基于LabVIEW與PLC的船舶柴油機監(jiān)控系統(tǒng)

張永根

(南京市輪渡公司,江蘇南京 210011)

0 引言

可編程邏輯控制器簡稱PLC,以其運行可靠、集成度高、可擴展性強在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用,而且各個PLC生產(chǎn)廠家提供了多種通訊模塊,如工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet模塊、點到點串行通訊模塊等。因此可以利用 PLC的通訊模塊讀取柴油機數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù),然后通過 PLC中的現(xiàn)場總線模塊連延伸報警模塊能將實時的報警信息傳遞到船員房接到監(jiān)控系統(tǒng)中達到完美的結(jié)合[1]。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench)是美國國家儀器公司(National Instruments)推出的一種基于圖形語言(G語言)的開發(fā)環(huán)境,編程非常方便,人機交互界面直觀友好,用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行文件,能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行,是目前最流行的虛擬儀器編程平臺,廣泛應(yīng)用于測試測量、過程控制、實驗室研究與自動化等方面。將LabVIEW與PLC結(jié)合起來應(yīng)用于工程實踐,不僅可以大大降低成本、縮短開發(fā)周期,而且可以使得控制操作方便、界面美觀[3]。

在設(shè)計中,需要將柴油機及其他設(shè)備的各參數(shù)讀取到Siemens公司的S7-300 PLC中,參與實際的監(jiān)測控制。為了能夠?qū)x表的參數(shù)讀入到Siemens PLC中,采用了Siemens公司的點到點通訊模塊CP340,利用集成在CP340通訊模塊中ASCII碼通訊協(xié)議,通過 RS2422網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù),并將LabVIEW與PLC結(jié)合起來,在上位機進行實時顯示、報警、控制、記錄。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

與傳統(tǒng)的柴油機數(shù)據(jù)采集方式相比,該種MAN B＆W柴油機將所有重要參數(shù)都存放于 4個數(shù)據(jù)存儲區(qū)中,通過通訊接口,外圍設(shè)備(如PLC,PC機等)可以從中實時的讀取設(shè)備運行參數(shù),了解設(shè)備的運行情況。鑒于LabVIEW軟件可方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信號處理,具有強大的外部接口能力,而且采用LabVIEW編寫控制程序主界面,既簡單美觀,又能節(jié)約開發(fā)時間,大大提高了程序設(shè)計效率等優(yōu)點,上位機的控制程序采用LabVIEW編寫。將西門子S7-300作為終端,CP340作為通訊模塊,并采用LabVIEW作為上位機軟件是本系統(tǒng)的一大特點。

在以上軟硬件條件下,要在LabVIEW中實現(xiàn)PC與PLC的實時通信,關(guān)鍵在于如何在LabVIEW編程環(huán)境中驅(qū)動SIEMENSCP5611通訊卡。CP5611被驅(qū)動后PC機即可通過CP5611與Profibus總線連接,從 S7-300地址塊中讀出數(shù)據(jù)或往地址塊中寫入數(shù)據(jù)。SIEMENS CP5611目前沒有LabVIEW的驅(qū)動程序,如果要在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)SIEMENSPLC的上位機控制系統(tǒng),可以采取兩種方案:

(1)開發(fā)者自己開發(fā) CP5611的驅(qū)動程序,從底層的動態(tài)鏈接庫編起;

(2)找到并安裝SIEMENS的OPC Server應(yīng)用程序,利用NI的OPC Client與之進行數(shù)據(jù)交互。

顯然,第二種方案對開發(fā)者更方便、快捷,因而本文選用第二種方案。OPCOLE for Process Control是基于Windows NT技術(shù)的OLE,COM/DCOM接口的擴展,其本質(zhì)是OPC Client用一種開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通訊方式與OPC Server進行通訊。OPC規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口,使得不同廠家之間軟硬件的集成易于實現(xiàn)。使用第三方硬件時,只要硬件開發(fā)商提供OPC Server,軟件開發(fā)人員無需編寫低層的驅(qū)動程序,通過用戶軟件的OPC Client即可與之進行數(shù)據(jù)交互[2]。

整個監(jiān)控系統(tǒng)共有79個工況參數(shù),其中開關(guān)量共 66個,模擬量共 13個。廢氣鍋爐綜合故障、應(yīng)急配電板 DC24V失電、1號左燃油艙高位等 35個開關(guān)量均直接接入PLC的輸入輸出模塊,通過傳感器將信號實時的讀入 PLC的輸入映像區(qū)。進渦輪增壓器前排氣溫度高,主機應(yīng)急控制電源故障等 31個開關(guān)量通過通訊模塊采集數(shù)據(jù)。所有模擬量如燃油進機壓力表、滑油進主軸承壓力表、汽缸冷卻高溫淡水出口溫度表等也由CP340通訊模塊完成數(shù)據(jù)采集。所有通過 CP340讀取的源數(shù)據(jù)均從柴油機數(shù)據(jù)存儲區(qū)中取得。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計流程如圖1、2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟件設(shè)計流程圖

2 軟件設(shè)計

2.1 PLC與柴油機通訊

S7-300與柴油機通訊,可以對 CP340設(shè)置接收幀結(jié)束方式;通訊方式:9 600,8,n,1;接口方式: RS2422,其余的設(shè)置為默認方式。丹麥 MAN B＆W公司的柴油機采用的是MODBUSASCII協(xié)議,電路接口標(biāo)準(zhǔn)為 RS2422。讀取命令的數(shù)據(jù)格式包括開始位、功能碼、數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)量、LRC校驗碼、停止位以及結(jié)束符。接收命令的數(shù)據(jù)格式與其基本相同,只是包含了數(shù)據(jù)量。當(dāng)柴油機接收到來自PLC的發(fā)送請求命令時,先根據(jù)數(shù)據(jù)的起始地址計算出LRC校驗碼,然后再與接收到的LRC校驗碼相比較,如果一致,則向PLC發(fā)送數(shù)據(jù),否則,不做出響應(yīng)。

PLC讀取數(shù)據(jù)命令實際上就是將不同的地址和校驗碼填入預(yù)先定義好的 DB塊中,然后按照上述的通訊格式,調(diào)用 CP340功能模塊將請求發(fā)送出去。因此,只需要一個發(fā)送數(shù)據(jù) DB塊。而接收數(shù)據(jù)的DB塊,只需要定義成BYTE類型的數(shù)組,并且長度不小于 39字節(jié),對于不同的監(jiān)測量,每次從柴油機中讀取的數(shù)據(jù)則放入到不同的DB塊中。對于不同的參數(shù),只需要變換相應(yīng)的起始地址和LRC校驗碼即可。

CP340有4個專用功能塊:發(fā)送功能塊FB3,接收功能塊FB2,讀RS2232C接口信號狀態(tài)功能塊FC5和接口信號狀態(tài)設(shè)置功能塊FC6。系統(tǒng)中采用FB2和FB3功能塊。

首先要對FB2與FB3的屬性進行設(shè)置:FB3發(fā)送功能塊需要設(shè)置的屬性包括上升沿觸發(fā)(REQ), CP340起始地址(LADDR),發(fā)送數(shù)據(jù)塊號(DBNO),開始字節(jié)號(DBB-NO),字節(jié)長度(LEN);FB2接收功能塊需設(shè)置的屬性包括接收使能(ENR), CP340起始地址(LADDR),數(shù)據(jù)放置塊號(DBNO),開始字節(jié)號(DBB-NO)。

2.2 LabVIEW與PLC通訊

2.2.1 OPC Server的配置

SIEMENS公司為S7-300/S7-400提供的OPServer接口集成在SIMATIC NET軟件包內(nèi),在本系統(tǒng)中西門子S7系統(tǒng)提供OPC Server,LabVIEW作為OPC Client進行數(shù)據(jù)通信。

(1)首先要進行OPC配置,在成功安裝 SIMATINET和CP5611的驅(qū)動程序后,重新啟動計算機,開始使用SIMATIC NET軟件組態(tài)PC Station。

(2)組態(tài)好后在Step7v513軟件中OPC Server模板與CPU315-2DP進行連接。

(3)連接好之后要下載,特別注意訪問點的 Access points的設(shè)置,Options-PG/PCINTERFACE,下載到本地服務(wù)器要選本地訪問點PC internal local;下載到CPU315-2DP,訪問點要改成CP5611。

(4)屬性中設(shè)定local本地IP地址,比如192. 168.0.8,partner是CP5611,它的IP地址也要設(shè)定好,比如 192.168.0.132。這樣,配置完成后,如果PC station中小圖標(biāo)變?yōu)椴噬?表示OPCServer配置成功。

2.2.2 DataSocket與OPC的通信

由于LabVIEW軟件平臺支持DataSocket技術(shù),本文采用DataSocket技術(shù)實現(xiàn)對OPC服務(wù)器的訪問。

DataSocket技術(shù)是基于Microsoft COM和ActiveX,源于TCP/IP協(xié)議并對其進行高度封裝,面向測量和自動化應(yīng)用,用于共享和發(fā)布實時數(shù)據(jù),是一種易用的高性能數(shù)據(jù)交換編程接口。但它不必像TCP/IP編程那樣把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非結(jié)構(gòu)化的字節(jié)流,而是以自己特有的編碼格式傳輸各種類型的數(shù)據(jù),包括字符串、數(shù)字、布爾量以及波形等,還可以在現(xiàn)場數(shù)據(jù)和用戶自定義屬性之間建立聯(lián)系,一起傳送。盡管DataSocket與OPC的實現(xiàn)原理有所不同,但DataSocket與OPC在體系上比較相似,二者結(jié)構(gòu)上都是客戶機/服務(wù)器模式,都為跨網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)定義了各自的傳輸協(xié)議,并以 URL的方式訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)項目。LabVIEW中可通過DataSocket VI功能子模板上DataSocket VI支持OPC應(yīng)用。在Lab-VIEW中與一個OPC Sever通過調(diào)用DataSocket Open Connection.vi圖標(biāo)實現(xiàn),并將對應(yīng)于OPC sever URL傳給該Vi。OPC URL的基本結(jié)構(gòu)為:OPC: //主機名//OPC服務(wù)器名/數(shù)據(jù)項目/刷新率。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 越限或故障報警處理

每一個監(jiān)測點都已設(shè)置閾值上限、下限或兩者都有,凡監(jiān)測到的參數(shù)超過閾值時,都檢測其報警條件是否滿足,若滿足則應(yīng)立即發(fā)出聲光報警。報警界面如圖 3所示。

圖3 報警界面

2.3.2 報警顯示和消聲消閃功能

當(dāng)出現(xiàn)報警時,控制面板上的一個指示燈不停的閃爍、蜂鳴器發(fā)出聲響;當(dāng)按下消聲按鈕后,報警聲響停止,報警燈光信號由閃爍變?yōu)槌Ａ?只有在故障排除并恢復(fù)正常狀態(tài)后,報警指示燈才熄滅。

2.3.3 實時數(shù)據(jù)顯示

能在控制面板顯示所有監(jiān)測點參數(shù),并可將實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以模擬表、棒型圖和變化曲線等形式在工控機界面顯示,直觀地反映這些參數(shù)的變化狀態(tài)。柴油機監(jiān)控界面如圖4所示,歷史數(shù)據(jù)查詢?nèi)鐖D5所示。

圖4 柴油機監(jiān)測界面

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢

3 結(jié)語

經(jīng)實際運行,系統(tǒng)完全滿足船舶航行的要求。該系統(tǒng)具有實時性高、操作方便、運行穩(wěn)定等特點。運用LabVIEW自帶的DataSocket與OPC通信實時可靠,適用于SIEMENS幾乎所有的通訊總線和通訊卡,具有很強的靈活性。總之,該方案大大提高了機艙自動化監(jiān)控水平,具有顯著的經(jīng)濟效益。

[1] 李垣江,等.基于總線控制的船舶柴油機監(jiān)控系統(tǒng)[J].船海工程,2005,(6):47-49.

[2] 朱青,等.基于LabV IEW與OPC的船舶機艙報警系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,(1):129-131.

[3] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.