(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000)

船舶閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)是機(jī)艙自動化系統(tǒng)的重要組成部分。隨著船舶自動化水平的不斷提高，基于PLC技術(shù)的閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在新造船舶中。與此同時，對于船舶電氣類及輪機(jī)自動化等專業(yè)學(xué)生、船舶建造技術(shù)人員和船員來說，迫切需要迅速掌握系統(tǒng)最新技術(shù)的工作原理和操作流程，以便能更好地完成系統(tǒng)安裝調(diào)試與運(yùn)行維護(hù)等工作任務(wù)。在沒有實(shí)船艙室背景的實(shí)訓(xùn)室, 研制出體現(xiàn)實(shí)船工作環(huán)境和操作條件的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之需[1]。結(jié)合船舶閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)的具體技術(shù)要求，采用西門子S7-200PLC、威達(dá)RACK工控機(jī)、典型液位測量傳感器等設(shè)計(jì)船舶閥門遙控與液位遙測教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在保證基本使用功能和可靠性的前提下，營造一個盡量逼真的系統(tǒng)工作環(huán)境，為開展系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)觀察、故障分析與排除等操作創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

1.1 技術(shù)要求

船舶液位遙測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測船舶各壓載艙、淡水艙液位以及船舶吃水狀態(tài)。系統(tǒng)的主要工作原理是：由安裝在相關(guān)艙室內(nèi)的液位傳感器檢測液位，送至系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理單元，最終通過顯示儀表和上位計(jì)算機(jī)的顯示器在甲板工作室等地作以顯示，同時為相關(guān)液體艙柜管路控制閥的開閉操作提供實(shí)時液位參考信息。該系統(tǒng)一般由液位傳感器、信號處理單元、顯示單元和操作單元等組成。

閥門遙控系統(tǒng)主要用于船舶壓載水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)及貨油裝卸系統(tǒng)等管路上遙控閥門的開閉狀態(tài)監(jiān)視與控制。系統(tǒng)的主要工作原理是：由于被控閥門本身帶有表明其開、關(guān)狀態(tài)或中間位置的信息(微動開關(guān)或閥位指示器)，故可以通過繼電器、單片機(jī)、PLC或計(jì)算機(jī)監(jiān)控站等采集相應(yīng)系統(tǒng)管路上的遙控閥門的開閉狀態(tài)，送至甲板工作室作以顯示和指示；而閥門的開閉命令由甲板工作室控制設(shè)備給出，再通過中間單元送至位于機(jī)艙內(nèi)的遙控閥門控制箱，以控制各閥門動作，達(dá)到液體艙柜液位調(diào)控的目的[2-4]。

1.2 總體設(shè)計(jì)細(xì)則

1)整個實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理與顯示、液位調(diào)節(jié)與控制等核心設(shè)備要使用實(shí)船設(shè)備，既包含最新技術(shù)的實(shí)船系統(tǒng)的基本功能，同時也要兼顧進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)，為學(xué)員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)觀察、故障分析與排除等操作創(chuàng)造條件。

2)系統(tǒng)所配置的艙室液位檢測傳感器和液位控制閥門的類型要具有典型性和代表性，數(shù)量以滿足實(shí)訓(xùn)要求、節(jié)約成本為準(zhǔn)，區(qū)別于實(shí)船。

3)液位檢測、閥門狀態(tài)檢測由傳感器送入PLC中，而信息顯示則靠PLC與上位機(jī)之間的通訊和顯示器等完成。

4)考慮到實(shí)訓(xùn)室不具備實(shí)船液體艙室的局限性，專門設(shè)置一個透明可調(diào)液位的容器作為艙液位模擬裝置，各液位檢測傳感器要安裝在此液體容器中。控制計(jì)算機(jī)、液位控制閥門、液體管路、測量傳感器等都在同一區(qū)域內(nèi)集中安裝。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

閥門遙控與液位遙測教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建在船舶電氣實(shí)訓(xùn)中心。系統(tǒng)由1臺工控機(jī)、1套PLC裝置、1個接口轉(zhuǎn)換器、液位開關(guān)及液位傳感器若干、1套電動蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和1套氣動蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 船舶閥門遙控與液位遙測教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要工作原理：由IPC通過RS-232串口通訊連接PLC，對PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。PLC的I/O模塊分別輸入液位高低和閥門狀態(tài)信號、輸出閥門開閉命令信號。在上位機(jī)中用編程軟件編寫PLC控制程序，并下載到PLC中運(yùn)行；在上位機(jī)的組態(tài)軟件中進(jìn)行控制和監(jiān)視。包括艙室液位高低動態(tài)信號、閥門開關(guān)狀態(tài)、數(shù)量、都可由組態(tài)軟件界面確定。組態(tài)界面做好后，開閥、關(guān)閥等控件的控制和動作可以直接在組態(tài)界面中很直觀形象地進(jìn)行操作。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備配置

2.2.1 PLC的選型與配置

來自傳感器的液位信號和閥門開關(guān)狀態(tài)信息要由PLC 進(jìn)行采集、處理并送往上位機(jī)。本系統(tǒng)采用的PLC為西門子 S7-200系列。具體配置如下。

CPU：CPU224(14點(diǎn)DI，10點(diǎn)DO)；

AI：EM231(4路)；

以太網(wǎng)模塊：CP243-1；

編程軟件：STEP 7-Micro/WIN。

2.2.2 上位機(jī)的選型與配置

系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與PLC通信和監(jiān)控的上位機(jī)選擇威達(dá)工控機(jī)RACK-360，具體配置如下。CPU：Socket-478架構(gòu)，支持Pentium 4/Cerleron，外頻533/800 MHz；系統(tǒng)芯片組：Intel 865G+ICH5；總線：AGP 4X /8X, 1個10/100 Mbit/s i82562ET以太網(wǎng)；2個RS-232串口,1個LPT并口(支持SPP/ECP/EPP模式)8個 USB2.0接口等。

2.2.3 液位測量傳感器選擇

實(shí)船上壓載水艙、淡水艙、液態(tài)貨艙柜等液位檢測主要采用浮子開關(guān)和模擬量輸出液位傳感器，本系統(tǒng)中配置浮子開關(guān)2個，分別檢測液位的上限和下限，將之轉(zhuǎn)換為開關(guān)量；配置液位傳感器3個，選取了廣泛應(yīng)用的3種類型。分別是：投入式液位變送器、側(cè)裝式液位變送器和超聲波液位計(jì)。這些液位傳感器適用于液貨艙、壓載艙、燃油艙和其他油水艙的液位測量，將所測量的液位信號實(shí)時轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的4～20 mA電流信號，具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性高、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

其中，投入式液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號。經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性校正，轉(zhuǎn)換成4～20 mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出；超聲波式液位計(jì)則利用液位高低影響發(fā)射與接收超聲波的時間差的原理來測量的。

2.2.4 遙控閥門選擇

選取開關(guān)式氣動蝶閥和開關(guān)式電動蝶閥各1個。氣動蝶閥是在氣源動力驅(qū)動下完成閥門的開關(guān)動作的，它由2個兩位三通電磁閥與氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套組成，見圖2。

圖2 氣動蝶閥驅(qū)動原理

在閥門打開控制信號作用下，SV1電磁閥動作，壓縮空氣從氣動執(zhí)行器的正向管嘴輸入氣動執(zhí)行器內(nèi)，氣體會推動活塞向兩端運(yùn)動，通過齒條帶動旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪轉(zhuǎn)動，從而開啟閥門。需要關(guān)閉閥門時，SV2電磁閥導(dǎo)通，氣源是從反向管嘴進(jìn)入，將活塞推動向中間運(yùn)動，帶動閥門關(guān)閉。

電動蝶閥由電動執(zhí)行器和蝶閥組成，電動執(zhí)行器為90度旋轉(zhuǎn)，通過電動執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)帶動蝶閥的開啟與關(guān)閉。具備手動操作功能，在斷電時通過手動操作來開關(guān)蝶閥。

3 系統(tǒng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)功能

1)船舶閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)的組成、分布及其工作原理演示。

2)系統(tǒng)功能及動作過程演示。

3)系統(tǒng)自身故障監(jiān)測情況動態(tài)顯示。

4)系統(tǒng)實(shí)時液位測量及閥門遙控的操作過程訓(xùn)練。

5)在上位機(jī)組態(tài)軟件界面上，進(jìn)行液位監(jiān)測與讀數(shù)、閥門開閉狀態(tài)顯示、閥門開閉操作命令發(fā)送，系統(tǒng)報(bào)警后的消聲、應(yīng)答、復(fù)位等操作訓(xùn)練。

6)上位機(jī)系統(tǒng)軟件及傳感器安裝與調(diào)校操作訓(xùn)練。

7)系統(tǒng)調(diào)試訓(xùn)練。

8)人為設(shè)置傳感器或PLC故障，觀察故障表現(xiàn)形式，進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷及排除訓(xùn)練。

9)編制打印系統(tǒng)運(yùn)行日志、月志、等操作訓(xùn)練。

10)系統(tǒng)軟硬件功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

4 結(jié)論

基于西門子S7-200PLC的船舶閥門遙控與液位遙測教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)既體現(xiàn)了現(xiàn)代實(shí)船上該系統(tǒng)最新建構(gòu)方案，同時又兼顧了系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)功能。該方案已成功用于某學(xué)院船舶機(jī)艙自動化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，為船舶電氣技術(shù)、輪機(jī)自動化等相關(guān)專業(yè)學(xué)生開展該系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)創(chuàng)造了有利條件。同時，該教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用，也為其他船舶電氣教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)提供了可借鑒的思路。

[1] 白 明.“船舶電氣課程設(shè)計(jì)”項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)踐[J].船海工程，2011,40(4):100-102.

[2] 阮礽忠.船舶電氣與自動化設(shè)備維修技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[3] 趙家斌.基于PLC抗橫傾功能的閥門遙控與液位遙測系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[4] 林葉錦.輪機(jī)自動化[M].北京：人民交通出版社，2011.