基于SoftPLC的船舶主機遙控物理仿真模擬器設計

郭家建 林貽慧

（福建船政交通職業學院船政學院，福州350007）

0 引言

自動化技術、計算機技術和通信技術在船舶駕駛中的廣泛使用，使船舶自動化經歷了機艙集中控制、無人值班機艙、一臺大型計算機集中控制、微機監測系統和微機分布式控制等發展階段。這對輪機管理人員的技術要求越來越高，必須對學生和船員進行訓練[1]。

模擬器以一艘 1600 TEU集裝箱船使用的Autochief IV 主機控制系統作為原型，采用SoftPLC實現對船舶主機遙控物理仿真模擬器的控制。利用組態軟件PIMS作為上位機開發平臺，進行人機交互界面的設計，使其功能的更加完善；通過數據庫技術實現數據的存儲及應用。與傳統的輪機模擬器相比，本系統具有以下優點：

1）采用PLC 進行現場控制，現場數據的響應速度加快，運行更穩定；

2）操縱過程的數據全部儲存在數據服務器中，可供師生查詢及評判等；

3）船舶主機遙控物理仿真模擬器既可與上位機系統相連運行，也可自成體系單獨運行。

1 船舶主機遙控物理仿真模擬器的組成

船舶主機遙控物理仿真模擬器主要硬件包括PC 機、SoftPLC控制器、儀器儀表、指示燈、控制開關等。SoftPLC采用工業以太網 Modbus TCP/IP 方式和PC 機進行數據通信。SoftPLC對現場數據進行處理，并根據設定程序完成各種控制動作。系統框圖如圖1 所示。

SoftPLC作為下位機，可以完成數據的采集和數據的處理。利用以太網來進行數據的傳輸，具有較高的傳輸速度及較好的可靠性和實時性。SoftPLC是整個系統的控制核心。整個系統中所有的信號數據都會傳遞給 SoftPLC，并且通過與PC機進行實時通訊，可以實現在上位機上進行相關的數據顯示和數據處理等等。

圖1 系統框圖

船舶主機遙控物理仿真模擬器軟件設計包括SoftPLC梯形圖編輯、人機交互界面的設計和組態軟件中腳本程序的編寫。通過SoftPLC梯形圖的編輯，可以完成系統所要求的基本功能。而在組態軟件中的設計，可以使系統的功能更加完善，比如：數據的儲存、故障的設置等等。

2 SoftPLC控制系統的設計

2.1 SoftPLC簡介

SoftPLC是SoftPLC公司的產品，是運行在工業 PC上的一個實時多任務控制內核。它既有所有“硬”PLC的特性，又具有自己的特性，即開放結構系統。SoftPLC系列控制器是以嵌入式CPU為核心的實時控制器，符合 IEC61131-3標準，可以構建成開放式的PLC控制系統。用戶可把 SoftPLC系列的控制器作為專用的運行控制器。利用 TDNG組態軟件平臺，可以實現常規PLC的全部功能。用戶也可使用MODBUS通訊協議，連接RS-232C通信接口，把圖形操作面板和SoftPLC系列的CPU連接起來。

2.2 SoftPLC程序設計

1） SoftPLC配置

根據系統的要求，對SoftPLC的I/O地址進行分配。可以通過兩種方式來設置I/O地址：一是，使用“I/O MAP editor for SoftPLC”程序來設置I/O地址；二是，通過 FTP將 SPLC-2內C:SOFTPLCRUN目錄下的FAMA.ISO文件刪除后重新上電，系統會自動生成新的I/O映射表。

2）梯形圖設計

船舶主機遙控物理仿真模擬器的功能比較復雜，涉及的器件繁多。為了實現系統的各種邏輯功能，必須對梯形圖進行合理的設計。以集控室和駕駛室之間主車鐘的校對控制為例，在備車狀態下進行主車鐘的校對，駕駛室主機控制臺上把主車鐘手柄推從“STOP”位至其他不同的車鐘檔位，發出聲光報警。然后，集控室主機控制臺上將主車鐘手柄推至對應的檔位進行應答，警報消除。在各檔車令校對正常后，在駕駛室內將主車鐘手柄放在“STOP”位，集控室內也將主車鐘拉回“STOP”位。集控室和駕駛室之間主車鐘的校對控制程序流程圖如圖2所示。

3 組態監控的設計過程

3.1 組態軟件PIMS簡介

船舶主機遙控物理仿真模擬器選擇組態軟件PIMS作為開發平臺。PIMS 組態軟件融合了先進的數據接口技術，先進的通訊技術，現場總線技術以及網絡技術。組態軟件PIMS具有以下功能特點：

1）實時多任務：例如，數據處理與算法實現、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務在同一臺計算機上同時運行。

2）強大的畫面顯示組態功能：組態軟件PIMS提供給用戶豐富的作圖工具。

3）提供了良好的人機交互界面：它可提供各種圖形工具、參數組態界面等，使系統功能易于實現，從而加快了系統開發速度。

4）豐富的功能模塊：提供豐富的控制功能庫，滿足用戶的要求。

5）良好的開放性：擁有龐大的驅動程序庫，支持多種不同的硬件設備和通訊協議。

6）實時數據庫功能：實時數據庫是PIMS系統的數據處理核心，用作管理系統的數據處理，同時為PIMS的其它組件提供數據服務。

3.2 組態軟件功能設計

1）構造數據庫變量

為了實現邏輯控制的功能，在組態軟件中必須進行程序的編寫。而在編寫程序之前必須定義程序中用到的變量，根據變量的不同性質可以定義為數據庫變量、中間變量等。變量的數據是用來描述工控對象的狀態[2]。組態軟件 PIMS擁有自帶的點組態數據庫，將所有的I/O變量在點組態數據庫中進行定義。這些 I/O變量與下位機SoftPLC對應的變量相關聯，可以實現數據的讀取和寫入，即可以在上位機上實現系統的監控[3]。

圖2 集控室和駕駛室之間主車鐘的校對控制程序流程圖

2）設計人機界面

人機界面是人機交互的平臺，利用 PIMS軟件來創建友好的人機交互界面。首先進行畫面組態的設計。在組態軟件PIMS中繪制出逼真的畫面。這些畫面生動、形象，使整個系統操作更加人性化。例如：安保系統的監控畫面如圖3所示。

其次，建立動畫連接。畫面組態是一些靜止的畫面，要實現動態效果必須進行動畫連接。

圖3 安保系統監控畫面

3) 與SoftPLC進行數據通訊

要實現上位機對下位機進行監控，就必須完成組態軟件PIMS與SoftPLC之間的通訊。采用Modbus通用協議通訊方式，使用TCP/IP網絡連接。在組態軟件PIMS中定義I/O設備，即設置設備名稱、設備地址、主機地址等等參數。將組態軟件PIMS中定義的I/O變量與定義的I/O設備相關聯，從而實現與SoftPLC之間的通訊。

4）運行和調試

對系統進行測試，檢查其能否實現船舶主機遙控模擬器所需的各項功能。下位機在運行時，查看各個監控畫面，確保每一個控件顯示正確。在上位機上進行操作，看下位機能否按要求實現相關的動作。模擬器在組態軟件PIMS和SoftPLC共同控制下，安全穩定的運行。

4 結束語

本套模擬器采用SoftPLC作為系統控制的核心，提高了控制系統的準確性和穩定性，同時也加快了系統的響應速度。學員可以在操縱面板上進行相關科目的練習，達到培訓學員的目的；同時模擬器也可以作為對輪機員進行相關評估考核的設備。此外，組態軟件PIMS的使用，提高了系統的開放性，使系統的功能更加完善。

[1]王錫淮, 肖健梅, 鮑敏中. 船舶主機遙控仿真系統實時多任務軟件設計[J]. 船舶, 2002,(12).

[2]劉玉敏. 組態軟件中先進控制算法的開發[D]. 大慶石油學院, 碩士學位論文, 2005.3

[3]艾輝. 基于組態軟件的電梯監控系統的研究[J]. 中國電梯, 2005, (15).