基于PLC控制器的采礦船監(jiān)控系統(tǒng)

陳 巧，吳登云

（北車(chē)船舶與海洋工程發(fā)展有限公司，上海 201206）

基于PLC控制器的采礦船監(jiān)控系統(tǒng)

陳 巧，吳登云

（北車(chē)船舶與海洋工程發(fā)展有限公司，上海 201206）

采礦船PLC控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主站與從站的數(shù)據(jù)交換和分布式控制功能，以可編程序控制器為處理核心，對(duì)采礦船各設(shè)備進(jìn)行安全控制和信息采集。介紹了SCADA軟件系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，SCADA軟件系統(tǒng)配合PLC控制系統(tǒng)對(duì)采礦船實(shí)施監(jiān)控，可使監(jiān)控界面直觀、使用方便。實(shí)踐表明，PLC控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高、監(jiān)控效果理想。

采礦船；PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；SCADA

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)工程船的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化是大勢(shì)所趨。因 PLC控制系統(tǒng)和SCADA軟件系統(tǒng)具有較高的可靠性及系統(tǒng)穩(wěn)定性，已成為工程船舶領(lǐng)域最主要的控制系統(tǒng)[1-2]。由于工程船需要控制的設(shè)備多，PLC采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)大大簡(jiǎn)化了控制接口，降低了成本。現(xiàn)今，在工程船領(lǐng)域PLC控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于挖泥船[3-4]。采礦船作業(yè)工況類(lèi)似于挖泥船作業(yè)工況，需實(shí)現(xiàn)移船、采礦、選礦等多項(xiàng)功能，控制較為復(fù)雜，因此，采礦船控制系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)化控制技術(shù)。

1 PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)方案中，PLC采用德國(guó) SIEMENS S7-300系列產(chǎn)品的軟件和硬件，主站中央處理器單元選用CPU317-2 DP，從站由4個(gè)ET200M從站、2個(gè)變頻器從站及9個(gè)多圈絕對(duì)型絞車(chē)編碼器從站組成。所有PLC通過(guò) PROFIBUS-DP總線構(gòu)成獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，PLC主站通過(guò)CP343-1通訊處理器模塊通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接至全船的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖1所示。

船的艏部采礦操縱臺(tái)設(shè)立PLC主站，PLC控制柜設(shè)立4個(gè)ET200M分布式I/O設(shè)備的PLC從站，通過(guò)PROFIBUS專(zhuān)用通訊電纜依次按照采礦室操縱臺(tái)、PLC控制柜順序把PLC主站和4個(gè)ET200M從站進(jìn)行總線連接構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。采礦室、移位室和集控室的遙控操縱臺(tái)采用硬線連接與PROFIBUS通訊相結(jié)合的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)它的控制和監(jiān)控設(shè)備與其對(duì)應(yīng)子站的I/O連接，達(dá)到遙控操作的目的，遙控操縱臺(tái)設(shè)有相應(yīng)的控制手柄、按鈕、報(bào)警燈、顯示儀表等。同時(shí)，采礦船絞刀控制、三纜定位、裝駁絞車(chē)、橫移絞車(chē)、橋架絞車(chē)等核心控制設(shè)立了現(xiàn)場(chǎng)就地控制箱，當(dāng)兩種控制命令同時(shí)發(fā)出時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

1.2 PLC控制系統(tǒng)

由集成監(jiān)控系統(tǒng)采礦工作站或傳統(tǒng)的操縱器件完成的基本動(dòng)作均可以通過(guò) PLC（可編程邏輯控制）網(wǎng)絡(luò)和PLC系統(tǒng)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)完全有能力完成這些任務(wù)。PLC控制系統(tǒng)輸入在PLC控制器內(nèi)，是控制系統(tǒng)的控制中心，控制軟件實(shí)現(xiàn)安全、可靠的控制，完成所有控制規(guī)則的實(shí)現(xiàn)[5]。本系統(tǒng)方案中，PLC每個(gè)模塊均具有獨(dú)立的電氣保護(hù)措施，PLC系統(tǒng)具有自檢功能，當(dāng)PLC網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)偵測(cè)故障點(diǎn)，并發(fā)出報(bào)警。

采礦系統(tǒng)PLC主站，安裝于采礦操縱臺(tái)內(nèi)，進(jìn)行邏輯判斷與指令下達(dá)。液壓系統(tǒng)和泵機(jī)PLC從站，安裝于PLC控制柜內(nèi)，負(fù)責(zé)采集及控制，液壓系統(tǒng)PLC從站實(shí)現(xiàn)液壓泵、閘閥、蝶閥、起橋絞車(chē)、橫移絞車(chē)、三纜絞車(chē)、裝駁絞車(chē)等設(shè)備的安全控制和數(shù)據(jù)采集，泵機(jī)PLC從站實(shí)現(xiàn)絞刀、水下泵、高壓沖水泵、舵槳裝置及其他輔助設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)采集。變頻器從站將運(yùn)行狀態(tài)反饋給PLC并進(jìn)行上位機(jī)顯示。絞車(chē)編碼器從站實(shí)現(xiàn)絞車(chē)的狀態(tài)監(jiān)視以及數(shù)據(jù)采集。

液壓站和變頻器從站由PLC主站控制，PLC主站完成所有與上位機(jī)和服務(wù)器的通訊，液壓站和變頻器的啟動(dòng)都需要滿(mǎn)足既定的聯(lián)鎖條件。液壓系統(tǒng)PLC從站接收采礦操縱室PLC主站發(fā)來(lái)的控制指令，通過(guò)I/O硬線連接控制液壓站按照不同的工作要求驅(qū)動(dòng) 9臺(tái)液壓絞車(chē)工作，而泵機(jī)PLC從站接收控制指令后，通過(guò)I/O硬線和 PROFIBUS通訊網(wǎng)絡(luò)控制各個(gè)變頻器按照不同的工作要求驅(qū)動(dòng)1臺(tái)泥泵電機(jī)、1臺(tái)絞刀電機(jī)、1臺(tái)高壓沖水泵電機(jī)、2臺(tái)舵槳電機(jī)和12臺(tái)選礦電機(jī)工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦船各設(shè)備的運(yùn)行控制。

2.系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 SCADA系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

SCADA不是完整的控制系統(tǒng)，而是位于控制設(shè)備之上，側(cè)重于操作、顯示、管理的純軟件。SCADA系統(tǒng)是監(jiān)控軟件系統(tǒng)，是基于數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。它能夠?yàn)橛脩?hù)提供豐富的監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)反映全部采礦設(shè)備的各種狀態(tài)，可對(duì)全船設(shè)備進(jìn)行可視化操作。采用SCADA系統(tǒng)，能節(jié)省許多機(jī)械觸點(diǎn)和PLC模塊I/O點(diǎn)，簡(jiǎn)化PLC設(shè)計(jì)電路，提高其直觀性。

本船SCADA軟件通過(guò)服務(wù)器與控制設(shè)備PLC相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。系統(tǒng)由兩臺(tái)互為冗余備用的服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及處理，服務(wù)器間可以相互通訊。SCADA軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)反映液壓控制系統(tǒng)、泵機(jī)控制系統(tǒng)的信息。當(dāng)采用 SCADA軟件進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖。控制命令聯(lián)鎖，即多臺(tái)計(jì)算機(jī)及主令同步按下控制命令時(shí)，系統(tǒng)校驗(yàn)命令的重復(fù)與沖突，防止相反的命令同時(shí)被執(zhí)行；分析控制命令過(guò)程是分析計(jì)算機(jī)控制命令的有效性，當(dāng)命令有效時(shí)，系統(tǒng)將命令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PLC，并反饋PLC的執(zhí)行情況供給上位機(jī)顯示用；PLC控制命令和計(jì)算機(jī)控制命令的解析可有效得防止沖突、震蕩的指令被執(zhí)行。

SCADA系統(tǒng)功能模塊包括登陸及權(quán)限控制界面、控制與監(jiān)視界面、故障診斷報(bào)警界面、系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面等。以圖2所示甲板絞車(chē)拋錨桿顯示界面為例，界面顯示了甲板絞車(chē)工作時(shí)橫移壓力、角度、速度、距離、絞刀深度、轉(zhuǎn)速、橋架速度及水下泵排壓等。橫移距離、角度、速度標(biāo)尺隨著相關(guān)數(shù)據(jù)的變化而填充不同的刻度值，橫移絞車(chē)的升降將進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

圖2 甲板絞車(chē)拋錨桿顯示界面

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

在采礦船監(jiān)控系統(tǒng)中，需要控制的設(shè)備較多，要實(shí)現(xiàn)的功能也較多，本系統(tǒng)采用S7-300PLC控制功能進(jìn)行分塊編程，以確保邏輯控制的準(zhǔn)確性及可靠性。這種編程方式使系統(tǒng)各個(gè)功能具有一定的獨(dú)立性及相互參考性，方便后期的系統(tǒng)維護(hù)。每個(gè)分塊程序的編寫(xiě)分為三個(gè)步驟，一編制邏輯程序流程圖（如圖3艉右錨絞車(chē)控制流程圖），二確定輸入變量、中間變量和輸出變量，三根據(jù)相關(guān)邏輯條件編寫(xiě)程序。

本系統(tǒng)功能程序主要分為液壓控制系統(tǒng)程序和采礦電氣設(shè)備及控制功能程序兩大類(lèi)。液壓控制系統(tǒng)程序包括液壓泵控制，泵流量控制，電磁閥控制，系統(tǒng)壓力、備壓設(shè)定，橋架絞車(chē)控制，橫移絞車(chē)控制，裝駁絞車(chē)控制以及艉三纜控制；采礦電氣設(shè)備及控制功能程序包括變頻器切換，變頻器調(diào)速，水下泵、1號(hào)舵槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制，絞刀、高壓沖水泵、2號(hào)舵槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制，選礦泵控制等功能程序。

以圖4 1#選礦變頻器控制程序?yàn)槔M(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。從圖4程序中可以看出，當(dāng)中間變量 M300.3、M324.4、M324.3、M606.1 的信號(hào)狀態(tài)全部為“1”，M324.1、M324.2和M606.2的信號(hào)狀態(tài)全部為“0”時(shí)，則置位存儲(chǔ)器位 M509.6，M424.0是“1”，1#精選變頻器起動(dòng)。無(wú)論 M300.3、M324.4、M324.3、M324.2、M606.1的信號(hào)狀態(tài)為“1”或?yàn)椤?”，只要 M324.1和M606.2任一變量的信號(hào)狀態(tài)為“1”時(shí)，將因順序關(guān)系執(zhí)行復(fù)位指令，復(fù)位優(yōu)先，則復(fù)位存儲(chǔ)器位 M509.6，M424.0是“0”，處于復(fù)位狀態(tài)。

圖3 艉右纜絞車(chē)控制流程圖

圖4 1#選礦變頻器控制程序

3.結(jié)論

經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了分布式控制，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)連接工作量和費(fèi)用，并提高了信號(hào)傳輸精度、靈活性和抗干擾性。本課題采用SCADA軟件系統(tǒng)配合 PLC系統(tǒng)對(duì)采礦船實(shí)施監(jiān)控，其監(jiān)控界面直觀，使用方便，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為后續(xù) PLC控制系統(tǒng)在工程船中的應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)意義。

[1]曾湘.試析 PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2011,30(22): 106-107.

[2]劉小春.SCADA自動(dòng)化軟件在電力系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用.制造業(yè)自動(dòng)化[J],2012,34(2): 48-50.

[3]龍紅剛,梁朝宇.基于PLC通訊網(wǎng)絡(luò)的絞吸式挖泥船集成監(jiān)視與控制系統(tǒng)[J].廣東造船,2011,(05): 58-61.

[4]楊明,柯常國(guó),陶勇.絞吸式挖泥船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2013,33(1): 43-46.

[5]西門(mén)子S7-300參考手冊(cè)[M].西門(mén)子（中國(guó)）有限公司.

Monitoring System Based on PLC Controller for Mining Vessel

CHEN Qiao,WU Deng-yun
(CNR Ship and Offshore Engineering Development Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

The function of data exchange and distributed control between the master and slave station is achieved with PROFIBUS-DP communication network in the PLC control system of mining vessel.Taking programmable controller as core treatment unit,the information collection and safety control are performed for the devices of mining ship.SCADA software system and PLC control system are introduced in this paper.The mining ship is monitored by SCADA software system in combination with PLC control system.The monitoring interface is intuitive and it is convenient to use.The practical application shows that the control system has stable performance,high reliability and ideal monitoring effect.

mining vessel; PLC; monitoring system; SCADA

TP273+.5

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.004

陳巧（1986-），女，工程師，碩士研究生，從事船舶自動(dòng)化控制工作。