船用閥門遙控控制系統的設計

陸 健

（南通航海機械集團有限公司 南通226003）

引 言

隨著船舶規范的提升和船舶自動化程度要求的提高，特別是在當前發展海洋經濟、維護海洋權益、建設海洋強國的新時代，船舶設備的自動化、智能化是一種必然選擇［1］。船舶閥門遙控控制系統主要用于監測和控制船舶壓載水系統、艙底水系統以及貨油裝卸系統等管路上的遙控閥門［2］。通過控制系統來實現閥門的遙控，這不僅大大減輕了船員工作負擔，而且更能提高航運效率和安全程度，是現實船舶自動化控制的一個重要部分［3］。本文介紹基于PLC技術和計算機組態動畫技術的閥門遙控控制系統，它具有直觀性強、操作簡單、對某些重要的閥門能夠進行精確控制等特點，切實減少了船員的工作量，提高了整個船舶的安全性，提高了船舶設備自動化的水平。

1 控制系統的總體設計

閥門的遙控類型按驅動方式的不同，主要分為氣動式、液壓式、電動式、電液式等幾種。一般由船舶設計院根據實船管路布置位置和功能的不同需求，選擇不同類型的遙控閥門。閥門遙控控制系統是對這些分散在管路中的遙控閥門進行集中遠程控制，是船舶自動的一個重要組成部分，尤其對油船、化學品船這類船，閥門遙控控制系統至關重要。

1.1 組 成

不同驅動方式的閥門遙控的組成是不同的，氣動式閥門遙控主要由氣源、氣動閥門執行機構（驅動裝置）、氣動電磁閥柜、控制單元部分組成；液壓式閥門遙控主要由液壓動力泵站、液動閥門執行機構（驅動裝置）、液壓電磁閥柜、控制單元部分組成；電動式閥門遙控主要由電動閥門執行機構（驅動裝置）、中繼箱、控制單元部分組成；電液式閥門遙控主要由電液一體式閥門執行機構（驅動裝置）、閥門控制采集柜、控制單元部分組成。

對于不同驅動方式組成的閥門遙控控制系統的主要控制結構基本是一樣的，即主要由基于計算機組態軟件的上位機和基于PLC邏輯控制的閥門控制采集柜及被控制的遙控閥門驅動裝置組成。本文主要以最新型電液一體式閥門遙控裝置為控制對象進行控制系統的分析和設計。以研華工業計算機作為上位機，用組態王組態軟件開發人機交互界面［5］，以施耐德MODICON M340PLC為下位機開發邏輯控制程序，兩者的通訊網絡是基于MODBUS TCP/IP協議的工業實時控制網絡［6］，利用物理連接設備工業級以態網交換機和超五類計算機電纜組建而成（如圖1所示）。

圖1 控制結構示意圖

1.2 功 能

閥門遙控控制系統具有如下功能［7］：

（1）開關閥門控制功能

在計算機操作畫面上有設計開發的閥門模擬管系圖，操作人員根據模擬管系圖可任意點擊控制要操作的遙控閥門，對應的閥門能實現開啟或關閉。

（2）顯示閥門狀態功能

在計算機操作畫面上能實時顯示每個遙控閥門的開閉狀態，運行狀態。

（3）監測報警功能

當閥門出現故障時能及時發出報警和提示，并進行記錄。

（4）通訊功能

控制系統中能把閥門的監測和報警信息提供給船舶控制系統。

2 控制系統的實現

2.1 基于PLC的閥門控制程序設計

PLC一種可編程序控制器，具有邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等功能，通過PLC實現閥門控制系統的閥門位置信號采集和執行閥門開關動作。

2.1.1 PLC硬件

根據閥門控制的技術要求，對于開關遙控閥每個閥門對應的PLC有開、閉兩個動作輸出和開、閉兩個位置輸出，所以每個閥門需要4個DO輸出點； 同時每個閥門對應的PLC有開、閉兩個動作信號輸入和開、閉兩個位置反饋信號輸入，所以每個閥門還需要4個DI輸入點； 對于開度遙控閥每個閥門還有一個模擬量的信號輸入對應PLC有1個AI模擬量點。

本文以某1 400標準箱集裝箱船的閥門遙控控制系統為例，根據船舶實際情況以50只開關遙控閥門來計算，那么PLC輸入輸出I/O總點數應大于等于50×（4+4）= 400，我們以施耐德MODICON系列M340 PLC來進行硬件配置，選用的模塊有電源模塊CPS200一塊、處理器模塊P342020一塊、離散量64點輸入模塊DDI6402K三塊、離散量32點輸入模塊DDI3202K一塊、離散量64點輸出模塊DDO6402K、離散量32點輸出模塊DDO3202K一塊、模擬量輸入AMI0410模塊兩塊，配置如圖2所示。

圖2 PLC硬件配置圖

2.1.2 PLC 軟件

根據控制要求， PLC控制的輸入部分有開閥指令%i0.1.0、關閥指令%i0.1.1、開位置反饋信號%i0.2.0、關位置反饋信號%i0.2.1；輸出部分有開閥動作%i0.5.0、關閥動作%i0.5.1、開狀態指示%i0.6.0、關狀態指示%i0.6.1［4］，采用梯形圖設計遙控閥門的邏輯動作功能。圖3為 PLC控制系統脈沖輸出部分梯形圖，下頁圖4為PLC控制系統閥門控制部分梯形圖。

圖3 PLC控制系統脈沖輸出部分梯形圖

圖4 PLC控制系統閥門控制部分梯形圖

PLC控制系統遙控閥門控制動作順序：通過時間繼電器t1、t2組合得到慢脈沖m1000，通過時間繼電器t3、t4組合得到快脈沖m1002，參見圖3。當有輸入信號開閥指令%i0.1.0后，輔助繼電器m10置位得電，進而輸出開閥動作%i0.5.0，同時m10和慢脈沖 m1000組合把慢脈沖信號賦給中間繼電器m11，m11在開位置反饋信號%i0.2.0未到位狀態下，把慢脈沖信號給開狀態指示%i0.6.0，通過慢脈沖即指示燈慢閃爍來顯示閥門開的運行過程狀態。當開位置反饋信號%i0.2.0到位時直接輸出給開狀態指示%i0.6.0，閥門開狀態指示燈常亮；同時把輔助繼電器m10復位得失電，停止輸出開閥動作%i0.5.0。如果閥門開動作過程異常，通過時間繼電器t5判斷超時未到位中間繼電器m14得電，m14和快脈沖 m1002組合把快脈沖信號通過中間繼電器m12給開狀態指示%i0.6.0，通過快脈沖即指示燈快閃爍來顯示閥門開故障報警狀態，見圖4 。遙控閥關閥控制邏輯跟開閥一樣，僅僅改變輸入輸出點就能實現。

2.2 基于組態王的閥門控制人機交互畫面設計

遙控閥門除了在控制箱上進行按鈕（旋鈕）式控制，還需在人機界面上進行交互式控制，人機界面開發生成的軟件就是工控組態軟件。本項目以組態王為組態開發軟件對船用閥門遙控控制系統的人機界面進行開發。組態王軟件由工程管理器、工程瀏覽器和運行系統三部分構成，項目根據5個步驟（新建工程、硬件組態、數據詞典組態、畫面組態和配置運行系統）依次設計。

首先在組態操作畫面上設計閥門的4種狀態：當閥全開時顯示綠色，如圖5所示；當閥全關時顯示紅色，如圖6所示；當閥門運行狀態時顯示灰色，如圖7所示；當閥故障狀態時顯示黃色，如圖8所示。

圖5 閥全開

圖6 閥全關

圖7 閥運行

圖8 閥故障

然后進行閥門的操作控制畫面設計。進行閥門遙控操作時，當點擊畫面中任一閥時，會自動彈出操作框（見圖9），點擊一次相關按鈕即為操作相應閥門開或關控制。最后，根據全船管系設計全船的遙控閥門控制系統，模擬管系控制畫面參見下頁圖10。

圖9 操作框

2.3 通訊與連接

基于組態王軟件的工業控制計算機（上位機）與基于施耐德M340PLC（下位機）兩者的通訊網絡是基于MODBUS TCP/IP協議的工業實時控制網絡，利用物理連接設備工業級以態網交換機和超五類計算機電纜組建而成，參見圖11。

圖11 通訊網絡

3 結 語

本文主要對船用閥門遙控控制系統的設計進行研究，涉及PLC在船用閥門遙控控制系統中的應用進行研究和基于組態軟件人機組態畫面在船用閥門遙控控制系統中的應用研究，并通過組建工業以太網進行設備連接，以此組成一個完整的電氣自動化控制系統，應用于蓬萊中柏京魯船業建造的1 400 標準箱集裝箱船以及中船黃埔文沖船舶建造的H6011等船的閥門遙控控制中，有效提高了船舶自動化程度，且達到了國際較先進水平。