船舶液位測量與閥門遙控系統的應用

朱逸銘 潘萬欣

摘 要：本船舶液位測量與閥門遙控系統主要由下端的數據采集模塊和PLC控制模塊以及上位機組成。上位機界面主要采用Visual Basic語言來編寫。利用Lonworks現場數據總線將信號采集模塊采集到的模擬或數字信號全部轉換成可用數字信號傳送給上位機。通過RS485將上位機與PLC模塊相連，由PLC送出信號驅動現場的電磁閥，通過控制電磁閥箱內的電磁閥的通斷，換向，改變介質（液壓油）走向來驅動閥門的轉向，達到閥門開關的目的，從而達到船舶油水的換路，增加船舶的自動化程度。

關鍵詞：液位測量；閥門遙控；VB技術；Lonworks傳輸模式；PLC控制；RS485數據傳輸

緒論

隨著全球經濟的一體化進程加速，世界各國的貿易往來越來越頻繁，而航運業在其中扮演著舉足輕重的地位。正是對船舶的依賴性日益加劇，造成了使用者對船舶的安全性，穩定性及實用性等提出了更高的要求。船舶的智能化成為一種必然的選擇。基于這種剛性需求，我們認為有必要對船舶的液位測量和閥門遙控系統作出技術改進。

1 原理

利用性能較好的傳感器，將物理量精確的轉換成4-20mA的電流信號。基于對底層A/D數據轉換模塊的信號采集，通過Lonworks數據總線將底層的數字信號傳送至上位機，通過人機交互界面，達到遠程監控船舶各個艙室及污水井等水位情況。通過RS485的數據傳輸，將上位機發出的控制命令傳達給PLC，用PLC去控制電磁閥，利用液壓最終驅動閥門，達到船舶壓載油水的目的。

2 相關技術介紹

2.1 傳感器的選用。傳感器是把被測量轉換為與之有確定對應關系的，便于應用的某種物理量的測量裝置。傳感器有以下指標：量程指標，靈敏度指標，精度有關指標，溫度指標，可靠性指標及其他指標。

針對民用船舶測量精度要求不是非常高，考慮價格和實用等因素，可選用壓電式壓力傳感器。它是以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質的表面上產生電荷，從而實現非電量測量。主要用于各種船舶的壓載艙，燃油艙。精度0.5%～0.125%。

特點：壓電式傳感器具有響應頻帶寬，靈敏度高，結構簡單，工作可靠，重量輕等優點。

2.2 Lonworks數據總線傳輸技術。在控制系統中，Lonworks是通用的控制網絡技術。其網絡協議完全開放，通信不受通信介質的限制。Lonworks技術的核心產品之一是它推出的Lonworks神經元芯片，它是Lonworks技術在控制端的基本組成。固化了負荷OSI標準的Lontalk通信協議，使它具有強大的通信功能，控制功能，自診斷功能和I/O功能。Lonworks技術在雙絞線情況下，適用于長距離大范圍的信號采集和數據傳送。Lonworks技術的整個系統結構主要包括：Lonworks節點和路由器，Lonworks協議，Lonworks收發器和Lonworks網絡等組成部分。

圖1 Host Base節點的結構框圖

在人機界面中顯示實時測得的數據，必要時可以通過LonTalk協議編寫報文傳輸給二次儀表，使用更為直觀，帶屏蔽的雙絞線可以隔離信號干擾等，這些都是Lonworks能夠保證系統穩定工作的特點。

2.3 A/D轉換技術（信號采集模塊）。本系統采用的A/D轉換器不僅僅只是穩定快速的轉換信號，還必須采用帶TOSHIBA3150神經元芯片的CPU作為處理器適用于Lonworks通信系統。我們采用的信號采集模塊負責采集傳感器信號；對信號進行數模轉換計算處理；把數據傳送到人機界面或其他單元。應用模塊化，在維修時可直接更換解決問題，大大縮短維修時間。為了適用于Lonworks總線，數據處理單元還必須將轉換后的數字信號滿足LonTalk的報文規則，且必須每個采集模塊都必須設置自身的節點號，即模塊地址。

2.4 RS485傳輸技術。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。用戶可以建立自己的高層通信協議，如MODBUS協議完成設備互聯。這樣一來，船上的設備可以自帶一個數據處理終端，將本設備所需的被測量編寫進MODBUS協議，僅通過一對雙絞線將上百個被測量點傳送給其他系統。大大節省了電纜，也給船廠施工人員和調試人員減少了很多工作量。還可以和船舶的其它系統相連。

2.5 VB程序編寫技術。本系統采用VB程序編寫，最大的優勢在于它的易用性，可以讓經驗豐富的程序員或是剛剛懂得皮毛的人都能用自己的方式快速開發程序。而且VB的程序可以非常簡單的和數據庫連接。VB使用了可以簡單建立應用程序的GUI系統，但是又可以開發相當復雜的程序。

2.6 PLC編程技術。PLC為船級社認可的船用產品。且在市場上被認為是穩定，性價比較高的產品。PLC程序下載只需要一根通訊線，在現場修改程序非常方便。集成了MODBUS總線，可直接連接到總線上。編程軟件比較容易上手。

西門子S7-200系列PLC可應用于各種自動化系統，可以使用專業編程軟件對PLC進行程序編寫。通常S7-200用于200點開關量以內，35點模擬量以內，程序量在16K以內的應用場合。

3 需求分析

要做出一個優秀的系統，首先應該進行需求分析，才能令設計出的監控系統滿足用戶的各項功能。

首先，最基本的功能應該能夠把需要監測的各個燃料油艙，吃水撓度等主要數據傳送到上位機上，供船員遠程監視。其次，閥門遠程控制系統要求用戶能夠在遠離閥門的位置（控制室）對閥門進行遠程控制，對于開關閥必須能夠開關到位，對于開度閥，必須能夠滿足船員的要求在0%-100%范圍內調節。開關閥門的位置反饋信息必須在上位機側準確顯示。每條船舶都必須根據船體設計，在上位機上正確地反映出船舶的MIMIC圖，船舶在哪些位置有傳感器，哪些位置有遙控閥，海水淡水的進出管路等信息。使船員能夠真正安心的在控制室里了解船舶實時運行情況。最重要的是系統接收的數據誤差不能過大，系統必須穩定長期運行，系統設置的報警點準確，萬一系統出現癱瘓必須有明確的提示，以避免船員因系統癱瘓顯示的假數據導致船舶發生重大事故。

4 詳細設計

本系統最重要的設計分2個部分：（1）上位機的VB程序編寫。（2）遙控閥功能實現的PLC程序編寫。

5 結束語

本系統設計的核心在于PLC程序的編寫和上位機人機對話界面的程序編寫。其他硬件方面均可以直接采用市場上比較成熟的產品。具以下優點：（1）規范性：整個系統的各種軟件、硬件均應符合相關的國際、國內標準及船舶所入船級社技術規范標準等。（2）開放性：可以將我們采集到的信號和發送出去的命令，同時傳送給機艙監測報警系統，VDR設備等船舶其它系統。（3）先進性：先從模仿進口產品的設計和使用理念開始，不斷改進船員在使用系統過程中提出的要求，更新產品。從而保證系統在技術上領先。（4）擴展性：軟件、硬件平臺具有良好的可擴充、擴展能力，能夠方便進行系統升級和更新。（5）經濟性：產品自主化，可大大降低設備后續的維護及修理費用。

參考文獻

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[3]周擼.基于Lonworks與.NET技術的智能大廈設計實現[M].

[4]邵鵬鳴.Visual Basic.NET面向對象程序設計——基礎、設計、實現與應用程序開發[M].機械工業出版社.

作者簡介：朱逸銘（1987-），男，上海市人，助理工程師，主要從事船舶自動化系統研究。