可編程序控制器在挖泥船上的應用

黃 兵

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇鎮江 212003)

0 引言

20世紀 70年代發展起來的可編程序控制器(簡稱PLC)是大規模集成電路成功開發以及計算機通信技術和計算機控制技術發展相結合的產物。PLC主要功能有邏輯運算、計時、計數算術運算、通信等,其功耗低、速度快、功能強、使用靈活、體積小、輸入采用光電隔離、輸出采用繼電器隔離,抗干擾能力和可靠性都達到了很高的水平。PLC已廣泛應用于各個工業控制領域,在挖泥船上也得到了很好的應用。本文以西門子PLC為例進行敘述。

1 小型挖泥船的控制

挖泥船的液壓系統由液壓泵站、液壓閥站、液壓管路、液壓執行機構、挖泥操縱臺組成。施工人員在操縱室操縱臺旁就可以控制挖泥船各個機構協調工作,挖泥船的各種動作是通過大量電磁閥通斷的不同組合完成的。如 20世紀 90年代某類小型挖泥船,其裝機功率不大,液壓閥站的電磁閥數量不是很多(40～50個),控制類型都是開關量,沒有模擬量參與控制,也沒有時間繼電器參與控制,挖泥船液壓閥站電磁閥控制采用多層組合開關直接控制電磁閥通電、斷電。多層組合開關直接控制電磁閥簡單明了,有一般電工知識的船員就可維修。多層組合開關直接控制電磁閥有上述優點,但其缺點就是易出故障,可靠性不高,影響了挖泥船的持續工作。挖泥船工作時有的動作需要許多電磁閥通電工作,組合開關層數越多越易損壞,特別是操作組合開關時每層受力不一樣,還有多層組合開關不能直接應用,必須按電磁閥工作狀態勵磁表接通組合重新排布組合開關的每層彈子,這樣就要拆開開關排彈子,既麻煩又易損壞。總之多層組合開關直接控制電磁閥在組裝時以及挖泥船使用時故障率較高、可靠性差、日常維護工作量大,常造成挖泥船停工,降低了挖泥船的效率。針對上述缺點,有必要用更可靠的器件對挖泥船液壓泵站電磁閥進行控制。

1999年“百船辦”“河湖疏浚挖泥船建造項目”的200m3/h(分體)絞吸挖泥船的液壓泵站電磁閥的控制以及機艙報警監控選用了西門子 S7-200系列PLC。通過設計操縱臺,編制程序,調試及挖泥試驗后,結果非常理想,達到了設計要求。200m3/h (分體)絞吸挖泥船的液壓控制原理圖如圖 1所示。

2 中型挖泥船的控制

中型挖泥船的液壓泵站與前面敘述的小型挖泥船有許多不同。中型挖泥船的液壓泵站電磁閥一般有 70～80個,有的系統需要采集模擬量參與液壓控制。

如2 000m3/h挖泥船的液壓泵站電磁閥有 70個,需要采集 7個模擬量,命令輸入及限位輸入 50個,所以共有127個點。該船選用 S7-200系列可變程序控制器組成液壓控制系統,液壓控制系統原理圖如圖 2所示。

以左操縱臺的PLC作為主站,右操縱臺的PLC作為從站,主站與從站進行點對點通信。該船的液壓控制系統與小型挖泥船的液壓控制系統所用的PLC都是西門子S7-200系列的PLC,只是2 000 m3/h挖泥船的輸入輸出點數增加了許多,并且用了模擬量參與控制。西門子S7-200系列的CPU224及CPU226可編程可連接 7個擴展模塊,最大可擴展的數字量輸入/輸出范圍 CPU224是 168點, CPU226是 248點。但此控制系統也有缺點,其一是系統構成比較死板,S7-200系列的PLC輸入輸出點都在一個模塊上,限位信號輸入電纜、驅動電磁閥輸出電纜均要進出操縱臺,整個操縱臺的電纜非常多,造成了操縱臺制造安裝困難,調試也困難;其二如果要控制的液壓泵站電磁閥數量很多,參與控制的模擬量也多,S7-200系列可變程序控制器不論怎樣擴展也不能勝任液壓系統的控制工作。基于上述原因3 500m3/h絞吸挖泥船選用了 S7-300系列可變程序控制器構成挖泥船液壓控制系統。

圖1 200m3/h(分體)絞吸挖泥船液壓控制原理圖

圖2 2 000m3/h液壓挖泥船系統原理圖

西門子 S7-300系列可變程序控制器是中型PLC,S7-300具有模塊化、無排風結構,易于實現分布式的配置(這點很重要)。S7-300可編程控制器可配各種各樣的功能模塊和輸入輸出模塊,S7-300可編程控制器的系統一般由PS電源模塊、CPU模塊、IM接口模塊、SM信號模塊(輸入輸出模塊)、FM功能模塊、CP通信模塊組成。

3500m3/h絞吸挖泥船的部分液壓系統控制原理圖如圖3所示,機艙監控室PLC輸出柜原理圖如圖4所示。

圖3 3500m3/h絞吸挖泥船部分液壓系統控制原理圖

圖4 機艙監控室PLC輸出柜原理圖

S7-300組成的液壓控制系統非常合理,液壓系統的動作命令由操縱臺發出,所以輸入模塊SM321安裝在操縱臺內,操縱臺上的許多指示燈由PLC輸出驅動,部分輸出模塊SM322也安裝在操縱臺內,參與控制的模擬量輸入模塊安裝在操縱臺內;驅動液壓泵站電磁閥的模塊 SM322組合在一起與SIMATIC ET200(PROFIBUS-DP分布式I/O)構成PLC輸出柜,S7-300的PLC通信功能強大,操縱臺作為主站,PLC輸出柜作為旁站,主站通過PROFIBUS-DP電纜與PLC輸出柜組成PROFIBUS網絡。其實S7-300模塊組態時非常靈活,各輸入模塊可安裝在操縱臺內,也安裝在PLC輸出柜內;同樣各輸出模塊可安裝在操縱臺內也可安裝在PLC輸出柜內,在設計液壓控制系統時應綜合考慮模塊的安裝位置。

3 500m3/h絞吸挖泥船的操縱臺進出電纜少,較簡潔。操縱臺發出的各動作指令經CPU處理后通過PROFIBUS-DP電纜傳送到機艙監控室PLC輸出柜直接驅動液壓泵站電磁閥。另外在操縱臺上配置了上位計算機,該計算機與S7-300通信直接調取PLC系統的輸入輸出狀態以及模擬量在計算機人機界面上顯示。該船投入使用后船東很滿意。

3 大型挖泥船的控制

這些年我國建造了許多大型耙吸式挖泥船,如新海虎 13 500m3、新海鳳 16 888m3、新海牛10 000 m3、新海馬 10 000m3等。這類大型挖泥船控制較為復雜,整船的監控系統已進化為全船復合集成自動化監控系統,復合集成自動化監控系統是基于工業控制以太網技術、現場總線技術、計算機控制技術、智能儀器儀表技術的復合集成化監視與控制系統。我國自主研發具有自主知識產權的這類復合集成自動化監控系統已廣泛應用于大型耙吸式挖泥船,而系統的價格只有同類進口產品的 1/4。

耙吸式挖泥船的復合集成自動化監控系統主要由以下子系統組成:

集成耙吸挖泥船控制系統IHDCS(Integrated Hopper Dredger Control System)、報警監測系統AMS (Alarm and Monitoring System)、駕駛室疏浚控制臺PLC控制系統、艏/艉液壓及疏浚機械PLC控制系統、泥泵控制PLC控制系統、視頻監控系統、挖泥船綜合顯示系統。

大型耙吸式挖泥船集成監控系統復雜,要監控的點數眾多,AMS系統的總點數將近 900個,挖泥疏浚系統的電磁閥將近 300個,挖泥疏浚系統的泵站液壓電磁閥分散在全船幾個區域,液壓PLC控制系統可分為幾個PLC子系統,所有PLC子控制系統通過網絡組成一個系統。大型耙吸式挖泥船的控制系統可選用西門子S7-300系列及S7-400系列可編程控制器組成挖泥船控制系統。系統編程一般有2種方法,1個是線性化編程,另 1個是結構化編程。簡單的控制系統使用線性化編程;復雜的控制系統使用結構化編程方法。大型耙吸式挖泥船的控制系統選用西門子S7-300系列及S7-400系列可編程控制器組成挖泥船控制系統時,編制程序采用結構化編程方法更方便。