基于PLC 技术的舰船机电设备控制系统

2023-07-22刘海生王天杰

舰船科学技术 2023年12期

刘海生，王天杰

(1. 河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室, 河北唐山 063000；2. 唐山学院机电工程学院, 河北唐山 063000)

0 引言

由于机电设备种类以及机电设备数量较多，各个种类设备的控制方法也存在明显差异[1]；与此同时，海上环境复杂多变，存在诸多的突发情况和干扰因素，因此，导致舰船机电设备控制效果较差[2]。控制过程中，会发生一定的协调控制误差、驱动系统的执行效率较差，并且远程控制的时效性不理想等情况。因此，在进行机电设备控制时，如何保证机电设备的控制效果和响应效率[3]，则是舰船机电设备控制过程中的重要内容。为实现机电设备的有效控制，文献[4]以设备的协同分群控制为目标，提出基于蚁群算法的相关控制方法，该方法通过寻优求解获取全局最优解，得出最佳控制结果。但是该方法在控制过程中，舰船在发生明显阶跃的情况下，控制结果的偏差较大。文献[5]以实现机电设备的稳定控制为目标，设计观测器摩擦补偿控制器，依据该控制器观测机电系统内的不确定因素，设计相关的控制律，完成机电系统高精度控制。但是该方法在应用过程中，对于控制指令的响应时间存在延时情况，降低设备的执行效率。

PLC 技术也称为可编程逻辑控制器，其属于一种数字运算的电子系统，该控制器内部设有微处理器以及可编程存储器，能够依据应用需求存储相关逻辑运算以及控制等指令[6]，并可通过数字模拟输入或者输出的方式，实现机电设备的控制。因此，本文为实现机电设备的一体化控制，设计基于PLC 技术的舰船机电设备控制系统。

1 舰船机电设备控制系统

1.1 系统总体架构

本文设计基于PLC 技术的舰船机电设备控制系统实现舰船机电设备的一体化控制，以此保证机电设备的协调控制效果，降低各个设备的控制响应误差。该系统属于闭环体系，该系统整体分为3 个模块，分别是数据采集模块、通信模块以及控制模块，采集模块是利用多源传感器采集舰船机电设备的运行状态数据，并通过通信模块将采集的数据传送至控制模块中，控制模块利用PLC 控制器实现机电设备的协调控制，该系统的整体架构如图1 所示。

图1 基于PLC 技术的舰船机电设备控制系统架构Fig. 1 Architecture of ship electromechanical equipment control system based on PLC technology

1) 数据采集模块

该模块的主要作用是利用多源传感器获取舰船机电设备运行信息，包含驱动输出信息、设备运行状态、按键信号、开关信息以及阶跃响应数据等；并且该模块中设有暂存数据库，以此保证数据采集的完整性。

2) 通信模块

该模块主要包含CAN 现场总线、有线通信协议、CAN 通信板卡、综合处理单元等多个部分组成。以此，保证不同状态下的信息传输需求，确保信息传输的实时性，以此提升舰船机电设备的控制的实时性。

3) 控制模块

该模块主要由PLC 可编程控制器、通信端口、人机界面等部分组成，通过PLC 可编程控制器实现舰船机电设备的一体化协调控制，控制指令则通过PLC 输出端子进行发送，各个机电设备则依据控制指令进行控制，并且将控制结果通过人机交互界面进行展示。其中人机界面和PLC 可编程控制器之间的连接通过PLC 端口完成。

1.2 通信模块结构设计

系统进行舰船机电设备控制过程中，信息混合控制指令的传输均需依据通信模块完成，因此，通信模块的通信效果，对于舰船机电设备的控制效果存在一定影响。为保证较好的通信效果，以现场总线技术为核心，设计通信模块，其结构如图2 所示。现场总线技术具有较好的自我修复能力、均衡能力，能够在链路发生异常或者损坏的情况下，进行自我修复，并自主选择最佳的数据传输链路，同时可在极短时间内完成传感器采集数据的备份和传输，保证数据的传出效率。舰船航行过程中，机电设备产生的数据量较大，因此，在设计通信模块过程中，为满足设备的控制需求以及信息交互各个载体的差异，主要设计有线和无线2 种通信类型；并且现场总线在设计过程中，为保证不同传感器采集信息的传输效果，设计不同的通信协议机制，以此满足舰船机电设备运行信息的传输和交互需求。除此之外，保证控制指令传输的实时性可可靠性。

图2 通信模块结构Fig. 2 Communication module structure

1.3 控制模块结构设计

1.3.1 控制模块结构

PLC 可编程控制器能够保证各项数据的可靠性和实时性，具有好的动态分析和控制效果。同时，能够高效完成舰船机电设备海量数据的运算。可结合实际控制需求，在控制器内部署不同设备的控制律以控制方法，实现不同机电设备的控制。因此，本文为实现舰船机电设备的一体化协调控制，控制模块以PLC 可编程控制器为核心，完成舰船机电设备控制，控制模块结构如图3 所示。控制模块是以PLC 可编程控制器为核心，其包含微处理器、数字和模拟单位、通信接口、控制指令集、输入输出单元等多个部分组成，以此保证舰船机电设备控制效果。

图3 控制模块结构Fig. 3 Control module structure

1.3.2 基于动态矩阵的机电设备控制方法

控制模块为实现舰船机电设备的一体化控制效果，在PLC 可编程控制器的微处理器内部署动态矩阵控制方法，该方法具有较好的阶跃控制效果。在进行机电设备控制前，需依据采集的机电设备单位阶跃响应数据为基础，对其阶跃状态进行预测。如果采集的舰船机电设备阶跃采样值用ai=a(iT)表示，其中，T表示采样周期，i=1,2,...,n表示机电设备。当机电设备的运行状态不断稳定时，其阶跃响应结果则会在数个采样周期后逐渐稳定；依据采集的机电设备阶跃响应数据构建有限集合(a1,a2,...,aN)，N表示采样周期数量，将(a1,a2,...,aN)定义为动态矩阵控制方法的模型参数，N为该方法的时域。舰船机电设备在运行过程中，运行参数之间会存在一定比例的叠加，因此通过预测后可获取机电设备一体化输出结果的预测；如果机电设备一体化控制增量数量用M表示，初始预测值用表示，则机电设备在未来时刻的输出结果计算公式为：

式中：t为时刻；t+i|t为第t+i个设备在t时刻下的预测值；ζ(.)为控制形式。

为提升舰船机电设备的一体化控制效果，本文对机电设备一体化运行输出预测模型进行优化，其公式为：

式中：rp(t)为机电设备一体化运行的期望输出结果；p为未来时刻；Q为误差权矩阵；R为控制权矩阵。

依据式(2)计算控制增量数量为M时，舰船机电设备在未来时刻的输出结果和控制方式之间的关系，其公式为：

式中：W表示动态矩阵，其表达式为：

当W ＜1时，则动态矩阵收敛。

在控制过程中，为避免控制增量发生突变，影响控制的优化效果，将Q和R两个矩阵分别看作是控制和优化时域，基于此舰船机电设备一体化优化控制形式计算公式为：

依据式(6)可获取M个控制增量的结果，对该公式进行变换后得出：

式中，cT为优化参量。

基于上述步骤完成舰船机电设备的一体化优化控制。

2 测试结果与分析

为验证本文系统对于舰船机电设备的控制效果，本文以某运输舰船上的机电设备作为测试对象，该舰船的机电设备包含4 个主机，总功率为2 500 kW，发电机一台，功率为25 kW，除此之外还包含液位系统、舵机系统、火警系统等。

在该舰船的控制中心部署本文系统，在部署过程中，使用的PLC 硬件配置参数详情如表1 所示。

表1 C 硬件配置参数详情Tab. 1 Details of PLC hardware configuration parameters

为验证本文系统在控制过程中网络通信效果，以控制指令的执行时间作为衡量指标，以2 种机电设备系统为例，获取本文系统在进行不同数量指令执行时，控制指令的执行时间(应用标准为控制指令执行时间低于0.8μs/条)，测试结果如表2 所示。可知，随着控制指令数量的逐渐增加，本文系统应用后，随着控制指令数量的逐渐增加，舰船的驱动系统、舵机系统的指令执行时间均低于0.8μs/条，通信的实时性较好。

表2 控制指令的执行时间测试结果(μs/条)Tab. 2 Execution time test results of control instructions(μs/ strip)

为验证本文系统对于机电设备的一体化控制效果，文中采用控制结果的偏离程度作为衡量标准，该指标能够衡量实际控制结果和设定结果之间的偏离程度，其取值范围在0～1 之间，其值越小，表示控制效果越佳，该指标的计算公式为：

式中：xi(β)为实际控制结果；x0(β)为设定的理性控制结果；β为机电设备控制数据。

依据式(8)计算本文系统在不同的阶跃扰动下，偏离程度的测试结果，如图4 所示。可知，在不同的阶跃扰动下，本文系统应用后，能够可靠完成机电设备的一体化控制，并且控制后的偏离程度均在0.052 以下。因此，本文系统的控制性能较好，即使机电设备处于阶跃状态下，依旧能够可靠完成机电设备的有效控制。

图4 阶跃控制结果的偏离程度Fig. 4 Deviation degree of step control results

为直观验证本文系统对于舰船机电设备控制的应用性，获取本文系统应用后舰船的航速控制结果，如图5 所示。可知，本文系统应用后，能够实时、高效完成机电设备的一体化控制，舰船的驱动系统在接收控制指令后，能够精准完成舰船航行速度的控制，使舰船的航行控制结果和控制指令结果极为吻合，既使在速度调整情况下，依旧能够快速完成控制指令的响应，完成航行速度控制。