国产PLC在舰船损管监控系统设计中的应用

(1.上海船舶电子设备研究所，上海 201108；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

目前，舰船损管监控系统主控制器多采用进口的专用火灾报警控制器或西门子、三菱等PLC(可编程逻辑控制器)，并且组态软件多运行在Windows操作系统下，存在系统设计成本高、兼容性差、自主可控能力不足以及面临维修缺、断货等问题。因此，迫切需要建立一套基于国产控制器的损管系统[1-2]。

舰船消防系统属于舰船损害管制监控系统的一部分。目前，专用火灾探测报警控制器通过二总线回路实现火灾报警及联动控制，设备的类型、数量、接口层级增加，不利于系统的集成优化。基于PLC的分布式系统结构，采用PLC作为分布式自动监控核心，采用上位机进行集中操作显示，有利于构建大型监控网络。其中，监控系统包含上位机组态软件、控制器、探测器、报警器、执行器，而消防报警控制器作为监控系统的核心，监控整个损管系统的正常运行。考虑采用国产PLC作为损管监控系统控制器，采用能在国产麒麟操作系统上运行的国产组态软件，对损管监控系统硬件及软件进行设计，将国产PLC应用在舰船损管监控系统中。

1 系统方案

船舶损管监控系统是由传感器、PLC和损管监控台组成的分布式结构系统，逻辑上采用基于管理层、控制层、数据层三层模型的系统架构，见图1[3-4]。

图1 舰船损管监控系统架构

针对舰船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站设置损管显控台作为管理层，主要由上位机和PLC控制器组成。其中，上位机能够以图形化方式显示损管系统的状态，并能够通过PLC控制器将控制指令传送到各个现场设备及数据处理设备，实现人机交互功能。

PLC分布式站点构成现场监控设备作为控制层，分布于各舱室，采集现场数据信息传送至网络平台，并接受控制指令，执行相应的指令操作。

数据层主要是现场的前端采集装置，包括各类传感器采集的数据信息和执行设备运行的状态信息。

损管监控系统中人机交互界面软件提供舰船损管系统主要设备的集中监控和运行管理，通过冗余以太网交互并上传损管系统相关运行参数、状态及报警等信息。站间人机交互界面有互备互操功能，损管站A的监控上位机出现故障时，经人工确认后，由预先定义的损管站B监控上位机实现其监控功能。

该系统方案适用于多舱室、多站点、结构复杂的船舶损管环境，管理层、控制层、数据层三层模型分离了人机交互与控制的功能、数据层和控制层，使得损管系统能够实时监控、快速响应和控制区域传感器和消防设备，增强了系统的可维护性、安全性和可靠性[5,6]。

2 系统硬件设计

根据舰船损管监控系统架构设计，各损管站基本硬件组成包括上位机、显控台PLC、信号监控箱PLC、安全监控箱、灯箱、数据采集模块及执行模块。系统硬件结构见图2。

图2 损管监控系统硬件结构

舰船损管监控系统的硬件结构中，各单元部件的功能如下。

上位机：以图形化形式实时显示损管区域现场传感器采集数据、消防设备状态、损害/故障报警等信息，并能够发送控制指令至PLC控制器实现现场设备及数据处理设备工作；

显控台PLC：与上位机通过以太网通讯，读取面板操作按钮状态，并在面板显示损害/报警状态；将现场设备的状态信息上传至上位机，并接受上位机发送的导控台实操/模拟训练信息；

信号监控箱PLC：读取数据采集设备的状态信息，上传至信号监控箱PLC；同时接收操作面板或上位机的按钮状态控制命令，实现现场执行设备的动作；

灯箱：实时显示损害/报警、现场设备的指示灯状态信息。

2.1 控制单元

采用国产PLC，主要负责损管监控系统中现场传感器、按钮箱状态数据采集、逻辑处理及执行设备输出功能，该系统应具有数字量输入/输出、模拟量采集、Modbus RTU通讯及分布式端口模块等功能。

由于舰船环境特殊，对设备的实时性和安全性要求较高，选用国产自主研发的某中型PLC，技术参数见表1。

表1 某国产中型PLC技术参数

2.2 数据采集单元

根据舰船损管监控系统的环境要求，数据采集模块包括温度传感器、可燃气体探测器、烟雾探测器、红外火焰探测器等。其中因各类探测器及空间环境的特点，分别布置在不同区域，实现高效、可靠、全覆盖的监控模式。

此系统中温度传感器采用两线制电流型传感器，工作电压24 V，输出电流为4～20 mA，量程为-50～200 ℃，精度0.2%。

可燃气体探测器采用三线制电流型载体催化探头，工作电压24 V，输出电流为4～20 mA，量程为0～99%LEL。

将上述探测器与模拟量输入模块通道CHn连接，由I/V转换、滤波、A/D转化成数字信号，经光电隔离后，再由模块微处理器读取，并通过以太网发送至PLC控制器。

烟雾、红外火焰等探测器与PLC控制器通过串口(RS-485)、数字量触点通讯，将采集到的数据信息通过Modbus RTU协议发送至PLC控制器，并通过继电器信号将火警、故障等信号发送至PLC数字量输入模块，实现数据的交互。

2.3 执行单元

损管站的执行单元包括海水及水成膜装置、防火帘、气体灭火装置等。上述消防设备连接PLC的数字量输入/输出模块，其中输入模块读取现场消防设备的状态信息，输出模块控制消防设备输出动作。

其中，损管区域配置的任一可燃气体探测器浓度超过20%LEL时，消防报警控制器通过安全监控箱中数字量输出模块自动输出相应分区通风系统启动信号，实现消防联动功能；当相应分区所有的可燃气体浓度低于5%LEL时，损管站显控台停止输出相应分区通风系统启动信号。

执行单元通过连接在分布式端口模块，可灵活分布在舰船不同的损管区域，经以太网与PLC控制器进行数据交互。

3 系统软件设计

3.1 PLC控制软件

损管监控系统的PLC控制器主要为显控台PLC和信号监控箱PLC，程序执行流程图见图3。

图3 显控台PLC程序执行流程

信号监控箱PLC读取各数据采集模块传输的数据信息，发送至显控台PLC；接收显控台箱PLC发送的控制命令，控制现场执行设备动作，程序执行流程图见图4。

图4 信号箱PLC程序执行流程

损管站PLC主机组成损管监控网，实现损管站间互备互操功能。如果1区损管站的监控上位机出现故障，经人工确认后，则由预先设定的2区损管站监控上位机实现其监控功能。程序执行流程见图5。

图5 损管站间互备互操功能程序执行流程

3.2 上位机监控软件

上位机监控软件为面向对象的组态软件，采用支持国产麒麟操作系统的某国产组态软件，具有强大的画面组态及监控功能。上位机监控软件接收PLC控制器发送的损管站数据采集模块、执行设备的状态信息，实时监视损管系统的运行状态。若损害或故障报警，则应实时报警并显示损害或故障区域；同时，上位机监控还具有历史和实时趋势及报表显示等功能，便捷、直观地显示历史数据信息。

上位机软件通过以太网接入平台主干网获取OPC数据及提供OPC数据，并采用Microsoft Access2003进行数据库开发管理，上位机监控软件设计流程图，见图6[7]。

图6 上位机监控软件设计流程

上位机的安全监控画面具有人机界面友好、可视化程度高和可操作性强的特点。

4 结论

系统选用国产PLC控制器按照恶劣环境下进行考核，满足高低温、振动、冲击等实验。基于国产PLC控制器的舰船损管监控系统通过相关平台搭建、实验测试，能够实现对舰船火灾信号、可燃气体浓度、温度等进行监测、显示和报警，对高倍泡沫灭火系统、机库大门、消防炮等现场设备进行监测、显示和控制，满足舰船损管监控功能需求。并且通过可视化、可评估、可决策、可预测功能快速、准确地定位损害隐患并迅速指导、采取有效的措施，实现损害管制，保障舰船安全。