基于PLC的貨艙進水報警控制系統的設計與實現

詹韌

(海軍裝備部駐廣州地區軍事代表局，廣東廣州510320)

0 引言

自20世紀以來，世界貿易自由化、經濟一體化和信息全球化進程的不斷加快，全球航運業得到了飛速的發展。隨之而來的，商船隊總噸位也不斷的提升，大型化、自動化和高速化的船舶陸續占據了商船市場，而且其中貨船的比重日益增加。目前，一些制造質量較差的船舶不斷下水，進行航運。這些船舶就船體本身來說，結構不合理、銹蝕嚴重，船體強度無法抵抗大風大浪的襲擊，存在著較大的安全隱患;另一方面，由于駕駛人員的失誤或操作技術不好，導致碰撞、擱淺、觸礁等情況時有發生，這將造成貨艙進水，小則影響貨物，大則沉船。因此，國際船級社協會(IACS)最新規定，所有單殼船的散貨船須加貨艙進水探測報警裝置。為了提高我國航運的安全性能，貨艙進水報警控制系統的研制就具有重大的意義，因此針對貨艙進水報警控制系統的研制就孕育而生。本文介紹的貨艙進水報警控制系統主要運用可編程邏輯控制器(Programmable logic Controller，PLC)為控制核心，建立完整的報警控制系統，對貨艙進行全面監控，以便在貨艙發生進水事故時及時報警。

1 貨艙進水報警控制系統組成

貨艙進水報警控制系統采用分布式探測、統一網絡集中處理模式，建立覆蓋全貨船的進水監控為目標，實現各貨艙進水報警控制等功能。

貨艙進水報警控制系統主要由信息處理、功能輸出、數據通訊三個模塊組成。信息處理，主要用PLC控制技術實現;功能輸出，由一個個功能模塊組成，它們用來處理輸出控制邏輯;數據通訊，由RS485通訊和CAN接口通訊組成，采用C語言實現。貨艙進水報警控制系統又通過軟件與硬件兩部分集合而成:硬件部分由水位探測器、智能接線盒、主控制器和遠程控制器組成;軟件部分主要分為系統控制、系統管理和數據輸出三部分組成。

1.1 硬件部分功能

1.1.1 水位探測器

水位探測器采用的是壓力傳感器，當它受到一定方向的機械力作用后，就會產生極化效應，處于帶電狀態;當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態，利用這種效應，達到探測水位變換的目的。

1.1.2 智能接線盒

智能接線盒主要由其內部的功能電路板、安全隔離柵和盒體等部分組成。智能接線盒將水位探測器傳輸回來的模擬量信號轉換成數字量信號，再通過內部總線傳送給主控制器。

1.1.3 主控制器

貨艙進水報警控制系統的主控制器主要由其內部的PLC模塊、觸摸屏、主機電源板、通信接口板和箱體等部分組成。監控器是整個裝置的大腦，它負責管理裝置中所配置的水位探測器和復示器，對水位探測器傳輸的信號進行不間斷的監測，按照設定的邏輯關系進行分析判斷，根據分析的結果及時輸出相關的信號，一旦發現貨艙內水位達到報警立即輸出報警信號，同時將報警信息以RS485通訊方式送至VDR(航行數據記錄儀)。

1.1.4 遠程控制器

當發生貨艙進水或故障報警后，可通過復示器實現延伸報警。

1.2 軟件部分功能

1.2.1 系統控制

系統控制主要是通過PLC軟件，對整個系統采集來的信號做出判斷，輸出相應的控制信號，達到報警控制的目的。

1.2.1.1 采集信號

信號的采集是整個系統信息的來源，當水位探測器探測到水位時，探測器輸出模擬量信號，在智能模塊接線盒內，通過A/D轉換軟件，將模擬量轉換為數字量，再輸出到回路的總線上，作為信息傳輸到主控制器內。

1.2.1.2 處理信號

當采集來的信息傳送到主控制器后，經過PLC軟件的處理，將采集的水位信號進行分析判斷，再輸出到回路的總線上，作為信息傳輸到主控制器內。

1.2.1.3 輸出信號

采集來的信息經過處理后，作為輸出信號，發送到相應的輸出設備中。

1.2.2 系統管理

系統管理是這個系統的主要功能，記錄所有系統的情況，包含:系統參數的設置、報警信息管理、系統維護。

1.2.2.1 系統設置

系統設置是保證系統運行的的基礎信息，每個系統都需要對自身的基本信息進行設定，以便能正確運行。

1.2.2.2 系統故障報警

系統故障報警是保證系統正常運行的的基礎信息，每個系統都需要對自身可能出現的故障進行預計。當故障發生時，能夠及時處理，使系統正常的工作。

1.2.2.3 系統維護

為了對系統基本信息進行維護，不能修改的信息不會顯示在維護列表中。

1.2.3 數據輸出

按照不同的需要將所要輸出的不同數據信息打印出來;打印信息含有:水位值、水位報警閾值、報警時間、報警地點、工程信息。

2 系統設計

本系統主要從外部設備和控制設備兩部分來進行設計。他們分別由各自的硬件和軟件組成，最終以用戶操作界面為融合點，將系統中的數據輸入、處理和進行控制。此外，系統的數據傳輸主要依靠RS485通訊和CAN總線來向外傳輸。

信息的采集由硬件電路組成，所采集的信息用匯編語言將其轉換為數字信號顯示到智能監視模塊的數碼顯示屏上，同時以RS485通訊協議的形式傳送給主機，主機內的系統控制模塊將接收到的信息經過PLC語言的處理，實現進水報警系統設計的所有功能。該系統采用組態軟件建立用戶操作界面，實現對系統設置的更改和操作。此外，系統所產生的控制信息通過硬件電路輸出到相連接的控制設備中。所有系統的操作通過CAN接口協議，向外傳輸到船上的集控設備，進行總體控制。

3 系統實現

3.1 硬件的實現

通過硬件電路的連接，完成系統前端數據的采集部分，并送往貨艙進水報警控制系統中的相應數據庫。

3.2 軟件的實現

3.2.1 模擬信息轉換為數字信息的實現

在系統前端設計的智能接線盒上設置了3位數碼顯示管，用來顯示探測到的實際貨艙水位。

運用匯編語言將水位探測器探測到的水位模擬信號轉換成數字信號，并顯示在數碼顯示管上，便于及時觀察水位信息。

模擬信號轉換成數字信號的流程圖見圖1。

圖1 模擬信號轉換成數字信號流程圖

3.2.2 PLC控制的實現

本系統利用PC機作為上位機，用SIMATIC300軟件編輯PLC語言對系統基本功能進行編輯，初步實現了硬件與軟件的前端交流，使得系統能正確的獲取外部硬件電路中所采集到的實際數據，經分析后能準確做出處理。

3.2.3 水位數碼顯示的實現

本系統將從水位探測器探測到的信號，通過數碼顯示管，以直觀的數字顯示的形式顯示在智能接線盒的3位數碼顯示管上。

3.2.4 信息記錄的實現

船用信息記錄儀，與飛機上的“黑匣子”的功效是一致的，是可以提供船只在大海上神秘失蹤的重要線索的特殊裝置。本系統中所涉及的信息記錄儀是將貨艙進水報警控制系統在整個運行工作中發生的所有的信息進行記錄。信息記錄儀程序流程圖如圖2所示。

圖2 信息記錄儀程序流程圖

3.2.5 系統通訊接口的實現

貨艙進水報警控制系統的通訊主要有內部通訊和外部通訊兩部分組成。

內部通訊主要是主控制器內部信息的傳遞，在主控制器操作界面可以進行網絡參數的設置和網絡映射，以達到主機與其余各復示器直接的通訊。

外部通訊則主要是以RS485的通訊協議的形式，將本系統所有的信息定時的上報到貨艙集控室的航行數據記錄儀(VDR)上。該航行記錄儀不同于主控制器內部的信息記錄儀，它不僅記錄了主控制器上進行操作和顯示的所有信息，同時還能記錄回路中各個探測點的監測信息，即便在沒有任何事故發生的情況下，它也能定期向集控系統預報運行正常的消息，以保證對本系統的實時監控。

4 結語

貨艙進水報警系統是由水位探測、進水報警管理、系統管理等多項功能構成的，其中探測器及系統信息的管理應用功能在該系統中尤為關鍵，不僅使系統功能完整，科學高效，還為促進貨艙進水報警控制系統國產化起到重要作用。

貨艙進水報警控制系統的建立，可實現全船貨艙的進水監控，為船員提供了監視控制平臺，可方便快捷的根據實際情況進行判斷和處理，縮短解決遇難問題的時間，提高船舶的生命力。

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