基于PLC 的船舶甲板机械集散控制分析

2020-02-16赵明清钱冬林

设备管理与维修 2020年24期

赵明清，钱冬林

（中船绿洲镇江船舶辅机有限公司，江苏镇江 212000）

0 引言

船舶作业过程中，机械使用数量较大，种类众多，容量不断提升，与传统的操作机械操作相比，需要更多人员进行配合作业。但在船舶甲板机械系统实际作业过程中，其操作的精确率较低，工作效率有待提升，并且存在较大的安全隐患。因此，基于PLC 开展船舶甲板机械集散控制，将会使机械设备实现集中性的高效控制，更好地保证船舶甲板机械控制作业的顺利进行，使操作的安全性和工作效率得到显著提升。

1 PLC 基本工作原理

PLC 是指可编程程序控制器，融合继电器控制、计算机、通信等多种技术，集成制作的高效控制装置，能够实现自动化的精确控制，为进行就地或远程控制机械设备奠定了技术基础。PLC 主要是通过内部存储、顺序控制、计算定时等软件操作指令，以数字或模拟等方式实现信息的输入与输出，有效控制各类机械设备，其工作原理大致与计算机相类似，主要由硬件与软件等部分组成。其中，硬件部分主要有CPU、输入输出接口、通信接口、存储器、电源等设备，软件部分主要为实现某种功能而进行的系统性软件设置或应用程序设计的编程性语言。

2 实现过程

PLC 通常采用串行方式有效开展控制作业，通过输入接口将采集到的信息传输至程序中，以周期性扫描方式，按照既定程序开展程序性工作，最后完成指令输出，做出相应的机械操作动作。基于PLC 进行船舶甲板机械集散控制时，通常需要按照以下5 个步骤进行：①充分了解机械集散控制系统中的工艺设计过程和各项设计要求；②做好船舶甲板机械集散控制系统的方案制定与分析；③为船舶甲板的机械集散控制系统配置软硬件设备；④按照控制需求和功能需要，编写相应的软件程序，并进行有效调试；⑤完成软硬件的组装，并实现机械集散控制的运行。

3 集散控制分析

3.1 控制要求分析

基于PLC 实现船舶甲板的机械集散控制，需要以可编程程序控制器作为基础，实现就地或远程对船舶甲板上的机械开展分散或集中型控制，并且使船舶甲板上相应的机械设备能够保持操作的独立性，在操作过程中不产生相互影响。因此，为了有效提升船舶甲板机械控制的安全性，需要在进行系统设计时，按照各项机械设备的实际使用需求，设置相关的启停按钮或者操作转换把手等。并且，在利用继电器进行机械设备控制操作时，要求可以明确显示控制位置、各项机械设备的实际运行状态和有关参数等。

选择操作模式时，可以在船舶甲板机旁设置相应的控制模式转换把手，使其具有就地与集中控制两种模式。当转换把手位于集中控制模式位置时，可以明确指示当前的控制位置，准确显示船舶甲板上所有机械设备的实际工作状态，便捷读取各项设备的实际运行参数等。当转换把手位于就地控制模式位置时，可以对船舶甲板上的任一机械装置实现单一控制。

针对船舶甲板上的绞车、绞盘等机械设备，可以借助继电器、按钮等装置实现对绞车、绞盘的单一动作控制。可以设置卷筒收回与释放操作集成按钮，当按下按钮时，将会实现卷筒的收回操作；当双击按钮，使按钮回到弹起状态时，将会执行绞车、绞盘的释放操作等。可以进一步设置离合器啮合与脱离指示操作的集成按钮，刹车制动与打开操纵、指示的集成按钮等。为了有效提升安全性，可以设置急停按钮，一旦发生意外情况，通过按下急停按钮，实现绞车、绞盘操作动作的全部即时性停止。可以设置液压系统的显示装置，钢丝绳索的张力、放出长度等显示装置，以便清楚了解绞车、绞盘的实际运行状态，提升操作的准确性。

针对液压泵站，可以设置系统综合报警装置和电机的启动与停止集成按钮，通过按钮控制液压泵站的工作状态转换，有效提升液压泵站运行的安全性等。

3.2 控制方案设计

控制方案的设计是对船舶甲板各类机械进行有效集散控制的核心内容，需要根据控制系统的实际要求，结合船舶甲板各类机械的实际运行情况，对其集散系统进行系统性设计，从而有效保障各类机械设备的安全稳定运行。控制方案设计主要是利用可编程程序控制器，实现对船舶甲板上各类机械设备之间的数据通信，按照实际控制使用要求，通过软硬件设计，实现按钮、操纵杆等设备的可靠动作，以提升机械设备控制的有效性和工作效率。

例如，可以在船舶甲板的液压泵站、现场机械设备处和驾驶控制室内，分别设置相应的控制器和数字或模拟信号的输入、输出模块，以实现对数据信号的有效采集、传输、分析、处理和控制，并能够有效进行显示，方便操作人及时读取信息。同时，可以将各类机械设备的控制器通过通信网络进行有效连接，以实现数据信息的快速交换，使其相互连接形成基于PLC 的控制型信息网络，以船舶驾驶控制室作为控制核心，使其在控制台上能够集中性显示各类机械设备的运行状态，实现远程化、集中性操作船舶甲板的各类机械设备等。另外，可以在船舶甲板各类机械设备的附近设计安装就地操作箱，以实现各类机械设备的独立、分散型控制。在对船舶甲板各类机械设备进行方案设计时，尽可能选用统一的通信协议，便于数据信息的传输与交换，如使用以太网进行连接，并选取标准电缆、标准光纤电缆等，有效提升通信网络的可靠性。而对于控制系统中的主站等，需要同步设计相应的报警及报警信息管理系统，并做好监控系统的设计，充分满足监控等级的实际需求，必要时，在经济条件允许的前提下，可以设计双网络、双电源，有效提升机械控制的稳定性与可靠性。

3.3 硬件配置

基于PLC 的船舶甲板机械集散控制系统在设计过程中，做好系统的硬件配置是保障各项功能正常使用、操作便捷的基础内容。在对控制系统开展硬件设计时，需要根据各项机械设备的具体输入与输出信号，选取相应的硬件设备型号，以有效满足其控制功能的要求。同时，需要对机械集散控制系统的总体架构进行认真分析，确定通讯协议，做好通信系统连接，保障通信的可靠性与快速性。

工作时，可以结合甲板机械的布置图与绞车、绞盘等实际安装位置进行规划。通常情况下，绞车与绞盘均位于船舶甲板的左右舷处，设备需要的输入信号为4～5 个，输出信号为3～4 个。因此，可以为每处配置1 台微型PLC，便于进行集散控制，使每台微型PLC 分别控制2 台绞车与绞盘，其输入信号的总量可以控制为16～20 个，输出信号则为12～16 个。针对此情况，可以选用西门子生产的S7-200 系列，如CPU226 等，其性能使用情况较为稳定，并且性价比较高。一般情况下，CPU2267 输入输出的数量约40 个，其中，输入信号24 个、输出信号16 个，可以充分满足使用需求。如果需要输入模拟信号，如钢丝绳张力、释放长度等监测信息，可以在此基础上，选用1 块EPM235 拓展模块进行配合使用，该模块可以满足4 个输入、1 个输出，充分符合控制要求。另外，针对液压泵站与船舶甲板的控制室，可以为其分别配置1 台PLC 控制器，便于实现泵站、驾控台的集中区域性管理，方便开展集散性机械设备控制。综合考虑日常维护的需要，可以统一选用CPU226 型号，有利于硬件设备日常的维护和维修管理。对于控制系统的通信网络设计，可以主要考虑现场控制台、驾控台和泵站之间的通信管道连接，使驾控台与现场控制台、泵站三者之间，每两个之间实现两两通信互通。所以，可以选择PPI（Point to Point Interface，点对点接口）主—从通行协议作为主要通信方式，在统一的协议，可以采用读、写指令，实现主、从站之间的数据信息传输与交换，使主站能够接受任意其他主站的数据访问。除此之外，可以为CPU226 安装2 个RS485 串行通信口，并采用双绞线方式进行连接，使其能够充分满足4 个控制台的使用要求，并可以将现场控制台设置为从站，而泵站与驾控台则可以作为主站。

3.4 软件配置

基于PLC 的船舶甲板机械集散控制系统的软件设置，主要是采用一定的软件设计满足各项使用功能的控制程序，基于可编程程序处理器与数据通信系统，完成系统中的输入信息采样，按照既定程序执行操作的命令，实现各项功能的稳定输出，从而有效改变各项机械设备的运行状态，实现人力成本的大幅度减少，提升工作效率。

例如，针对软件控制程序的设计，主要集中在开发软件的选择和主、从站的程序设计、编写等内容。其中，针对软件系统，可以选用西门子生产的V4.0 STEP7 MicroWIN SP6 作为主要的编程软件进行程序开发，程序表达的方式可以采用梯形图或者指令表等形式，分别对控制系统中的主站与从站部分进行软件编程与设计。以主站的软件编程为例，需要结合程序编写规则，根据各项机械设备执行程序与流程，合理运用计算机语言，编写相应控制执行程序。