基于Elecworks的S7-1200/1500船舶泵浦管理系統的應用

李云逸

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基于Elecworks的S7-1200/1500船舶泵浦管理系統的應用

李云逸

（上海海事大學商船學院，上海 201306）

針對現代船舶泵浦自動控制的要求以及特點，設計高性能的泵浦管理系統。在重點論述PLC控制單元中，選用西門子公司最新的S7-1200/1500PLC作為核心控制器。并以Elecworks作為制圖軟件，完成對泵浦管理系統原理圖與S7-1200/1500PLC圖紙的設計。該系統可以更好的實現泵浦故障時主備用泵的自動切換與順序起動，提高泵浦系統自動控制的準確度及診斷能力，使其更加安全可靠。

ElecworksTM船舶泵浦 S7-1200/1500PLC 自動控制

0 引言

Elecworks? 是一款新型的設計軟件，普遍使用于在工業電氣自動化的項目設計中。其在繪制原理圖之前可呈現項目的設計思路，掌握項目的整體規劃。Elecworks?操作簡捷，設計時不用掌握任何特殊快捷命令。同時擁有更加智能化的工具菜單指導用戶設計，無論項目大小，允許多個電氣工作者同時設計于同一項目。目前，在Elecworks?的各版本中沒有西門子S7-1200/1500 PLC的符號與設備型號，通過Elecworks?設計可使用戶在以后的設計中快速簡單的插入西門子S7-1200/1500PLC，自動生成PLC圖紙，縮短用戶的設計時間。西門子S7-1200/1500 PLC在系統性能方面具有顯著的提高，功能強大，擁有快速的信號處理能力。船舶電氣設備的控制中，泵浦的控制管理是主要內容之一，目前泵浦的自動控制系統仍多采用繼電接觸器控制或者其他低端PLC控制，不僅維修不方便，而且可靠性差。而西門子S7-1200/1500PLC的聯網能力更強，診斷能力和安全性更高，不僅可節約成本，提高生產效率，而且安全可靠，維護簡單方便[7]。

1 Elecworks?的優勢及其PLC的設計

Elecworks?將設計師從重復的勞動中解放出來，讓設計師更加專注于設計與創新。原理圖的設計首次采用智能布線方式，以及國際標準符號庫幫助設計師更高效的繪制圖紙。其中包括自動生成PLC圖紙與清單表，例如端子表，接線表，設備清單，電纜表，圖紙清單等。一鍵式自動生成PLC圖紙，利用宏方式生成回路。同時還支持多人協同設計同一項目，并且圖紙數據可以實現實時更新。根據工程的需要，圖紙的不同結構，靈活的選擇設計PLC的范式，通過關聯宏的自動生成PLC圖紙，或通過動態插入的范式設計PLC圖紙，節約大量的設計時間。

與傳統Auto CAD畫圖軟件相比，Elecworks?實現企業的標準化、模塊化、集成化，適應全球信息化的發展。

1） 標準化。包括標準的設計流程，設計規范，

標準的符號庫，準確的設備庫，讓電腦智能提示減少錯誤率，實現多語言自動轉換。

2）模塊化，集成化。可以與ERP集成，進行部門溝通，與PDM，PLM集成進行圖紙管理。同時還可與與機械、結構方面集成，實現機電一體化。

Auto CAD在繪制PLC過程中流程混亂，在繪制PLC時沒有I/O表，根據工程的進展要求，不斷添加I/O地址及說明，容易出現錯誤。同時圖紙結構中包含大量的PLC圖紙，回路結構相似，但卻需要花費大量的時間繪制。

Elecworks?設計S7-1200/1500PLC的流程圖如圖1。設計PLC時，一方面需注意的是Elecworks?設備管理器中，部件欄必須填寫S7-1200/1500的供貨號，并且用戶根據需要可在回路端子中添加多個數字量或者模擬量的輸入/輸出回路。另一方面Elecworks?可以直接從“PLC輸入/輸出清單”中復制地址及說明到I/O管理器中，并且每個回路可選擇關聯相應的宏，極大的節約了設計時間。最后將設計好的PLC建立為宏，在以后的設計中以便隨時調用。

2 西門子S7-1200/1500PLC的特點

西門子S7-1500 PLC模塊尺寸相比于S7-300稍大，機架類似于S7-300，前連接器安裝時具有接線位置，并提供專門的電源元件和屏蔽支架及線卡，使接線更方便，可靠性更高；特別是是CPU上配置有LED顯示屏，可方便顯示CPU狀態和故障信息等。其功能強大，集可編程邏輯控制器、通信模塊、博途編程軟件、工控組態軟件、觸摸屏等于一體。在系統性能方面，西門子S7-1500 PLC性能強大以及擁有快速的信號處理能力，大大縮短了響應時間，加強控制能力。并且設計有高速背板總線，具有高波特率和高效的傳輸協議[8]。位指令的最快運行時間可縮短到10納秒之內。S7-1500所有CPU集成1-3個PROFINET接口，可實現低成本快速組態現場級通信和公司網絡通信，而S7-300/400PLC只有個別型號CPU才集成有PROFINET接口。模塊集成有自我診斷功能，在博途軟件中不需要編程，當有故障產生時，該功能可迅速的判斷受影響的通道，最大限能的減少停機時間，這是S7-1200/1500PLC所獨有的功能。

在現場工藝方面，以SIMATIC S7-1500西門子PLC為例，標準化的運動控制功能使其與眾不同。Profidrive是基于Profibus與Prifinet兩種通訊方式的驅動技術，也是自動化控制應用中的一種協議框架，Profidrive可以實現用戶對驅動的控制更方便，更快捷。在S7-1500中模擬量和Profidrive兼容驅動不需要其它模塊就可以實現直接連接，支持速度和定位軸，以及編碼器[3]。TRACE功能不僅使用戶程序和運動控制應用診斷的精準性更高，同時還使驅動裝置的性能更穩定。此外，西門子S7-1500 還支持所有CPU變量的TRACE功能，提高了調試效率的同時優化了驅動和控制器的性能。為了實現對控制器快速高效的調節，用戶可以使用Trace功能，對程序和動作應用進行實時診斷，從而優化驅動[3]。

在工業信息安全方面，為幫助用戶確保應用安全，訪問保護功能可以防止對未經授權應用的配置修改，還能通過給不同等級的用戶分配相應的授權級別來實現保護功能，專有的數據校驗機制可識別修改過的工程數據，從而實現例如保護通過未授權操作傳輸到控制器的數據等功能[5]。

相對于設計人員S7-1500PLC的組態和編程效率更高，信息采集和查看更方便。由于S7-1500PLC是無縫集成到TIA博途軟件中，無論是硬件組態、網絡連接和上位組態，還是軟件編程，其操作均簡單快捷。而S7-300/400PLC專用組態編程軟件為STEP7，上位組態軟件為WinCC，相對于TIA博途軟件，其操作顯得繁瑣。對于S7-1500，可通過PLC上CPU顯示屏、TIA博途和人機界面設備實時查看CPU狀態、過程變量和故障信息等。而對于S7-300與S7-400 PLC，由于CPU模塊沒有顯示屏，各種狀態信息的查看也沒有S7-1500PLC方便。

圖1 Elecworks?設計S7-1200/1500PLC的流程圖

3 船舶泵浦管理的S7-1200/1500系統

隨著船舶電氣技術和計算機技術的日益發展與成熟，現代船舶的主要泵，分油機等設備大多采用PLC作為控制系統的核心。而西門子S7-1200/1500PLC在船舶泵浦管理中可以發揮更大的作用。現代船舶船用泵浦管理系統主要包括泵浦的自動控制，自動切換，分級投入（順序啟動）以及分級卸載。在現代化無人機艙中重要的泵浦除了機旁操作以外，主要的遙控操作與自動運行方式位于集控室的主控制臺或主配電屏的計算機液晶控制觸摸屏、以及組合起動屏上[4]。當正在自動運行的泵出現故障時，運行泵的備用泵可以自動起動并且自動切換；各組泵依據PLC事先設定好的起動順序重新自動起動。船用泵浦管理系統的流程圖如圖2所示。

3.1 大功率負荷投入管理（重載詢問功能）

在船舶工況下偶然使用大功率負荷，如壓載泵、消防泵之類的大功率負荷投入管理，只需在發電機運行機組臺數的管理程序基礎上增加幾條指令即可。納入重載詢問功能控制的電動機有允許起動信號指示燈，該指示燈亮，說明電站功率裕量夠用，該電動機可以啟動[1]。

重載詢問功能是指大功率負載投入電網時，PMS首先分析電站容量是否滿足啟動條件[9]。

當在大功率負荷泵啟動箱上按下啟動按鈕，這一啟動信號不是送入控制箱內的控制電路，而是送入PMS的（重載啟動詢問信號只是一對觸點）。PMS計算當前電網總負荷加上準備投入運行的大功率負荷，若不超過運行發電機組的最大負荷率，則大功率負荷立即啟動運行；若當前負荷超過發電運行機組所能承載的最大負荷率，則備用發電機組立即啟動，待備用機組投入電網運行且負荷分配后，才由PMS發出允許啟動這一大功率負荷指令和指示，此后大功率負載可以啟動并投入運行，這可避免在網發電機過載[1]。

3.2 泵浦組合起動屏

船舶大部分泵的起動控制采用新穎的組合起動屏形式，并且每個起動屏安裝一臺電動機的起動控制單元及其元器件[10]。組合起動屏中配置了一個特殊的PLC控制單元，S7-1500 PLC采用新型的背板總線技術使安裝在屏內的起動控制單元能與計算機控制系統建立通信聯系，可以在觸摸屏上實現對泵起停控制。PLC的輸入/輸出電路可接收泵浦的液位信號及壓力控制信號[6]。

3.3 泵的自動切換和順序啟動

3.3.1 泵的自動切換

當泵浦系統出現故障以后，PLC可以根據壓力或者液位信號的變化自動切換備用泵。

在三種情況下備用泵將會自動切換起動：運行泵電動機過載、突然失電以及運行泵出口壓力下降。1)當運行泵電動機過載時，熱過載繼電器的常閉觸點斷開，PLC接收到電機過載的信號，立即停止運行泵，PLC根據設計程序起動備用泵。2)正在運行的泵突然失電停止運行，備用泵自動啟動，當電源恢復后原運行泵成為備用泵[4]。3)運行泵的出口壓力下降：在運行泵正常工作期間，泵的出口壓力由壓力繼電器監測，當出口壓力低于設定值時，壓力繼電器斷開[2]。在泵的運行期間由于某種原因泵的出口壓力下降到設定值以下，并持續兩秒以上時，壓力繼電器將出口壓力降低信號傳送至PLC控制屏，此時運行泵立即停止并起動備用泵。

3.3.2 泵的順序啟動

當由于特殊原因使電網失電后，導致所有泵浦停止運行，當電網恢復供電以后，為了限制每次起動的電流值，防止起動時電網的瞬時壓降過大或恢復時間過長，因此按照泵浦的重要性排好先后次序，按照其啟動電流大小分組，然后按程序逐級啟動，防止電網超負荷[2]。

4 結論

船舶機艙環境復雜，機艙設備長期處于高溫，噪聲，振動等惡劣條件下工作。采用基于Elecworks?的S7-1200/1500PLC泵浦管理系統可實現對機艙泵浦的優化控制，此系統不僅有效的避免因外界環境干擾所造成泵浦的誤操作，還大大提高控制系統的可靠性。更加智能化的Elecworks?不僅縮短了工程師設計圖紙所花費的時間，而且支持CAD用戶查看圖紙。同時泵浦的自動控制與切換，分級投入與卸載功能與傳統的控制系統相比較其穩定性得到很大改善，其獨有的自診斷能力使泵浦管理系統更加強大，而且也節省了整個控制箱的空間，其維護也更加方便。

[1] 張桂臣. 現代船舶電站[M]. 大連:大連海事大學出版社, 2012.

[2] 鄭華耀. 船舶電氣設備及系統[M]. 大連:大連海事大學出版社, 2011.

[3] 西門子PLC控制器SIMATIC S7-1500[J]. 自動化博覽, 2013, (3):17.

[4] 王瑞云. 基于PLC控制的船用泵組的自動切換系統分析[J]. 船海工程, 2012,41(6).

[5] 西門子推出新一代面向中高端應用的高性能PLC控制器[J]. 自動化博覽, 2013, (8):66-66.

[6] 王寧. PLC在船用泵組合啟動控制系統中的應用[J].科技信息: 學術研究, 2007, (26): 297-298.

[7] 劉長青. S7-1500 PLC項目設計與實踐[M]. 機械工業出版社, 2016.

[8] 王時軍. 零基礎輕松學會西門子S7-1200[M].機械工業出版社, 2014.

[9] 徐昭, 吳志良. 基于S7-1200 PLC的船舶電站并車裝置的設計與實現[J]. 船電技術,2014, (11):13-15.

[10] 張辰, 俞萬能. 基于PLC的船舶空氣源熱泵供熱水控制系統研發[J]. 船電技術, 2016, (03):14-17.

Application of S7-1200 / 1500 Ship Pump Management System Based on Elecworks

Li Yunyi

（Merchant Marine College of Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

U664

A

1003-4862（2017）07-0010-05

2017-02-25

國家自然科學基金《船舶多類型電源集成管理及最優控制策略研究》（編號51179102）；中國博士后科學基金《船舶電站能效優化MIMO協同控制算法的研究》（編號2012M520710）

李云逸（1993-），男，碩士研究生。研究方向：電氣自動化。