船舶過程測量采集控制系統的開發與應用

余海燕，陳新輝，孟海波

(1. 蒸汽動力系統實驗室 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 中冶南方（武漢）自動化有限公司，湖北 武漢 430205)

摘 要: 船舶運行過程中，重要的運行參數信息需要進行測量、采集和顯示，同時作為控制系統的輸入參與控制。本文通過采用 NI 硬件板卡平臺和基于 LabVIEW 的軟件平臺，開發 1 套船舶過程測量采集控制系統，能實時、可靠地完成參數的過程測量、采集、顯示和控制，同時經過工程應用證實系統的可行性。

船舶過程測量采集控制系統的開發與應用

余海燕1，陳新輝2，孟海波1

(1. 蒸汽動力系統實驗室 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 中冶南方（武漢）自動化有限公司，湖北 武漢 430205)

摘 要: 船舶運行過程中，重要的運行參數信息需要進行測量、采集和顯示，同時作為控制系統的輸入參與控制。本文通過采用 NI 硬件板卡平臺和基于 LabVIEW 的軟件平臺，開發 1 套船舶過程測量采集控制系統，能實時、可靠地完成參數的過程測量、采集、顯示和控制，同時經過工程應用證實系統的可行性。

過程測量；采集；控制；LabVIEW

0 引 言

目前，在船舶運行過程中，為減少船員勞動強度和誤操作，需要提高各回路系統操作的數字化程度和自動化程度[1]，需要實現回路系統的過程參數測量、采集、顯示、報警和自動控制，同時為了事故后分析，還要對重要參數進行存儲。本文提供的船舶過程測量采集控制系統具備對回路系統和設備的運行、操作提供過程參數測量、顯示和控制，為設備的運行狀態顯示及安全操作提供手段。

1 系統總體設計

船舶過程測量采集控制系統完成數據的采集、轉換、顯示、存儲以及實現對二回路泵閥手動或自動控制等，主要由電源、工控機和顯示器、NI 采集控制系統（含 1 個主機箱、3 個擴展機箱以及由 6 種采集模塊如模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、鉑電阻輸入模塊、數字量輸入輸出模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸出模塊）、8 口交換機、操作開關、按鈕、指示燈及蜂鳴器等組成，采集的信號主要有溫度信號，壓力、壓差、真空信號，轉速信號和調節閥開度及其他信號；工控機及液晶顯示器完成參數顯示及存儲功能；臺屏操作開關主要完成對二回路就地執行機構的遙操控制；指示燈主要是二回路就地執行機構的一個狀態反饋，紅色指示燈代表閥位全關，綠色指示燈代表閥位全開；蜂鳴器完成參數報警功能。

過程測量采集控制系統的原理圖如圖 1 所示。

1.1 測量

過程測量采集控制系統測量的參數如下：

1） 溫度信號。主要通過鉑電阻溫度計進行遠傳溫度測量，返回的是三線制的鉑電阻信號；

2） 壓力、真空信號。主要通過 3051 壓力變送器進行測量，返回的是 4～20 mA 電流信號；

3） 壓差信號。主要通過 3051 壓差變送器進行測量，返回的是 4～20 mA 電流信號；

4） 轉速信號。都是機組或者泵自帶的轉速測量裝置進行測量，送出的為頻率信號或者自身轉換后的電流信號。

1.2 采集

船舶過程測量采集控制系統主要是通過以下 4 種采集模塊完成對所有信號的采集：

1） 鉑電阻輸入模塊完成鉑電阻信號的采集，主要是采集溫度信號；

2）模擬量輸入模塊完成對 4～20 mA 標準電流信號的采集，主要采集包含壓力、壓差、真空、調節閥開度等信號；

3）數字量輸入輸出模塊完成對頻率信號的采集，主要是采集轉速信號；

4）數字量輸入模塊完成對開關量信號、報警信號、狀態信號的采集。

1.3 顯示

工控機通過 8 口交換機接收底層數據信息，在液晶顯示器界面上進行顯示。操作人員通過參數顯示界面了解實時參數信息，可以通過閥門調節界面和泵閥聯鎖控制界面輔助進行二回路系統和設備的調節及控制。

1.4 報警

船舶過程測量采集控制系統測量、采集和顯示的參數一共有 143 路參數，對于涉及到控制的重要參數設置有越限報警功能，當屏幕參數超過上限或者低于下限時，屏幕能使參數紅色突出顯示，同時蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。

1.5 控制

船舶過程測量采集控制系統主要涉及二回路凝給水系統、乏汽壓力系統、循環水系統的調節閥控制以及滑油系統和調節油系統泵的聯鎖控制。下面以冷凝器水位調節閥的控制為例進行說明。

冷凝器水位調節閥需要具有遠程遙操和自動控制功能，通過冷凝器水位調節閥工況選擇開關（遙操、自動）進行控制方式的選擇。

1） 遠程遙操：通過在臺屏上布置的冷凝器水位調節閥遙操開關進行遠程操作，當操作開關置于“開”位時，冷凝器水位調節閥開度增大；當操作開關置于“關”位時，冷凝器水位調節閥開度減小；

2） 自動控制：通過控制器采集冷凝器水位、冷凝器水位調節閥開度進行計算后，輸出 4～20 mA 電流信號到冷凝器水位調節閥執行機構的控制信號輸入端，來調節冷凝器水位調節閥開度，以使冷凝器水位維持在正常范圍。

2 系統硬件設計

船舶過程測量采集控制系統硬件上主要由直流電源、工控機、液晶顯示器、NI 系列產品（CPU 控制器、主機箱、以太網擴展機箱、模擬量輸入模塊、熱電阻輸入模塊、高速數字量輸入輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸出模塊）、8 口交換機、操作開關、指示燈、按鈕和蜂鳴器等組成。硬件系統組成如表 1 所示。

船舶過程測量采集控制系統硬件框圖如圖 2所示。

表 1 過程測量采集控制系統硬件組成表Tab. 1 Hardware composition of process measuring acquisition and control system

2.1 直流電源

電源采用 500 W 24 V 20 A 的直流電源，將輸入的AC 220 V 電源轉化為 DC 24 V 電源，給NI各功能模塊供電和給臺屏的閥位狀態指示燈供電。

2.2 工控機和顯示器

工控機選用研華（中國）有限公司生產的工業控制計算機，并配備 17″液晶顯示器，用于參數顯示和存儲。

2.3 NI 系統

美國國家儀器公司（NI）[2]幫助測試、控制、設計領域的工程師解決了從設計、原型到發布過程中遇到的種種挑戰。通過現成可用的軟件，如 LabVIEW，以及高性價比的模塊化硬件，NI 幫助各領域的工程師不斷創新，在縮短產品問世時間的同時有效降低開發成本。

2.4 8 口交換機

用于連接 8 槽可配置嵌入式機箱和 3 個 8 槽擴展機箱之間的以太網通信，進行底層數據交換，工控機通過 8 口交換機接收底層數據，用于屏幕參數顯示和參數存儲。

2.5 操作開關和指示燈

本系統包含 19 個開關和 22 個指示燈。操作開關主要指調節閥操作開關，完成對二回路就地執行機構的遙操控制；指示燈主要是二回路就地執行機構的一個狀態反饋，紅色指示燈代表閥位全關，綠色指示燈代表閥位全開。

3 系統軟件設計

本系統軟件選用美國國家儀器（NI）公司研制的LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）軟件進行開發。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言的開發環境[3-5]，是由 NI 公司開發的程序編譯平臺，可以支持 Windows，Linux，UNIX 等多種操作系統。憑借著獨特的圖形化編程語言，不但可以極大的縮短軟件的開發周期，而且為軟件的維護提供了方便，此外，LabVIEW 平臺還具有多種控件類型，可以完成自定義控件的設計[6-7]，促進了軟件的人機交互界面設計，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所應用，是一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW 的虛擬儀器功能非常強大，虛擬儀器是一個按照儀器需求組織的數據采集系統，廣泛應用于計算機數據采集和數字信號處理領域。

3.1 系統功能設計

軟件設計是整個系統設計的核心[8]，軟件設計部分采用層次化和模塊化實現，將整個系統劃分若干模塊，模塊化的程序結構不但使整個系統清晰明了，而且方便進行程序維護，基于 LabVIEW 的數據采集系統軟件結構如圖 3 所示。該系統軟件部分包含了系統啟動、系統菜單、測量參數顯示 1、測量參數顯示 2、測量參數顯示 3、乏汽壓力調節、汽封供汽壓力調節、左冷凝器水位調節、右冷凝器水位調節、閥、泵聯鎖控制、查看歷史數據等 11 個功能模塊。

3.2 系統界面設計

本文針對 11 個功能模塊分別開發了相應的界面。

1）系統啟動界面

系統啟動界面主要是運行執行程序以后，進行各功能模塊的正常上電自檢，同時進行網絡連接的自檢；

2）系統菜單及各功能界面

系統菜單軟件界面為扁平結構，具有測量參數顯示 1、測量參數顯示 2、測量參數顯示 3、乏汽壓力調節、汽封供汽壓力調節、左冷凝器水位調節、右冷凝器水位調節和閥、泵聯鎖控制 8 個選項卡，分別對應8 個界面。

選項卡界面如圖 4 所示。單擊各個選項卡能顯示相應軟件界面。

測量數據分為 3 個軟件界面顯示。其中“測量數據顯示 1”主要為 4～20 mA 電流類型模擬量輸入信號，“測量數據顯示 2”對應鉑電阻模擬量信號，“測量數據顯示 3”對應開關量輸入信號。

當有重要參數（乏汽總管壓力等）測量值超過預設定的上、下限范圍時，該參數顯示背景將變成紅色閃爍狀態。對于參數量程、上下限值可以通過修改EXCEL 文件進行重新設定。

軟件界面中“乏汽壓力調節”、“汽封供汽壓力調節”、“左冷凝水位調節”和“右冷凝水位調節”為相應過程參數的 PID 自動調節。可進行 PID 調節參數的設定以及過程參數調節狀態的顯示。

3）查看歷史數據

在“測量數據顯示 3”界面上方有打開數據記錄文件路徑選擇及確定按鈕。

船舶過程測量采集控制系統已經成功應用于完成船舶二回路系統及設備的參數測量、采集、顯示、控制。

4 結 語

船舶過程測量采集控制系統能夠完成二回路系統和設備的參數測量、采集、顯示和控制，減少就地測量儀表及就地參數顯示，為設備的運行狀態顯示及安全操作提供手段。此系統也可應用于其他領域的過程測量采集控制。

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Development and application of ship process measuring, acquisition and control system

YU Hai-yan1, CHEN Xin-hui2, MENG Hai-bo1
(1. Laboratory on Steam Power System, Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. WISDRI(WUHAN) Automation Company Limited, wuhan 430205, China)

Important operational parameters need to measure, acquire, display in the process of ship operation, and to control as the input of the control system. This article adopts NI software modules and LabVIEW software, and develops the ship process measuring, acquisition and control system, it can complete the parameters' process measuring, acquisition, display and control reliably and real-time. It verifies the system's feasibility through the engineering's application.

process measuring；acquisition；control；LabVIEW

TB47

A

1672 - 7619(2017)02 - 0121 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.024

2016 - 04 - 26；

2016 - 05 - 31

余海燕(1981 - )，女，高級工程師，主要從事核動力裝置控制工作。