船舶过程测量采集控制系统的开发与应用

余海燕，陈新辉，孟海波

(1. 蒸汽动力系统实验室 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；2. 中冶南方（武汉）自动化有限公司，湖北 武汉 430205)

摘 要: 船舶运行过程中，重要的运行参数信息需要进行测量、采集和显示，同时作为控制系统的输入参与控制。本文通过采用 NI 硬件板卡平台和基于 LabVIEW 的软件平台，开发 1 套船舶过程测量采集控制系统，能实时、可靠地完成参数的过程测量、采集、显示和控制，同时经过工程应用证实系统的可行性。

船舶过程测量采集控制系统的开发与应用

余海燕1，陈新辉2，孟海波1

(1. 蒸汽动力系统实验室 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；2. 中冶南方（武汉）自动化有限公司，湖北 武汉 430205)

摘 要: 船舶运行过程中，重要的运行参数信息需要进行测量、采集和显示，同时作为控制系统的输入参与控制。本文通过采用 NI 硬件板卡平台和基于 LabVIEW 的软件平台，开发 1 套船舶过程测量采集控制系统，能实时、可靠地完成参数的过程测量、采集、显示和控制，同时经过工程应用证实系统的可行性。

过程测量；采集；控制；LabVIEW

0 引 言

目前，在船舶运行过程中，为减少船员劳动强度和误操作，需要提高各回路系统操作的数字化程度和自动化程度[1]，需要实现回路系统的过程参数测量、采集、显示、报警和自动控制，同时为了事故后分析，还要对重要参数进行存储。本文提供的船舶过程测量采集控制系统具备对回路系统和设备的运行、操作提供过程参数测量、显示和控制，为设备的运行状态显示及安全操作提供手段。

1 系统总体设计

船舶过程测量采集控制系统完成数据的采集、转换、显示、存储以及实现对二回路泵阀手动或自动控制等，主要由电源、工控机和显示器、NI 采集控制系统（含 1 个主机箱、3 个扩展机箱以及由 6 种采集模块如模拟量输入模块、数字量输入模块、铂电阻输入模块、数字量输入输出模块、数字量输出模块、模拟量输出模块）、8 口交换机、操作开关、按钮、指示灯及蜂鸣器等组成，采集的信号主要有温度信号，压力、压差、真空信号，转速信号和调节阀开度及其他信号；工控机及液晶显示器完成参数显示及存储功能；台屏操作开关主要完成对二回路就地执行机构的遥操控制；指示灯主要是二回路就地执行机构的一个状态反馈，红色指示灯代表阀位全关，绿色指示灯代表阀位全开；蜂鸣器完成参数报警功能。

过程测量采集控制系统的原理图如图 1 所示。

1.1 测量

过程测量采集控制系统测量的参数如下：

1） 温度信号。主要通过铂电阻温度计进行远传温度测量，返回的是三线制的铂电阻信号；

2） 压力、真空信号。主要通过 3051 压力变送器进行测量，返回的是 4～20 mA 电流信号；

3） 压差信号。主要通过 3051 压差变送器进行测量，返回的是 4～20 mA 电流信号；

4） 转速信号。都是机组或者泵自带的转速测量装置进行测量，送出的为频率信号或者自身转换后的电流信号。

1.2 采集

船舶过程测量采集控制系统主要是通过以下 4 种采集模块完成对所有信号的采集：

1） 铂电阻输入模块完成铂电阻信号的采集，主要是采集温度信号；

2）模拟量输入模块完成对 4～20 mA 标准电流信号的采集，主要采集包含压力、压差、真空、调节阀开度等信号；

3）数字量输入输出模块完成对频率信号的采集，主要是采集转速信号；

4）数字量输入模块完成对开关量信号、报警信号、状态信号的采集。

1.3 显示

工控机通过 8 口交换机接收底层数据信息，在液晶显示器界面上进行显示。操作人员通过参数显示界面了解实时参数信息，可以通过阀门调节界面和泵阀联锁控制界面辅助进行二回路系统和设备的调节及控制。

1.4 报警

船舶过程测量采集控制系统测量、采集和显示的参数一共有 143 路参数，对于涉及到控制的重要参数设置有越限报警功能，当屏幕参数超过上限或者低于下限时，屏幕能使参数红色突出显示，同时蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。

1.5 控制

船舶过程测量采集控制系统主要涉及二回路凝给水系统、乏汽压力系统、循环水系统的调节阀控制以及滑油系统和调节油系统泵的联锁控制。下面以冷凝器水位调节阀的控制为例进行说明。

冷凝器水位调节阀需要具有远程遥操和自动控制功能，通过冷凝器水位调节阀工况选择开关（遥操、自动）进行控制方式的选择。

1） 远程遥操：通过在台屏上布置的冷凝器水位调节阀遥操开关进行远程操作，当操作开关置于“开”位时，冷凝器水位调节阀开度增大；当操作开关置于“关”位时，冷凝器水位调节阀开度减小；

2） 自动控制：通过控制器采集冷凝器水位、冷凝器水位调节阀开度进行计算后，输出 4～20 mA 电流信号到冷凝器水位调节阀执行机构的控制信号输入端，来调节冷凝器水位调节阀开度，以使冷凝器水位维持在正常范围。

2 系统硬件设计

船舶过程测量采集控制系统硬件上主要由直流电源、工控机、液晶显示器、NI 系列产品（CPU 控制器、主机箱、以太网扩展机箱、模拟量输入模块、热电阻输入模块、高速数字量输入输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输出模块）、8 口交换机、操作开关、指示灯、按钮和蜂鸣器等组成。硬件系统组成如表 1 所示。

船舶过程测量采集控制系统硬件框图如图 2所示。

表 1 过程测量采集控制系统硬件组成表Tab. 1 Hardware composition of process measuring acquisition and control system

2.1 直流电源

电源采用 500 W 24 V 20 A 的直流电源，将输入的AC 220 V 电源转化为 DC 24 V 电源，给NI各功能模块供电和给台屏的阀位状态指示灯供电。

2.2 工控机和显示器

工控机选用研华（中国）有限公司生产的工业控制计算机，并配备 17″液晶显示器，用于参数显示和存储。

2.3 NI 系统

美国国家仪器公司（NI）[2]帮助测试、控制、设计领域的工程师解决了从设计、原型到发布过程中遇到的种种挑战。通过现成可用的软件，如 LabVIEW，以及高性价比的模块化硬件，NI 帮助各领域的工程师不断创新，在缩短产品问世时间的同时有效降低开发成本。

2.4 8 口交换机

用于连接 8 槽可配置嵌入式机箱和 3 个 8 槽扩展机箱之间的以太网通信，进行底层数据交换，工控机通过 8 口交换机接收底层数据，用于屏幕参数显示和参数存储。

2.5 操作开关和指示灯

本系统包含 19 个开关和 22 个指示灯。操作开关主要指调节阀操作开关，完成对二回路就地执行机构的遥操控制；指示灯主要是二回路就地执行机构的一个状态反馈，红色指示灯代表阀位全关，绿色指示灯代表阀位全开。

3 系统软件设计

本系统软件选用美国国家仪器（NI）公司研制的LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）软件进行开发。LabVIEW 是一种图形化的编程语言的开发环境[3-5]，是由 NI 公司开发的程序编译平台，可以支持 Windows，Linux，UNIX 等多种操作系统。凭借着独特的图形化编程语言，不但可以极大的缩短软件的开发周期，而且为软件的维护提供了方便，此外，LabVIEW 平台还具有多种控件类型，可以完成自定义控件的设计[6-7]，促进了软件的人机交互界面设计，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所应用，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 的虚拟仪器功能非常强大，虚拟仪器是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，广泛应用于计算机数据采集和数字信号处理领域。

3.1 系统功能设计

软件设计是整个系统设计的核心[8]，软件设计部分采用层次化和模块化实现，将整个系统划分若干模块，模块化的程序结构不但使整个系统清晰明了，而且方便进行程序维护，基于 LabVIEW 的数据采集系统软件结构如图 3 所示。该系统软件部分包含了系统启动、系统菜单、测量参数显示 1、测量参数显示 2、测量参数显示 3、乏汽压力调节、汽封供汽压力调节、左冷凝器水位调节、右冷凝器水位调节、阀、泵联锁控制、查看历史数据等 11 个功能模块。

3.2 系统界面设计

本文针对 11 个功能模块分别开发了相应的界面。

1）系统启动界面

系统启动界面主要是运行执行程序以后，进行各功能模块的正常上电自检，同时进行网络连接的自检；

2）系统菜单及各功能界面

系统菜单软件界面为扁平结构，具有测量参数显示 1、测量参数显示 2、测量参数显示 3、乏汽压力调节、汽封供汽压力调节、左冷凝器水位调节、右冷凝器水位调节和阀、泵联锁控制 8 个选项卡，分别对应8 个界面。

选项卡界面如图 4 所示。单击各个选项卡能显示相应软件界面。

测量数据分为 3 个软件界面显示。其中“测量数据显示 1”主要为 4～20 mA 电流类型模拟量输入信号，“测量数据显示 2”对应铂电阻模拟量信号，“测量数据显示 3”对应开关量输入信号。

当有重要参数（乏汽总管压力等）测量值超过预设定的上、下限范围时，该参数显示背景将变成红色闪烁状态。对于参数量程、上下限值可以通过修改EXCEL 文件进行重新设定。

软件界面中“乏汽压力调节”、“汽封供汽压力调节”、“左冷凝水位调节”和“右冷凝水位调节”为相应过程参数的 PID 自动调节。可进行 PID 调节参数的设定以及过程参数调节状态的显示。

3）查看历史数据

在“测量数据显示 3”界面上方有打开数据记录文件路径选择及确定按钮。

船舶过程测量采集控制系统已经成功应用于完成船舶二回路系统及设备的参数测量、采集、显示、控制。

4 结 语

船舶过程测量采集控制系统能够完成二回路系统和设备的参数测量、采集、显示和控制，减少就地测量仪表及就地参数显示，为设备的运行状态显示及安全操作提供手段。此系统也可应用于其他领域的过程测量采集控制。

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Development and application of ship process measuring, acquisition and control system

YU Hai-yan1, CHEN Xin-hui2, MENG Hai-bo1
(1. Laboratory on Steam Power System, Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. WISDRI(WUHAN) Automation Company Limited, wuhan 430205, China)

Important operational parameters need to measure, acquire, display in the process of ship operation, and to control as the input of the control system. This article adopts NI software modules and LabVIEW software, and develops the ship process measuring, acquisition and control system, it can complete the parameters' process measuring, acquisition, display and control reliably and real-time. It verifies the system's feasibility through the engineering's application.

process measuring；acquisition；control；LabVIEW

TB47

A

1672 - 7619(2017)02 - 0121 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.024

2016 - 04 - 26；

2016 - 05 - 31

余海燕(1981 - )，女，高级工程师，主要从事核动力装置控制工作。