國產(chǎn)PLC在艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)設計中的應用

(1.上海船舶電子設備研究所，上海 201108；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

目前，艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)主控制器多采用進口的專用火災報警控制器或西門子、三菱等PLC(可編程邏輯控制器)，并且組態(tài)軟件多運行在Windows操作系統(tǒng)下，存在系統(tǒng)設計成本高、兼容性差、自主可控能力不足以及面臨維修缺、斷貨等問題。因此，迫切需要建立一套基于國產(chǎn)控制器的損管系統(tǒng)[1-2]。

艦船消防系統(tǒng)屬于艦船損害管制監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。目前，專用火災探測報警控制器通過二總線回路實現(xiàn)火災報警及聯(lián)動控制，設備的類型、數(shù)量、接口層級增加，不利于系統(tǒng)的集成優(yōu)化。基于PLC的分布式系統(tǒng)結構，采用PLC作為分布式自動監(jiān)控核心，采用上位機進行集中操作顯示，有利于構建大型監(jiān)控網(wǎng)絡。其中，監(jiān)控系統(tǒng)包含上位機組態(tài)軟件、控制器、探測器、報警器、執(zhí)行器，而消防報警控制器作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，監(jiān)控整個損管系統(tǒng)的正常運行。考慮采用國產(chǎn)PLC作為損管監(jiān)控系統(tǒng)控制器，采用能在國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)上運行的國產(chǎn)組態(tài)軟件，對損管監(jiān)控系統(tǒng)硬件及軟件進行設計，將國產(chǎn)PLC應用在艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)方案

船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)是由傳感器、PLC和損管監(jiān)控臺組成的分布式結構系統(tǒng)，邏輯上采用基于管理層、控制層、數(shù)據(jù)層三層模型的系統(tǒng)架構，見圖1[3-4]。

圖1 艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)架構

針對艦船艙室結構劃分不同的損管站點，各損管站設置損管顯控臺作為管理層，主要由上位機和PLC控制器組成。其中，上位機能夠以圖形化方式顯示損管系統(tǒng)的狀態(tài)，并能夠通過PLC控制器將控制指令傳送到各個現(xiàn)場設備及數(shù)據(jù)處理設備，實現(xiàn)人機交互功能。

PLC分布式站點構成現(xiàn)場監(jiān)控設備作為控制層，分布于各艙室，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息傳送至網(wǎng)絡平臺，并接受控制指令，執(zhí)行相應的指令操作。

數(shù)據(jù)層主要是現(xiàn)場的前端采集裝置，包括各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息和執(zhí)行設備運行的狀態(tài)信息。

損管監(jiān)控系統(tǒng)中人機交互界面軟件提供艦船損管系統(tǒng)主要設備的集中監(jiān)控和運行管理，通過冗余以太網(wǎng)交互并上傳損管系統(tǒng)相關運行參數(shù)、狀態(tài)及報警等信息。站間人機交互界面有互備互操功能，損管站A的監(jiān)控上位機出現(xiàn)故障時，經(jīng)人工確認后，由預先定義的損管站B監(jiān)控上位機實現(xiàn)其監(jiān)控功能。

該系統(tǒng)方案適用于多艙室、多站點、結構復雜的船舶損管環(huán)境，管理層、控制層、數(shù)據(jù)層三層模型分離了人機交互與控制的功能、數(shù)據(jù)層和控制層，使得損管系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控、快速響應和控制區(qū)域傳感器和消防設備，增強了系統(tǒng)的可維護性、安全性和可靠性[5,6]。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)架構設計，各損管站基本硬件組成包括上位機、顯控臺PLC、信號監(jiān)控箱PLC、安全監(jiān)控箱、燈箱、數(shù)據(jù)采集模塊及執(zhí)行模塊。系統(tǒng)硬件結構見圖2。

圖2 損管監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構

艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構中，各單元部件的功能如下。

上位機：以圖形化形式實時顯示損管區(qū)域現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)、消防設備狀態(tài)、損害/故障報警等信息，并能夠發(fā)送控制指令至PLC控制器實現(xiàn)現(xiàn)場設備及數(shù)據(jù)處理設備工作；

顯控臺PLC：與上位機通過以太網(wǎng)通訊，讀取面板操作按鈕狀態(tài)，并在面板顯示損害/報警狀態(tài)；將現(xiàn)場設備的狀態(tài)信息上傳至上位機，并接受上位機發(fā)送的導控臺實操/模擬訓練信息；

信號監(jiān)控箱PLC：讀取數(shù)據(jù)采集設備的狀態(tài)信息，上傳至信號監(jiān)控箱PLC；同時接收操作面板或上位機的按鈕狀態(tài)控制命令，實現(xiàn)現(xiàn)場執(zhí)行設備的動作；

燈箱：實時顯示損害/報警、現(xiàn)場設備的指示燈狀態(tài)信息。

2.1 控制單元

采用國產(chǎn)PLC，主要負責損管監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場傳感器、按鈕箱狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、邏輯處理及執(zhí)行設備輸出功能，該系統(tǒng)應具有數(shù)字量輸入/輸出、模擬量采集、Modbus RTU通訊及分布式端口模塊等功能。

由于艦船環(huán)境特殊，對設備的實時性和安全性要求較高，選用國產(chǎn)自主研發(fā)的某中型PLC，技術參數(shù)見表1。

表1 某國產(chǎn)中型PLC技術參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

根據(jù)艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境要求，數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度傳感器、可燃氣體探測器、煙霧探測器、紅外火焰探測器等。其中因各類探測器及空間環(huán)境的特點，分別布置在不同區(qū)域，實現(xiàn)高效、可靠、全覆蓋的監(jiān)控模式。

此系統(tǒng)中溫度傳感器采用兩線制電流型傳感器，工作電壓24 V，輸出電流為4～20 mA，量程為-50～200 ℃，精度0.2%。

可燃氣體探測器采用三線制電流型載體催化探頭，工作電壓24 V，輸出電流為4～20 mA，量程為0～99%LEL。

將上述探測器與模擬量輸入模塊通道CHn連接，由I/V轉換、濾波、A/D轉化成數(shù)字信號，經(jīng)光電隔離后，再由模塊微處理器讀取，并通過以太網(wǎng)發(fā)送至PLC控制器。

煙霧、紅外火焰等探測器與PLC控制器通過串口(RS-485)、數(shù)字量觸點通訊，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過Modbus RTU協(xié)議發(fā)送至PLC控制器，并通過繼電器信號將火警、故障等信號發(fā)送至PLC數(shù)字量輸入模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

2.3 執(zhí)行單元

損管站的執(zhí)行單元包括海水及水成膜裝置、防火簾、氣體滅火裝置等。上述消防設備連接PLC的數(shù)字量輸入/輸出模塊，其中輸入模塊讀取現(xiàn)場消防設備的狀態(tài)信息，輸出模塊控制消防設備輸出動作。

其中，損管區(qū)域配置的任一可燃氣體探測器濃度超過20%LEL時，消防報警控制器通過安全監(jiān)控箱中數(shù)字量輸出模塊自動輸出相應分區(qū)通風系統(tǒng)啟動信號，實現(xiàn)消防聯(lián)動功能；當相應分區(qū)所有的可燃氣體濃度低于5%LEL時，損管站顯控臺停止輸出相應分區(qū)通風系統(tǒng)啟動信號。

執(zhí)行單元通過連接在分布式端口模塊，可靈活分布在艦船不同的損管區(qū)域，經(jīng)以太網(wǎng)與PLC控制器進行數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC控制軟件

損管監(jiān)控系統(tǒng)的PLC控制器主要為顯控臺PLC和信號監(jiān)控箱PLC，程序執(zhí)行流程圖見圖3。

圖3 顯控臺PLC程序執(zhí)行流程

信號監(jiān)控箱PLC讀取各數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，發(fā)送至顯控臺PLC；接收顯控臺箱PLC發(fā)送的控制命令，控制現(xiàn)場執(zhí)行設備動作，程序執(zhí)行流程圖見圖4。

圖4 信號箱PLC程序執(zhí)行流程

損管站PLC主機組成損管監(jiān)控網(wǎng)，實現(xiàn)損管站間互備互操功能。如果1區(qū)損管站的監(jiān)控上位機出現(xiàn)故障，經(jīng)人工確認后，則由預先設定的2區(qū)損管站監(jiān)控上位機實現(xiàn)其監(jiān)控功能。程序執(zhí)行流程見圖5。

圖5 損管站間互備互操功能程序執(zhí)行流程

3.2 上位機監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件為面向對象的組態(tài)軟件，采用支持國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)的某國產(chǎn)組態(tài)軟件，具有強大的畫面組態(tài)及監(jiān)控功能。上位機監(jiān)控軟件接收PLC控制器發(fā)送的損管站數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行設備的狀態(tài)信息，實時監(jiān)視損管系統(tǒng)的運行狀態(tài)。若損害或故障報警，則應實時報警并顯示損害或故障區(qū)域；同時，上位機監(jiān)控還具有歷史和實時趨勢及報表顯示等功能，便捷、直觀地顯示歷史數(shù)據(jù)信息。

上位機軟件通過以太網(wǎng)接入平臺主干網(wǎng)獲取OPC數(shù)據(jù)及提供OPC數(shù)據(jù)，并采用Microsoft Access2003進行數(shù)據(jù)庫開發(fā)管理，上位機監(jiān)控軟件設計流程圖，見圖6[7]。

圖6 上位機監(jiān)控軟件設計流程

上位機的安全監(jiān)控畫面具有人機界面友好、可視化程度高和可操作性強的特點。

4 結論

系統(tǒng)選用國產(chǎn)PLC控制器按照惡劣環(huán)境下進行考核，滿足高低溫、振動、沖擊等實驗。基于國產(chǎn)PLC控制器的艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)通過相關平臺搭建、實驗測試，能夠實現(xiàn)對艦船火災信號、可燃氣體濃度、溫度等進行監(jiān)測、顯示和報警，對高倍泡沫滅火系統(tǒng)、機庫大門、消防炮等現(xiàn)場設備進行監(jiān)測、顯示和控制，滿足艦船損管監(jiān)控功能需求。并且通過可視化、可評估、可決策、可預測功能快速、準確地定位損害隱患并迅速指導、采取有效的措施，實現(xiàn)損害管制，保障艦船安全。