角频率； εi为 0 ～2π内均匀分布的随机初相位值。将式(3)代入到式(2)中，使用不同有义波高（海况）下（国际船模试验池会议（ITTC））提供的单参数海浪波谱[7]来计算有效波倾角，以某一具体船舶为例，根据其参数便可求出具体横摇角。由此可看出，船舶横摇角是由无数个不同幅值、频率和初相位的正弦波叠加而成的。

3 横摇模型程序设计

3.1 PLC程序模块化设计

利用STEP7软件对PLC进行模块化编程，将实现平台不同功能的程序放到特定的程序块中[8]，根据需要在主程序中分别调用不同功能的子程序块。系统子程序块主要有：常数设置块、倾角模拟量输入值转换处理块、液压功能控制块、平台摇摆运动模型选择模块、横摇模糊PID控制块及存储数据的共享、背景数据块等。程序块调用分层结构见图2。

PLC启动时，首先执行初始化程序块（OB100），然后循环执行主程序OB1。在OB1中调用不同功能的程序块，其中平台摇摆运动模型选择模块（FB140）又调用正弦模型计算模块（FB1100）和海况等级选择模块（FB147），FB147可根据上位机选择分别调用3～7级海况下船舶摇摆模型计算模块（FB200～204）。利用循环中断组织块 OB35调用 FB141实现摇摆运动的模糊PID控制。

3.2 基于实际海况下的横摇模型程序设计

3～7级海况下5个横摇模型程序块相似，这里以 3级海况为例对平台横摇模型程序设计进行分析。

图3为选择并调用3级海况横摇模型程序，当在上位机监控界面选择3级海况摇摆模型时，调用功能块FB200，屏蔽其他等级海况下船舶摇摆模型计算模块。FB200基于第2节某一具体船舶在3级海况下的横摇模型，调用多个不同幅值和周期的正弦计算模块并对其进行求和，最后传送到地址“DB25.DBD36”中，即模糊PID控制的设定值。

3.3 正弦计算模块

当开启横摇运动时，“DB25.DBX7.2”变成高电平，读入储存在3级海况数据块中的正弦周期和幅值，见图4。

调用周期振荡器（见图 5）功能块（Tmr-Cycle），当DB25.DBX7.2变成高电平时，根据输入的正弦周期值输出一个随PLC时钟在0到正弦周期值之间变化的双整型时间值（D.Tmr-Cycle-ACC-DI），时间值达到正弦周期值时从0再次循环。

通过功能块 FC1250 将浮点型时间值（R.Tmr-Cycle-ACC-R）量化，转换成 π2～0 内变化的实数值，并存入到变量 R.Scale_Tmr_Cycle_ACC_R中（见图6）。转换公式为：

对变量R.Scale_Tmr_Cycle_ACC_R求SIN运算，并乘以正弦幅值，最终求得正弦波值（见图7）。

4 结 语

将基于实际海况的船舶横摇模型程序下载到PLC中，操作上位机对平台进行摇摆试验（见图8）。结果表明：通过对实际海况下的船舶摇摆模型进行分析及对PLC程序进行改进设计，平台能实现实际海况下的船舶摇摆仿真运动，效果较好，具有一定的实际意义。

[1] 王立军. 船舶大舵角转向时艏摇与横摇的耦合仿真研究[J]. 船舶与海洋工程，2013 (1)： 6-11.

[2] 王旭永，骆涵秀，吴江宁，等. 六自由度并联电液伺服平台的特点及应用[J]. 液压与气动，1995 (2)： 16-18.

[3] 王守城，段俊勇. 液压系统PLC控制实例精解[M]. 北京：中国电力出版社，2011.

[4] 袁立鹏，赵克定，李海金. 阀控液压缸统一流量方程的分析研究[J]. 机床与液压，2005 (8)： 97-99.

[5] 金鸿章，姚绪梁. 船舶控制原理[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014.

[6] 李积德. 船舶耐波性[M]. 北京：国防工业出版社，1992.

[7] 徐琳琳. 船舶运动仿真及建模预报研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[8] 王生海. 垂直方向主动式波浪补偿控制系统设计研究[D]. 大连：大连海事大学，2013.

PLC Based Model Programming Design for Ship Swaying Platform

YU Fan-yong，LIU Yan-dong，CHEN Hai-quan

（Navigation Training and Research Center Dalian Maritime University, Dalian 116026, China）

A Programmable Logical Controller (PLC) programming design is performed for the platform swaying model according to the functional requirement of a ship swaying platform. The control principle and control system of the platform are analyzed based on a ship roll mathematical model derived according to the real sea conditions, and the platform swaying model program is designed with PLC modular programming concept. The experiment result shows that the platform simulation effect is significantly improved along with the amendment of the design, which could realize the simulation of ship swaying motions under real sea conditions.

ship swaying platform; PLC; roll mathematical model

U661.7

A

2095-4069 (2017) 01-0072-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.013

2016-05-06

余泛泳，男，助理实验师，硕士学位，1991年生。2014年大连海事大学船舶与海洋工程硕士毕业，现从事航海教育工作。