基于PLC S7-200的船舶艙室進水監(jiān)控系統(tǒng)的研究

胡苓苓

（武漢生物工程學(xué)院機電工程系，武漢 430415）

近年來，世界海難事故不斷發(fā)生，船舶在整個運營期間，由于惡劣海況或者操作失誤等諸多原因使得船舶發(fā)生破損、碰撞、擱淺、觸礁等惡性事故不斷發(fā)生。特別是隨著《國際海上人命安全公約》的制定，大量的海損事故使人們認(rèn)識到船舶破艙后報警、堵漏以及排水工作的重要性。

以往在國內(nèi)船舶的運行當(dāng)中，機艙內(nèi)都安裝有大量的液位變送器，搭配綜合控臺的顯示報警儀表完成監(jiān)測工作，當(dāng)艙室進水后報警儀表產(chǎn)生報警，由船員發(fā)現(xiàn)后再采取應(yīng)急堵漏與排水措施，這樣往往錯過了最佳的堵漏與排水時間。本文介紹一種采用PLCS7-200對液位進行監(jiān)控以及起動三速電機排水的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在盡可能的減少硬件連接的基礎(chǔ)上，對監(jiān)控過程采取程序控制。使用PLC SIM5.3仿真軟件的反復(fù)試驗，系統(tǒng)控制精度高、可靠性強。

1 控制過程要求

艙室高度為5m，安裝有投入式液位變送器，它可將被測介質(zhì)的表面壓力轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓（0～5V）或者電流信號（4～20mA），直接投入水中即可讀取變送器末端到液位頂部的高度。

PLC S7-200中的模擬量輸入模塊可以很方便的讀取液位上升的實時高度，當(dāng)艙內(nèi)液位高于4m時產(chǎn)生報警并同時起動三速電機，電機帶動抽水泵抽走艙內(nèi)的液體，PLC S7-200根據(jù)艙內(nèi)液位高度的不同隨時可以改變?nèi)匐姍C的運行狀況，及時改變抽水泵的工作情況。報警產(chǎn)生的聲音可以提醒操作人員采取必要的措施，及時堵漏。

2 系統(tǒng)硬件配置

本系統(tǒng)中 PLCS7-200采用 CPU224為處理核心，S7-200系列PLC提供多種具有不同輸入輸出點數(shù)的CPU模塊和數(shù)字量、模擬量I/O擴展模塊等供用戶選擇，除此之外，它還配備有許多專用的特殊功能模塊，例如輸入/輸出模塊、熱電偶模塊、熱電阻模塊以及通信模塊等等，便于PLC的功能得到進一步的拓展。

液位高度通過投入式液位變送器產(chǎn)生4～20mA直流電信號直接送入PLCS7-200的模擬量輸入模塊，模塊可以很方便的將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供PLC讀取。在PLC S7-200中4～20mA的模擬量對應(yīng)于數(shù)字量6400～32000，這樣0～5m對應(yīng)于數(shù)字量6400～32000，得到實時高度的計算公式為

為了節(jié)省I/O點的數(shù)量。節(jié)約投資，本系統(tǒng)對I/O點接線進行優(yōu)化組合，試驗功能的轉(zhuǎn)換采用一個節(jié)點起兩個節(jié)點的作用，使PLC工作在兩種方式下。PLC系統(tǒng)接線與I/O模塊連接分別如圖1、圖2所示。

圖1 PLC系統(tǒng)接線圖

圖2 I/O模塊連接

PLC S7-200輸出端主要用來控制三速電機的起停，進而控制水泵的抽水速度。圖3所示為控制系統(tǒng)的主電路圖，圖中分別用1C、2C、3C分別代表三個繼電器的常開觸點，輸出端Q4.2、Q4.3、Q4.4分別控制繼電器的通斷，ZC為主干路通斷開關(guān)，用來進行過載保護，在任意一條支路中串入電流表，可以很方便讀取系統(tǒng)工作時的電流值，方便對系統(tǒng)進行監(jiān)測。

圖3 主干路電氣連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制程序流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。三速電機是否開始工作完全取決于液位傳感器讀取得到液位高度的實時值，根據(jù)數(shù)字量來判斷后續(xù)的操作步驟。

當(dāng)液位達到最大高度的設(shè)定點的時候，PLC S7-200發(fā)出指令用來起動電機，并將電機轉(zhuǎn)速控制在第三速，同時打開報警裝置，通知操作人員采取堵漏措施；若液位未達到最大高度設(shè)定點，則傳感器繼續(xù)監(jiān)測，PLC S7-200不發(fā)出任何指令。

起動電機第三速時，艙內(nèi)液位明顯下降，此時PLCS7-200判斷艙內(nèi)液位是否達到中間液位設(shè)定點。若達到，則電機改為第二速運行，減緩抽水速度，同時也可防止電機高負(fù)荷運行，節(jié)約電能；若未能達到中間液位設(shè)定點，此時電機仍處于第三速檔位。

由于堵漏措施的得當(dāng)，艙室內(nèi)液位高度繼續(xù)下降，若此時液位高度達到最低液位設(shè)定點，起動電機第一速，將報警裝置關(guān)，解除報警。

圖4 系統(tǒng)流程圖

當(dāng)液位高度已經(jīng)達到最低設(shè)定點，PLCS7-200起動內(nèi)部定時器，電機繼續(xù)以第一速帶動水泵將艙室內(nèi)剩余的液體抽干。

3.2 PLC主程序梯形圖

圖5 PLC主程序梯形圖

4 系統(tǒng)試驗結(jié)果

利用PLC SIM5.3對控制系統(tǒng)進行仿真，其仿真結(jié)果如圖6所示。輸入側(cè)IB 0一欄中第0位為最低液位設(shè)定允許開關(guān)，第1位為中間液位設(shè)定允許開關(guān)，第2位為最高液位設(shè)定允許開關(guān)，第3位為實時液位輸入允許開關(guān)，第5位為復(fù)位允許開關(guān)。

圖6 PLC SIM5.3仿真結(jié)果圖

輸出側(cè)Q4的第0位為報警裝置開，第4位為電機第三速開關(guān)。模擬量輸入模塊讀取液位高度為4m，此時大于等于PLCS7-200設(shè)定的液位最大高度點，輸出側(cè)Q4的第0位、第4位同時得電，電機第三速起動并且打開報警裝置，用來提醒操作人員進行必要的堵漏措施。

輸出側(cè)Q4的第1位為報警裝置關(guān)，第2位為電機第一速開關(guān)。模擬量輸入模塊讀取液位高度為2m，此時小于等于PLCS7-200設(shè)定的液位最低高度點，輸出側(cè)Q4的第1位、第2位同時得電同時得電，并且起動定時器T0，定時器定時時間結(jié)束后電機停止運行，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。（PLCSIM5.3沒有“位”操作標(biāo)注功能，由于截圖比較小，在不影響論文整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇在論文中用“Q4第0位”等來標(biāo)注仿真界面內(nèi)的不同位）

利用PLC SIM5.3仿真完畢后，將圖5所示的主程序?qū)隤LC S7-200，按照圖2的接線方式依次將PLCS7-200的各個觸電與三速電機的主繼電器連接。最后將PLC S7-200以及電機同時上電后試車運行。

圖7所示為利用電子示波器實際測量得到的三速電機運行時單相電壓波形圖，從圖中可以很直觀的讀取到單相電壓峰—峰值為380V，單相頻率為50Hz。波形較穩(wěn)定，諧波很小，三速電機拖動水泵進行抽水作業(yè)，水泵抽水較為平穩(wěn)。

5 結(jié)論

圖7 電流表實測波形圖

試驗證明，基于PLC S7-200的船舶艙室進水監(jiān)控系統(tǒng)有效地彌補了以往監(jiān)測報警儀表只能監(jiān)測報警而不能主動控制的缺點，能夠迅速反應(yīng)、及時解決因各種事故造成的船舶艙室進水問題，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，控制精度較高。

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