基于PLC的輪機(jī)模擬器主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

曾洛軍

摘要：在輪機(jī)模擬器中，主機(jī)遙控系統(tǒng)的應(yīng)用可提高船員操作動(dòng)力設(shè)備的能力，保障船舶的正常運(yùn)行，避免海上交通事故的出現(xiàn)。基于此，本文將輪機(jī)模擬器的主機(jī)遙控系統(tǒng)為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)要求、硬件、軟件三方面入手，分析基于PLC的輪機(jī)模擬器主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，為輪機(jī)模擬器的有效應(yīng)用提供幫助。

Abstract： In the marine engine simulator， the application of the host remote control system can improve the crew's ability to operate power equipment， ensure the normal operation of the ship and avoid the occurrence of marine traffic accidents. Based on this， this paper takes the host remote control system of the marine engine simulator as the research object， and analyzes the design and implementation methods of the PLC-based host remote control system of the marine engine simulator from the aspects of design requirements， hardware and software， to provide help for the effective application of the marine engine simulator.

關(guān)鍵詞：PLC;輪機(jī)模擬器;主機(jī)遙控系統(tǒng)

Key words： PLC;marine engine simulator;host remote control system

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）11-0262-02

0? 引言

主機(jī)遙控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化的關(guān)鍵，可為船舶的無(wú)人值班機(jī)艙落實(shí)提供技術(shù)支持。為保障主機(jī)遙控系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮，需對(duì)船員進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，而實(shí)船培訓(xùn)的投入成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，船舶企業(yè)大都應(yīng)用輪機(jī)模擬器，配置相應(yīng)的主機(jī)遙控系統(tǒng)，模擬船舶操作，為船員熟悉船舶操作提供支持，提升培訓(xùn)效益。

1? 輪機(jī)模擬器主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

輪機(jī)模擬器的主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，首先必然是提高控制系統(tǒng)的控制精度，PLC控制系統(tǒng)本身具有較高的精度控制水平，然而考慮到輪機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性和高安全運(yùn)行要求性，要建成PLC控制系統(tǒng)的定制化系統(tǒng)，其可以廣泛收集當(dāng)前的設(shè)備運(yùn)行信息和可獲取的反饋性信息，代入到控制系統(tǒng)之中后，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)找到目前的運(yùn)行缺陷，并把該信息上傳給遙控系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)發(fā)出遙控新號(hào)，同時(shí)發(fā)出的遙控新號(hào)也要具備高響應(yīng)性，需要考慮對(duì)信號(hào)的分析效率和分析精確度，防止發(fā)出的控制指令無(wú)法被控制系統(tǒng)接收。

其次是針對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度分析，無(wú)論何種控制系統(tǒng)都要具備高相應(yīng)速度，對(duì)于輪機(jī)模擬器的主機(jī)遙控系統(tǒng)，對(duì)發(fā)出指令的響應(yīng)速度要求更高。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要明確該系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特點(diǎn)，分析控制精度的同時(shí)，協(xié)調(diào)該控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度。此外由于PLC控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)控制論下的一類(lèi)控制方法，所以在系統(tǒng)的運(yùn)行階段會(huì)發(fā)出連續(xù)性的控制信號(hào)，無(wú)需考慮數(shù)字控制信號(hào)等現(xiàn)代控制技術(shù)，帶來(lái)的問(wèn)題是模擬信號(hào)的抗環(huán)境干擾能力較差，要考慮信號(hào)線的布設(shè)區(qū)域、信號(hào)的沖突以及環(huán)境干擾因素。

最后是建立分級(jí)控制體系，輪機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行要大量的設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，把所有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息同時(shí)獲取并計(jì)算，PLC系統(tǒng)的運(yùn)行難度和任務(wù)量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致信息丟失。建成的分級(jí)遙控控制系統(tǒng)，終端為信息顯示界面和遙控軟件，中間層獲得的信息涵蓋輪機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、電力參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行階段的各項(xiàng)故障表現(xiàn)參數(shù)等，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算之后輸出，并通過(guò)設(shè)置的干擾信息清除系統(tǒng)保證輸出結(jié)果的精度[1]。

2? 基于PLC的輪機(jī)模擬器主機(jī)遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 界面設(shè)計(jì)

第一，駕駛臺(tái)界面。在主機(jī)遙控系統(tǒng)中，駕駛臺(tái)需設(shè)計(jì)為虛擬操作界面，船員可利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖拽操作，模擬實(shí)船的駕駛臺(tái)操作。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員可將上位機(jī)組態(tài)軟件的PIMS開(kāi)發(fā)功能為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)界面。設(shè)計(jì)后的駕駛臺(tái)界面涵蓋車(chē)鐘系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)面板、參數(shù)儀表區(qū)以及急停按鈕等部分。其中，車(chē)鐘系統(tǒng)涵蓋主、副車(chē)鐘及應(yīng)急車(chē)鐘三部分;遙控系統(tǒng)面板涵蓋指示燈及相應(yīng)的按鈕;應(yīng)急按鈕主要負(fù)責(zé)船舶駕駛室的應(yīng)急停車(chē)。為發(fā)揮輪機(jī)模擬器的培訓(xùn)功能，設(shè)計(jì)的駕駛臺(tái)界面可支持培訓(xùn)師工作站與數(shù)據(jù)服務(wù)器的共享[2]。

第二，集控臺(tái)界面。在開(kāi)展集控臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員需參照實(shí)體船舶的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員將集控臺(tái)界面設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈、儀表等部分，為保障集控臺(tái)功能的發(fā)揮，上述器件均和PLC中的I/O模塊連接。結(jié)合集控臺(tái)的功能需求，界面主要涉及安保、調(diào)速、車(chē)鐘系統(tǒng)、溫度等控制面板及相應(yīng)的指示燈。

第三，操縱臺(tái)界面。在主機(jī)遙控系統(tǒng)中，操縱臺(tái)界面主要設(shè)置在輪機(jī)附近，涵蓋副車(chē)鐘、應(yīng)急車(chē)鐘、調(diào)節(jié)設(shè)備及按鈕等器件。為保障其操縱功能，船員在機(jī)旁應(yīng)急操縱主機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)有效設(shè)計(jì)，確保主機(jī)油門(mén)調(diào)節(jié)桿和調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)分離，進(jìn)而和機(jī)旁的油門(mén)調(diào)節(jié)設(shè)備連接。

2.2 PLC設(shè)計(jì)

在選擇PLC控制器時(shí)，技術(shù)人員需確保其功能符合主控系統(tǒng)的要求，選擇兼?zhèn)浞€(wěn)定可靠性、使用便捷性且成本較低的控制器。結(jié)合船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的功能要求，技術(shù)人員可選擇AB Compact Logix系列的控制器，該型號(hào)的PLC控制器具備RS—232通訊端口，用戶可根據(jù)實(shí)際需求，選擇Ether Net/IP或Control Net通訊方式。和傳統(tǒng)通訊方式相比，這兩種通訊方式具有功耗低、功能多元的優(yōu)勢(shì)，可支持文本、梯形圖等程序的編程。

在明確上述硬件后，技術(shù)人員需結(jié)合主機(jī)遙控系統(tǒng)的運(yùn)行需求，設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的輸入點(diǎn)及輸出點(diǎn)。具體而言，對(duì)于數(shù)字量來(lái)說(shuō)，其輸入點(diǎn)需控制在150個(gè)左右，輸出點(diǎn)需控制在280個(gè)左右;對(duì)于模擬量來(lái)說(shuō)，其輸入點(diǎn)需控制在3-5個(gè)，輸出點(diǎn)需控制在35個(gè)左右。技術(shù)人員需根據(jù)上述輸入點(diǎn)及輸出點(diǎn)要求，進(jìn)行相應(yīng)硬件模塊的選擇。

3? 基于PLC的輪機(jī)模擬器主機(jī)遙控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備

第一，組態(tài)PLC。在主機(jī)遙控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，組態(tài)PLC主要涵蓋控制器及I/O模塊兩項(xiàng)，在其設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員可將RSLogix5000軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將該開(kāi)發(fā)平臺(tái)的工程文件為基礎(chǔ)，進(jìn)行PLC控制器相關(guān)組態(tài)、數(shù)據(jù)、文本及邏輯等內(nèi)容的存儲(chǔ)。在組態(tài)PLC中，組態(tài)控制器涵蓋的信息內(nèi)容較多，涉及PLC控制器的類(lèi)型、參數(shù)等，為確保其與I/O模塊的有效通信，技術(shù)人員需合理選擇I/O模塊的配置區(qū)域，通常將其設(shè)置于I/O組態(tài)文件夾中，并在文件夾中標(biāo)明I/O 模塊的基本信息。

第二，I/O分配。在組態(tài)PLC設(shè)置完成后，技術(shù)人員需做好I/O分配工作。在主機(jī)遙控系統(tǒng)的控制器中，技術(shù)人員需為物理盤(pán)臺(tái)的所有涉及輸入量或輸出量的設(shè)備進(jìn)行I/O分配。

第三，自定義指令。在主機(jī)遙控系統(tǒng)中某些功能一致，但需重復(fù)使用的梯形圖邏輯，設(shè)計(jì)人員需按照一定規(guī)則將其封裝成自定義的功能指令，避免后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)的重復(fù)工作，提高設(shè)計(jì)效率。以指示燈的測(cè)試指令為例，設(shè)計(jì)人員的自定義指令如下，在程序運(yùn)行開(kāi)始后，如果指示燈測(cè)試按鈕按下1，則指示燈亮，即測(cè)試結(jié)束。

第四，信號(hào)處理。在主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，信號(hào)處理是指對(duì)模擬量輸入信號(hào)的處理，主要涉及以下三類(lèi)：集控室車(chē)令信號(hào)、集控室轉(zhuǎn)速設(shè)置信號(hào)以及機(jī)旁油門(mén)調(diào)節(jié)信號(hào)。技術(shù)人員需將上述信號(hào)設(shè)置為4-20mA的電流信號(hào)，這類(lèi)信號(hào)在通過(guò)A/D變換后，在PLC控制器中以整型數(shù)字量信號(hào)方式存在，且表現(xiàn)出無(wú)量綱特征，在變換處理后，即可獲得系統(tǒng)所需的工程量。

第五，界面開(kāi)發(fā)。在主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員可選擇PIMS組態(tài)軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)操縱界面進(jìn)行全面可靠的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)平臺(tái)支持界面設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)及語(yǔ)言編寫(xiě)等多項(xiàng)功能，可實(shí)現(xiàn)文本、矩形及單選框等多個(gè)文字或圖形的處理，滿足主機(jī)遙控系統(tǒng)的界面設(shè)置要求[3]。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)功能需求，合理設(shè)計(jì)相關(guān)程序。本節(jié)以以下幾種功能為例，分析系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

第一，操縱地點(diǎn)選擇功能。在船員培訓(xùn)中，常用的操縱培訓(xùn)地點(diǎn)有機(jī)旁、集控室、駕駛室這三類(lèi)。在實(shí)際船舶運(yùn)行中，為保障船舶運(yùn)行安全，這三個(gè)區(qū)域的操縱存在相互聯(lián)鎖機(jī)制，在船舶運(yùn)行期間，只能保持一個(gè)操縱部位有效，且這三個(gè)操作地點(diǎn)存在優(yōu)先級(jí)區(qū)分。其中機(jī)旁的控制級(jí)別最高，集控室的控制級(jí)別產(chǎn)值，駕駛室的控制級(jí)別最低。在操作地點(diǎn)選擇中，設(shè)計(jì)人員利用切換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，共需設(shè)計(jì)兩個(gè)切換開(kāi)關(guān)，分別是設(shè)置在機(jī)旁操縱臺(tái)的LOCAL/REMOTE切換開(kāi)關(guān)，以及設(shè)置在集控臺(tái)上的ECR/BR切換開(kāi)關(guān)。

第二，換向功能。如果車(chē)令和凸輪軸存在區(qū)域差異，則主機(jī)需換向處理，換向涵蓋正常換向和應(yīng)急換向。在主機(jī)遙控系統(tǒng)中，這兩種換向在停車(chē)時(shí)無(wú)差別，僅在應(yīng)急操縱指令中存在不同。如果正車(chē)處于最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)，主機(jī)突然將車(chē)鐘從爭(zhēng)車(chē)位轉(zhuǎn)變倒車(chē)某檔位，則需進(jìn)行換向處理。在該情況下，正常換向邏輯會(huì)在主車(chē)的轉(zhuǎn)速下降至換向轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的換向指令。如果存在應(yīng)急操縱現(xiàn)象，應(yīng)急換向邏輯會(huì)在轉(zhuǎn)速下降至應(yīng)急換向轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的換向指令。由此可見(jiàn)，和正常換向相比，應(yīng)急換向的指令更早發(fā)出，響應(yīng)時(shí)間更短。

第三，起動(dòng)功能。在主機(jī)遙控系統(tǒng)中，主機(jī)起動(dòng)主要有慢轉(zhuǎn)、正常、重起以及三次重復(fù)起動(dòng)組成。其中，慢轉(zhuǎn)起動(dòng)并非主機(jī)起動(dòng)必要環(huán)節(jié)，僅是在主機(jī)停車(chē)不符合規(guī)定要求的基礎(chǔ)上，方可實(shí)施慢轉(zhuǎn)起動(dòng)過(guò)程，此后再進(jìn)行正常起動(dòng)。在主機(jī)運(yùn)行中，正常起動(dòng)屬于第一次起動(dòng)，如果起動(dòng)不成功，則需開(kāi)展重啟或三次重復(fù)啟動(dòng)。如果三次起動(dòng)都不成功，就表明起動(dòng)失敗。

第四，車(chē)鐘通信功能。在主機(jī)遙控系統(tǒng)中，車(chē)鐘通信主要是指駕駛室和集控室、機(jī)旁間的通信，通過(guò)主/副車(chē)鐘或應(yīng)急車(chē)鐘實(shí)現(xiàn)通信。為保障主機(jī)遙控系統(tǒng)的有效通信，技術(shù)人員需明確不同車(chē)鐘的通信內(nèi)容。通常來(lái)說(shuō)，主車(chē)鐘主要負(fù)責(zé)動(dòng)車(chē)車(chē)令的發(fā)送及相關(guān)回令信號(hào)的通信。為保障主機(jī)遙控系統(tǒng)的運(yùn)行安全，如果車(chē)鐘未在要求時(shí)間內(nèi)收到相應(yīng)的回令信號(hào)，系統(tǒng)以聲信號(hào)和光信號(hào)的形式報(bào)警。如果主機(jī)遙控系統(tǒng)將駕駛室作為控制位置，駕駛室會(huì)延時(shí)五秒給出回應(yīng)[4]。

4? 結(jié)論

綜上所述，在開(kāi)展輪機(jī)模擬器主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前，技術(shù)人員需明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并分別進(jìn)行硬件與軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的分析，在硬件設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員需做好界面設(shè)計(jì)與PLC設(shè)計(jì);在軟件設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員需開(kāi)展組態(tài)PLC、I/O分配、自定義指令、信號(hào)處理及界面開(kāi)發(fā)等準(zhǔn)備工作，再設(shè)計(jì)各項(xiàng)功能程序，保障主機(jī)遙控系統(tǒng)各項(xiàng)功能的有效實(shí)現(xiàn)。

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