淺析PLC的工作原理及其在船舶上的使用

陳新華 印愛榮 張丹秋

（江蘇兆勝空調有限公司，江蘇 泰州225400）

0 引言

PLC即可編程序控制器，主要優點為可靠性高、便于使用、設計花費周期短等，因此在我國各個行業中被廣泛應用，例如鋼鐵、水泥、機械加工以及紡織等。PLC主要由硬件與軟件構成，硬件部分主要包括電源、中央處理器、I/O單元（輸入/輸出）、內部儲存器以及編程器等，軟件則主要包括主板上各個I/O管理系統及操作系統。先要將所需系統的編程工作做好，而后將其放置于PLC的內部存儲器中，一旦系統啟動便會自動運行，且該運行具有反復性。對于PLC而言，其主要工作方式即循環掃描，每當系統內部出現一個狀態改變就需要經歷一個掃描周期，其時間一般在幾到幾十毫秒之間。PLC的整個控制流程為：內部處理—通信—輸入—執行—輸出。通過此流程將輸入時所獲信號予以加工處理，而后再將其送至輸出環節，從而對設備的正常工作運行發揮指揮之效。

1 PLC的工作原理

PLC的工作階段主要包括輸入采樣、執行程序以及輸出刷新。

1.1 輸入采樣階段

在此階段，PLC會將收集到的所有信號拷貝于映像寄存器中，在此過程中要注意遵照其順序，而后便進入執行程序階段。在此階段即使輸入狀態產生了調整或者改變，寄存到映像寄存器中的所有內容與信號都不會發生變化，而輸入狀態若是出現變化，則只有在下個周期開展PLC的工作時才會被讀入映像寄存器中。

1.2 執行程序階段

在此階段PLC主要是按照梯形圖的方式編寫程序，而后遵照先左后右、由上至下的順序進行掃描。掃描內容若為指令，則所需的元素例如輸入狀態等會由映像寄存器予以讀出處理，并將其執行結果拷貝到元素映像寄存器中。所有元素在映像寄存器中的內容都會隨著執行程序的不斷變化與發展而作出改變。

1.3 輸出刷新階段

當PLC系統執行完程序后便會進入輸出刷新階段，這時PLC會將元素映像寄存器所使用的狀態送至輸出鎖存器，從而形成PLC的實際輸出。在第二階段，對于輸出鎖存器而言，其狀態是固定不變的。

以上即PLC的工作原理，每重復一次，就代表一個新的掃描周期。PLC的工作周期不僅包括上述3個階段，嚴格來說還應該有自我監控、信息交換以及系統通信等環節。

2 PLC在船舶上的使用

PLC是一種將計算機技術與自控技術結合在一起的工業產品，其具備微型計算機的邏輯運算能力、信息傳輸能力以及處理數據能力，當下已經廣泛地應用于工業領域。其在船舶中的應用主要體現在電站控制系統、冷卻水智能控制系統以及航向控制系統中。

2.1 PLC在船舶電站控制系統中的應用

由于傳統的船舶電站自控系統存在可靠性低、線路復雜以及維修難度大等缺點，且當前對于我國船舶而言，其電站系統都能夠體現自控性，但控制系統卻大同小異，無非就是繼電器與電子電路這兩種。而這兩種系統缺點都較為明顯，因此為了實現船舶的自動化控制，并提升其安全系數與可靠性能，便在電站控制系統中引入了PLC。

PLC在該系統中的主要職責在于控制發電機組的啟動與停止，并且還要處理機組出現的故障、調節頻率、控制并聯運行狀態與機組數量以及管理大功率負荷等。其采用了CPU模塊，主要用于采集、處理輸入信號與變換、執行輸出信號。同時在PLC內部還能夠實現PID計算，其指令處理速度快并且豐富多樣，運算能力較好。由于具備上述功能，PLC能夠對船舶電站進行總體與邏輯控制，因而完全能代替上述兩種傳統的控制系統，使機組故障率大幅度降低。

2.2 PLC在船舶冷卻水智能控制系統中的應用

PLC船舶冷卻水智能控制系統主要包括以下內容：

（1）PLC控制器。主要功能在于接收與處理源于水泵溫度傳感器的信號（淡水溫度、海水溫度），將其與給定值相比并通過合理計算后，將控制信號發送至調節閥與海水泵。

（2）雙速海水泵與淡水調節閥。該設備能夠有效調節流入、流出的淡水及海水的量，同時還能夠保證其溫度的穩定性，實現期望值。

PLC應用于冷卻水智能控制系統的主要原理為：

（1）若系統遭受擾動，例如負荷發生變化、海水溫度出現變化等，將使中央主機中的冷卻水與給定值相差甚遠。

（2）PLC控制器會對比測量值與既定值，從而得到偏差值并形成信號。PLC再對其進行精密計算，將控制信號傳送至電動執行器。

（3）該執行器會自動調節三通閥，一直到冷卻水的溫度恢復至原始狀態。

（4）在該系統中海水泵有著重要作用，并且數量較多，能夠依據三通閥的位置以及海水溫度合理調節海水流量，從而滿足各個負荷水平下的要求。

2.3 PLC在船舶航向控制系統中的應用

過去對船舶航向進行控制時主要是應用PID舵，其一旦周邊出現高頻干擾就極為敏感，需要頻繁操舵，因而無法自主適應船舶所具備的特性與海水情況的變化，而一般的航舵自控系統具有成本高、參數難以調節、控制效果變化幅度大的缺點，同時對數學模型具有較大的依賴性。而一般而言，要想使數學模型具備高精確性是極其困難的，因此在該系統中引入PLC能夠有效解決傳統控制系統中電子元件由于使用時間長出現老化、舵機故障出現率高、保養維修費用高等問題。

基于PLC的船舶航向控制系統中主要使用的PLC硬件平臺為S7－200，而后應用專門的軟件來編程。同時還采用了CPU模塊，實現了PID功能。該系統所能連接的擴展模塊高達7個，由于PLC設計是模塊化的，這也就為擴展提供了諸多接口。在該系統中有船舶操舵儀，PLC在其中具備以下功能：PID自整定功能；船舶若偏航則自動報警；限幅；調節反舵角、壓舵角、靈敏度、天氣、航向等；對游隙機構予以補償。由此可見，在船舶航向自控系統中應用PLC具備很大的適應性，能夠管理PID參數，在對自動舵進行調節時動態與靜態性能均較為優良。同時，應用PLC可靠性較高，還能減少船舶保養維修費用，并使操作更加簡便。

3 結論

綜上所述，將PLC應用于船舶中具備諸多優點：

（1）PLC應用于電站控制系統能夠提升整個電站控制系統的穩定性，替代傳統控制系統，避免由于繼電器使用時間過長致使系統故障經常發生的情況。

（2）應用于冷卻水智能控制系統則能夠使該系統達到預期精度標準與提升抗干擾能力，減輕其敏感性。

（3）應用于航向控制系統能夠提升該系統的可靠性、減少維修管理成本并簡化操作。

除上述幾種系統之外，PLC還在船舶機艙實時監測報警、主機遙控、機艙風速調節以及鍋爐控制等系統中有所應用，由此可見，其應用范圍較大且未來發展前景較好。

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