3D船舶閥門遙控和液位遙測(cè)系統(tǒng)

羅 農(nóng)，陳小玉，李常青

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040；2.上海偉鴻機(jī)電設(shè)備工程有限公司，上海 200136）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，我國不斷需要建設(shè)港口、橋梁，半潛駁（船）這類大型工程船應(yīng)運(yùn)而生。特種工程船的閥門遙控和液位遙測(cè)系統(tǒng)是整船的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，因而對(duì)其性能及自動(dòng)化的要求較高。某10 000 t半潛船的閥門遙控和液位遙測(cè)系統(tǒng)的硬件先進(jìn)且高度集成、軟件高度優(yōu)化且實(shí)用，其擁有人性化電腦操作可視化界面和更加安全可靠的系統(tǒng)。本文介紹了此系統(tǒng)的硬件和軟件選型，該系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計(jì)、安裝，在實(shí)船上運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)硬件配置設(shè)計(jì)

閥門遙控和液位遙測(cè)系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程遙控計(jì)算機(jī)、模擬控制板（MIMIC）、中央處理器及采集模塊、電液式執(zhí)行器和液位傳感器組成[1-3]，如圖1所示。

1.1 電液式遙控蝶閥

電液式執(zhí)行器選用德國普萊格（Pleiger）EHS系列，EHS電液系統(tǒng)是一個(gè)集液壓和電子技術(shù)于一體，兼有兩種動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的電子液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電液式執(zhí)行器技術(shù)先進(jìn)、動(dòng)力大、安全穩(wěn)定，由于無需敷設(shè)液壓油管及接頭，所以具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)方便、泄漏少等優(yōu)點(diǎn)。此外，每個(gè)閥門都具有獨(dú)立的電-液單元，即使有一處損壞也不影響其他閥門的使用。通過更換備件可以快速解決故障，從而提高了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 閥門遙控液位遙測(cè)系統(tǒng)圖

EHS系列執(zhí)行器的自控系統(tǒng)包含了PVK線性驅(qū)動(dòng)頭及裝在驅(qū)動(dòng)頭上的電子液壓動(dòng)力單元。EHS驅(qū)動(dòng)頭由控制模塊EHS-CM控制。EHS-CM可以在本地控制，也可與通訊模塊連接實(shí)現(xiàn)電腦遠(yuǎn)程遙控。EHS電液式執(zhí)行器外形及原理如圖2所示。

圖2 電液式執(zhí)行器的外形圖及原理圖

1.2 液位傳感器

液位傳感器輸出4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，傳感器安裝于壓載水艙及四角吃水。液位傳感器的核心部件選用了霍尼韋爾傳感器（遲滯0.01%，精度0.5%）。這款WHYL-S型液位傳感器具備良好的耐腐蝕性、線性和遲滯性，其適用溫度范圍廣，特別適用于船舶壓載水艙液位測(cè)量及船舶四角吃水測(cè)量。

1.3 中央處理器及采集模塊I/O（安裝于采集箱）

中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊由近300多點(diǎn)數(shù)字量輸入、近70點(diǎn)模擬量輸入、71個(gè)閥門（39只開關(guān)閥，32只開度閥）的控制、2臺(tái)西門子中央處理器PLC315PN/DP及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊組成。PLC作為從站，采集模塊采用分離式站點(diǎn)，通過RS485接口連接，使用MODBUS RTU協(xié)議通訊。采集模塊選用8塊6ES7331模擬量輸入模塊、10塊6ES7321數(shù)字量開關(guān)量輸入模塊、5塊6ES7322數(shù)字量輸出模塊，模擬量模塊采集壓載艙的液位數(shù)值及閥門開度信號(hào)，數(shù)字量輸入模塊/輸出模塊控制閥門的開關(guān)及顯示閥門的運(yùn)行狀態(tài)。

1.4 電腦監(jiān)控機(jī)，模擬板控制

計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)基于PC，使用Windows 7操作系統(tǒng)、串行通訊接口及MODBUS RTU通訊協(xié)議，系統(tǒng)安裝閥門遙控及液位遙測(cè)系統(tǒng)船用監(jiān)控軟件。圖 3為計(jì)算機(jī)閥門遙控MIMIC控制板，閥門與管系一一對(duì)應(yīng)、液位測(cè)量與設(shè)計(jì)的艙室一一對(duì)應(yīng)，圖示清晰明了，便于操作。

圖3 閥門遙控系統(tǒng)MIMIC控制板

2 閥門遙控系統(tǒng)程序軟件設(shè)計(jì)

2.1 船用閥門遙控系統(tǒng)可視化軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)平臺(tái)基于 Windows 7操作系統(tǒng)，使用Visual C++語言進(jìn)行編譯程序設(shè)計(jì)[4]?？梢暬缑娌捎脤哟位?、模塊化設(shè)計(jì)。電液式閥門遙控系統(tǒng)由PLC邏輯控制器與電腦監(jiān)控機(jī)之間通過通訊電纜連接而成，電液式執(zhí)行器由液壓動(dòng)力單元、閥位指示器和控制模塊集成，通過電纜把電液式閥頭信號(hào)傳輸給電腦監(jiān)控機(jī)，電腦監(jiān)控機(jī)發(fā)出指令控制PLC，PLC接受指令后，控制遙控閥的開、關(guān)及閥門開度。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖 4所示菜單界面，就能看到軟件的功能。

圖4 閥門遙控液位遙測(cè)系統(tǒng)菜單

2.2 閥門遙控系統(tǒng)可視化軟件典型界面介紹

1）點(diǎn)擊菜單上的“壓載管系”（F8），界面上就會(huì)顯示壓載管系對(duì)應(yīng)的遙控閥，同時(shí)能顯示每個(gè)艙對(duì)應(yīng)的液位值，閥門遙控液位遙測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖 5所示。

圖5 閥門遙控遙測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控界面

2）點(diǎn)擊菜單上的“掃艙管系”（F9），界面上就會(huì)顯示掃艙管系對(duì)應(yīng)的遙控閥，閥門遙控掃艙管系遙控界面如圖6所示。

圖6 閥門遙控掃艙管系遙控界面

3 液位遙測(cè)系統(tǒng)程序軟件設(shè)計(jì)及液位傳感器采樣原理

軟件開發(fā)平臺(tái)基于 Windows 7操作系統(tǒng)，使用Visual C++語言進(jìn)行編譯程序設(shè)計(jì)[4]?？梢暬缑娌捎脤哟位?、模塊化設(shè)計(jì)。每個(gè)壓載水艙配置一個(gè)液位傳感器，液位傳感器通過壓力變送器感測(cè)液位的變化，并將壓力值轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA的輸出信號(hào)，信號(hào)傳輸給PLC后，由PLC發(fā)送給電腦監(jiān)控機(jī)，再通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)可視化，操作者可以通過可視化軟件觀察每艙的液位值和液位報(bào)警狀態(tài)。

吃水傳感器安裝在船的四角，吃水傳感器通過壓力變送器感測(cè)液位的變化，并把壓力值轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA的輸出信號(hào)，信號(hào)傳輸給PLC后，由PLC發(fā)送給電腦監(jiān)控機(jī)，再通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)可視化，操作者可以通過可視化軟件觀察四角吃水的數(shù)字，同時(shí)也可以觀察船舶縱橫傾及報(bào)警狀態(tài)。

液位遙測(cè)可視化軟件典型界面介紹如下。

1）點(diǎn)擊菜單上的“液位”（F5），界面就會(huì)顯示每艙對(duì)應(yīng)的液位值。液位高于艙高的95%時(shí)發(fā)出高報(bào)警，液位高于艙高的 98%時(shí)發(fā)出高高報(bào)警。液位遙測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立液位顯示界面如圖7所示。

圖7 液位遙測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立液位顯示界面

2）點(diǎn)擊菜單上的“吃水”（F7），界面就會(huì)顯示四角吃水、縱傾角度和橫傾角度。此外，通過分析前、后壓載水的艙容值，操作者可以掌握整船壓載水分布狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出聲、光報(bào)警時(shí)，船員不能再壓水，需要觀察實(shí)船情況再做下一步工作，以保障安全?！翱偱撊荨苯缑嫒鐖D8所示。

圖8 “總艙容”界面

3）點(diǎn)擊菜單上的“3D圖像”（F10），就能立體、直觀地顯示船舶動(dòng)態(tài)。船舶3D界面是使用當(dāng)今流行的3D動(dòng)態(tài)軟件設(shè)計(jì)的。3D圖像界面如圖9所示。

圖9 3D圖像界面

4 系統(tǒng)冗余和優(yōu)越性

船用閥門遙控系統(tǒng)采用電液式執(zhí)行器及模塊分離采集控制，通過電腦監(jiān)控機(jī)和MIMIC板兩種方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制冗余。電腦監(jiān)控機(jī)通過通訊線控制閥門的開關(guān)和閥門開度；MIMIC板通過硬線直接接入閥門遙控臺(tái)，通過旋鈕控制閥門的開關(guān)和閥門開度。如一種模式出現(xiàn)故障，可以用旋鈕切換到另一種模式。這種設(shè)計(jì)提高了安全性、可靠性。

船用液位遙測(cè)系統(tǒng)包含2套獨(dú)立的S7-CPU315 2 PN/DP，一臺(tái)CPU做主控，另一臺(tái)備用。正常情況下，主控 CPU用于執(zhí)行液位數(shù)值監(jiān)控及報(bào)警，備用 CPU僅用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。一旦主控CPU發(fā)生故障，則備用CPU自動(dòng)切換為主控CPU，主、備CPU在此過程中都存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性及安全性較強(qiáng)。

5 西門子PLC程序功能設(shè)計(jì)

編程軟件選用SIMATC Manager STEP7 VERSION 5.5，其編程功能塊、語句表、編程語言的邏輯縝密、語言簡潔[5]。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化通訊接口和標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議[6]。

PLC采用定時(shí)采集數(shù)據(jù)、循環(huán)嵌套的模式。PLC為從站，PC為主站，PC機(jī)接收PLC采集的數(shù)據(jù)（模擬量、開關(guān)量信號(hào)），PC可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)向 PLC發(fā)送指令，控制遙控閥的開關(guān)和閥門開度。在工況出現(xiàn)異常的情況下，可以使用面板切換旋鈕至MIMIC板，或鎖定狀態(tài)以防誤動(dòng)作。

6 結(jié)束語

半潛船的閥門遙控和液位遙測(cè)系統(tǒng)是整船關(guān)鍵而又基礎(chǔ)的裝置，這兩個(gè)系統(tǒng)的選型、設(shè)計(jì)、安裝也備受船廠的關(guān)注。文章介紹的系統(tǒng)在實(shí)船上運(yùn)行穩(wěn)定可靠，此系統(tǒng)也可以通過因特網(wǎng)4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，充分體現(xiàn)船舶自動(dòng)化的發(fā)展方向。