基于可編程控制器與觸摸面板的船舶艙室環境監控系統設計

萬 濤，張海艷

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著船舶技術的發展，局部艙室環境參數的采集、監視和執行機構的人為手動操作已無法滿足現代船舶自動化的要求。對新型船舶環境控制系統而言，要求實現艙室環境參數的實時采集、集中監測、數據通信、故障報警、診斷和自動控制功能。

可編程控制器 (PLC)作為一種在可靠性和通用性方面均優于單片機的新一代控制器，已被廣泛應用于各行各業。它具有強大的運算和處理能力、使用方便靈活，并具有較高的穩定性和可靠性，可以很好地滿足現代船舶自動化程度的要求。此外，伴隨著PLC發展而產生的觸摸面板，則是專為PLC設計開發的一種人機界面產品，憑借其強大的顯示和操作功能，簡單和靈活的開發方法以及高度的系統集成性被廣泛應用于工業、船舶和軍事等控制領域。

1 系統功能

艙室環境監控系統是船舶系統的組成部分，它是維持船員正常生活，設備正常運行的重要系統。船舶艙室是一個有限的密閉空間，空間內的大氣環境不斷受到油、水、霧，以及各種含有害氣體成分揮發物的污染，當有害氣體濃度達到某一極限值后，會對人員的正常生理活動造成極大危害，而且影響設備的正常運行。因此，實現船舶艙室大氣環境系統的集中監控，具有十分重要的意義。此次構建的船舶艙室環境監控系統主要可實現以下功能:

1)信號采集功能。多測點、多類型參數是船舶環境控制系統參數的主要特點。該系統主要采集全船重要部位的空氣溫度、相對濕度、氣體組分濃度和系統相關設備的運行狀態信號。

2)顯示功能。在友好的人機界面上實時顯示被監測參數和系統重要設備的運行狀態參數。

3)故障報警和診斷功能。提供被監測參數的越限報警和系統故障的診斷報警功能。要求一旦發生誤操作和系統故障報警時，一方面限制誤操控制指令的發出，保護系統設備的安全運行，另一方面提供誤操作的信息提示和故障原因分析，指導船員執行正確的操作并及時排除故障。

4)控制功能。根據系統指標要求，實現系統設備的自動控制功能，以維持重要環境參數在一定范圍內。

5)通信功能。利用先進的通信技術，實現系統內的數據共享和對外的信息傳輸。

然而，在以上功能的基礎上，系統的復雜性和功能的多樣性對監控系統提出了更高的要求:

1)提供顯示的信息量大，內容豐富，種類繁多。

2)實時性要求高，能正確快速地反映系統的靜態和動態特性。

3)顯示畫面要求清晰直觀，人工操作合理、簡單，畫面元素布局合理、層次感強。

4)提供實時的動態系統流程圖以及故障報警診斷信息和誤操作提示信息。

5)按照數據類型、系統和設備分類對數據進行歸納和劃分，提供不同種類數據的分畫面顯示和相互關聯數據的鏈接和調用。

6)提供與下層控制設備的硬件驅動和數據信息的交換。

7)人－機界面設備要求滿足船用環境要求和電磁兼容性要求，且具有較寬的環境適用性和較強的抗電磁干擾性。

2 系統硬件組成

監控系統的硬件構架如圖1所示，整個系統通過工業以太網構成數字通信網絡［1］。按照分布式控制系統的一般模式，可將整個系統分為現場層、控制層和管理層。各種傳感器、變送器 (主要包括溫濕度變送器、溫度控制器等)和執行器作為底層的現場部件，負責采集系統的重要環境參數，并將其轉換成為標準的電信號輸出，同時接收控制層發出的控制信號。數臺可編程控制器配置多種功能和信號模塊，與觸摸面板配合使用作為中間層，主要負責接收由底層傳感器件發送來的各種標準電信號，對接收到的輸入信號進行相應的A/D和D/A轉換，并執行相應的控制功能，最終向上提供以太網通信數據信息，向下輸出控制信號。在特定部位設置監控臺作為管理站/數據終端，實現對整個系統的運行狀態監視，并根據系統參數統一對相關設備進行遠程遙操或自動控制。

圖1 系統框架Fig.1 The system frame

位于中間層的控制層由PLC和觸摸面板組成，其作用一方面負責采集、運算和處理傳感器信號，完成就地顯示，同時還通過以太網通信模塊相互傳遞數據，并將參數統一發送至頂層管理站進行集中顯示。各工作站之間通過以太網接口連接，實現局部系統數據的互交。鑒于本系統的特點和系統配置要求，選擇西門子公司的中型可編程控制器S7－300系列中的CPU314C－2DP，作為工作站的核心運算控制部件，MP277系列中的10英寸觸摸面板作為工作站的人機界面。

S7系列可編程控制器是西門子公司繼S5系列取得成功后，推出的新一代高性能可編程控制器。它在運算性能、穩定性、可靠性以及通信功能方面都有很大程度的提高，能夠滿足小型、中型和大型自動化監控系統的需要。此外，它還提供了更為方便和靈活的軟件開發工具STEP 7。CPU314C－2DP主要性能指標如下［2］:

1)輸入電源:(20.4～28.8)VDC。

2)I/O配置及擴展:集成24點DI(數字量輸入)、16點DO(數字量輸出)，5點AI(模擬量輸入)和2點AO(模擬量輸出)。可擴展3個機架，每個機架可配置8個功能模塊 (除機架3只能配置7個模塊外)。

3)通信接口:2個RS－485串行物理通信接口。接口1是MPI接口，用于與編程器、PC/PG或HMI的通信連接;接口2用于DP主－從的通信連接。

4)數據后備:不使用電池，需要外插程序存儲卡。

在功能模塊的配置上，選用最大輸出電流5A的電源模塊PS307，用以提供PLC和部分外部執行機構的DC24V工作電壓;配置多個SM331(8通道模擬量輸入)模塊，負責采集由傳感器輸出的4～20mA電流信號和Pt100鉑電阻信號，該模塊可通過外部跳線進行輸入信號類型 (電壓、電流或電阻)和量程的選擇;配置以太網通信模塊CP343－1，用于實現以太網數據通信功能。

西門子公司最新推出的MP277系列觸摸面板作為工作站的人機界面，通過MPI電纜與可編程控制器的CPU模塊連接進行數據交換。該系列觸摸面板顯示內容豐富、直觀，操作方便快捷，除了具有強大的畫面編輯、報警提示和觸摸操作功能外，還提供了與核心控制器的無縫通信連接，便于用戶進行二次開發。其主要性能指標如下:

1)64位RISC中央處理器、2M內存 (可通過CF卡進行外部擴展)。

2)彩色STN液晶顯示器 (LCD)，640×480分辨率，256色。

3)內置Microsoft Windows CE操作系統，可定義多達300個畫面、4000條消息、2048個變量的操作對象。

4)提供與其他廠家的PLC的連接方式，如支持與Omron Hostlink/Multilink、三菱FX系列的接口。

5)具有IP65的防護等級和很強的抗沖擊、振動和耐壓能力。

此外，配置了可編程控制和觸摸面板的控制裝置具有較強的穩定性和抗電磁干擾能力，能夠在各種惡劣的環境條件下使用。

3 軟件開發

PLC控制系統之所以得到廣泛的應用，最大原因在于它使得硬件設計成為一種搭積木式的便捷開發過程。設計人員在縮短硬件發開環節的同時，可以更多的將時間和精力投入到軟件設計中。本系統軟件由可編程控制器軟件和觸摸面板軟件2部分組成，分別在各自的專用軟件開發環境STEP 7和WinCCflexible中進行設計和開發。

1)PLC軟件設計

可編程控制器程序設計采用的是結構化的程序設計方法，由初始化模塊、信號處理功能模塊、故障報警/診斷功能模塊、控制功能模塊、以太網通信功能模塊組成。各功能模塊之間相互獨立、順序執行，之間不存在調用和轉移。其中，某些功能模塊的結果會影響其他功能模塊的執行結果。具體的程序關系如圖2所示。

圖2 PLC軟件流程Fig.2 The PLC software flow chart

STEP 7是目前世界上使用最為廣泛的自動化軟件之一，用于SIMATIC S7－300/400 PLC、SIMATIC C7、ET200和軟PLC SIMATIC WinAC的編程和系統的組態。它包含了自動化項目從啟動、實施到測試及維護的每個階段所需要的全部功能。在STEP 7的各功能組件中，最常用的是程序編輯器，它提供了基于IEC61131－3標準的多種程序編輯語言——LAD(梯形圖)、FBD(功能模塊)和ST(結構文本)。用戶可以根據自身的編程習慣或系統功能的實現類別來選擇不同的編程方式。在滿足一定格式要求的前提下，編程環境可自動實現不同編程語言間的相互轉換。

2)觸摸面板軟件設計

觸摸面板的程序是基于Windows系統的圖形編程，它借助于Windows操作系統和文字及圖形化的“可見即所得”的編程方式，在安裝于個人PC上的WinCCflexible編程環境中設計開發出各種監控畫面、控制軟按鈕、消息和事件，最終編譯完成后下載至觸摸面板。觸摸面板上電即運行，通過變量與PLC建立連接。觸摸面板的軟件運行流程如圖3所示［2］。

圖3 觸摸面板軟件流程Fig.3 The touch panel software flow chart

圖4 控制程序流程圖Fig.4 The control program flow chart

4)通信功能

整個船舶艙室環境監控系統的數字化通信體現在多臺工作站 (PLC)之間、工作站 (PLC)與管理站(PC)以及單臺工作站內部PLC與觸摸面板之間。

①工作站之間采用的工業以太網通信方式，遵循UDP協議。其相互發送自身的數據，同時接收對方的信息。

②每臺工作站通過以太網通信接口，向管理站發送自身的數據，同時接收由管理站下達的控制指令。

③單臺工作站內部，PLC與觸摸面板之間通過MPI(Multipoint Interface)接口相互交換數據，實現畫面內容的實時更新與軟觸摸操作指令的下達。

4 結語

可編程控制器和觸摸面板在大型船舶環境控制系統中的應用，成功實現了船舶環境控制系統的集中監控，大大提高了控制系統的實時性、一致性和自動化水平，在優化船員戰位的同時還降低了船員的工作強度，為船舶電氣和機械設備的安全、穩定和連續運行提供了有利的條件。

［1］王延堯.以太網技術與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2005:10－16.WANG Yan-yao.The technology and application of ethernet［M］.Beijing:Posts＆ Telecom Press，2005:10 －16.

［2］SIMATIC S7－300 CPU31xC和 CPU31x技術數據［Z］.西門子自動化有限公司.The technology datum of SIMATIC S7－300 CPU31xC and CPU31x［Z］.SIMATIC Automatization Corporation.

［3］用戶手冊.WinCCflexible如何組態基于Windows的系統［Z］.西門子自動化有限公司.User Manual-WinCCflexible:How toconfigurationthe system based on windowsp［Z］.SIMATIC Automatization Corporation.

［4］蔣煥新，趙琳.PLC和觸摸屏在包裝機控制系統中的應用［J］.輕工機械，2005(3):95－96.JIANG Huan-xin，ZHAO Lin.The application of PLC ＆ PT to packing machine control system［J］.Light Industry Machinery，2005(3):95 －96.

［5］崔堅.西門子 S7可編程控制器——STEP7編程指南［M］.北京:機械工業出版社，2007:4－8.CUI Jian.SIMATIC S7 programmable logic controller——STEP7 programme manual［M］.Beijing:China Machine Press，2007:4 －8.