基于PLC与Win CC flexible动力定位报警监控系统的研究

陆振君

(南通市船舶检验局，江苏 南通 226000)

本文以某工作船为例，进行其动力定位报警监控系统的研究。该船主要为深海石油和天然气勘探开采平台、工程建筑设施等提供抛起锚、拖航、供应和值班守护等服务[1]，其动力系统组成如表1。

1 动力定位报警监控系统主要功能

1)数据的采集和处理。监控系统主要对动力系统、推力器系统和动力定位控制系统的各种数据进行采集和处理[2]。采集信号分为模拟量信号(电压、功率、转速、可调浆螺距、风速等)及各开关量信号。

2)参数的显示功能。在触摸屏显示动力定位系统主要数据，工作船的相应部位船员可通过显示的数据了解系统各设备的运行状况。可显示所有模拟量及开关量的报警状态，正常为绿色，报警为红色，没有应答的报警点用闪烁方式表示[2]。

表1 某工作船动力系统组成

3)报警功能。监控系统对工作不正常的监测参数以及传感器故障、系统自身故障等进行报警。船舶监控人员可以通过报警监控系统，迅速发现报警，并根据报警原因和种类采取措施。主要包括声光报警、延伸报警、报警显示、报警记录及报警闭锁功能[3]。

4)数据存储和参数修改功能。监控系统还需及时将动力定位系统相关的监控参数及报警情况，定时存入数据库，方便监控人员进行查询和分析。为了提高系统的灵活性能，系统配备有对报警延时、报警闭琐、开关报警状态、自动闭锁的解锁延时、测量精度、报警限值等系列参数的修改功能，以适应船舶在久用之后机械状况的变化[3]。

5)打印功能。本系统还具有随时打印报表功能，可以进行数据报表打印，包括当前测量数据表和报警记录表。

2 动力定位报警监控系统的设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 S7-300硬件组态

S7-300 PLC是模块式的PLC，采用的是紧凑的、无槽位限制的模块结构。本系统硬件的设计采用模块化设计方法[4]。系统采用“触摸屏+PLC控制器+执行机构”的分层控制，触摸屏选用西门子Multi Panels系列的MP270 10′Touch触摸屏，PLC控制层选择西门子公司的S7-300系列PLC，他们之间通过MPI网络连接。根据中国船级社(CCS)《动力定位系统检验指南》的要求，结合报警监控系统实际需求，监测点共包括140个数字量和30个模拟量，其硬件组态如图1所示。

图1 系统硬件组态图

2.1.2 系统硬件

1) 电源。系统供电电源采用工业控制专用电源，可靠性高，适应能力强[5]。根据《检验指南》要求，系统配有UPS 不间断电源，在全船失电的情况下，保证系统主体部分还能正常工作15 min。

2) 隔离与接地。输入/输出信号间采用光电隔离技术，防止干扰信号和强电信号进入系统。内部采用单独的隔离接地，提高监控微机的稳定性。

3)冗余设计。系统在报警显示、网络通信、报警信息处理等主要功能上采用了冗余技术[2]，并且主要模板及显示器都配有备件，以提高系统的可靠性，方便进行更换和维护。

2.2 系统软件设计

1)SIMATIC STEP 7与Win CC flexible的集成。通过在STEP 7的SIMATIC管理器中创建一个HMI站，将Win CC flexible项目集成在STEP 7中，实现HMI设备和PLC之间的通信和数据交换。它具有以下优点：系统具有更好的容错能力；减少修改工作量；减少组态工作量。组态过程中，Win CC flexible可以直接访问STEP 7符号表、数据域及其控制器[6]。

2)网络组态。系统的上位机为MP270 10′Touch触摸屏，下位机为S7-300系列PLC，它们之间采用MPI网络进行通讯连接。为了实现PLC与HMI设备之间的自动数据交换，采用网络组态工具NetPro来进行系统的网络组态[5]。

3)用STEP 7编程软件实现系统的自动监控与报警。动力定位报警监控系统的编程软件主要采用STEP 7，编程语言为梯形图(LAD)。报警监控系统采取模块化设计，主要包括系统管理模块、实时监控模块、系统控制模块、数据分析模块和报表管理模块等几个方面，其总体框架图如图2所示。

图2 系统总体框架图

系统工作流程为：传感器采集的数据实时传输到PLC S7-300，由系统对所采集的各个设备的参数进行分析和处理，通过Win CC flexible人机界面实时显示处理后的数据，并存入数据库模块。如果发现数据异常，系统发出警报，船员根据报警进行故障判断和处置[3]。警报处理结束之后，系统自动将这次警报以报表的形式存入数据库，供监控人员查询、分析，其系统流程图如图3所示。

图3 系统流程图

4)用Win CC flexible组态软件设计报警监控系统人机界面。人机界面是PLC的最佳搭档，这是因为它的稳定性和可靠性较高，能够长期在恶劣的工业环境下持续运行。本文选用西门子的触摸屏(Touch Panel)作为系统的人机界面，因其具有面积小,直观方便等优点[5]。系统人机界面主要包括4个页面，他们分别是：初始画面、动力系统监控页面、推力器系统监控页面及系统性能状态监控页面。

3 动力定位报警监控系统的仿真调试

由于实验条件的限制，无法用硬件来对设计的船舶动力定位报警监控系统进行联合调试。本文用S7-PLCSIM来模拟S7-300的运行，用Win CC flexible的运行系统(Runtime)来模拟HMI设备的功能[4]。由于在系统设计时已经将HMI的项目集成在STEP 7中，在调试时在没有硬件设备的条件下，通过计算机模拟实现HMI设备和PLC之间的通信和数据交换，从而模拟出真实的PLC和HMI设备组成的实际功能[6]。图4为系统部分调试页面，包括风力、航向、水流、速度、张力等数值的显示以及各个报警指示灯。

图4 系统部分仿真调试图

4 结束语

本文采用SIEMENS PLC S7- 300与组态软件Win CC flexible相结合的方法，研究了动力定位报警监控系统自动控制与人机界面。该系统开发周期短、人机界面直观、控制可靠、维护方便等优点。