欒榮華　崔守娟

摘要：文章根據船舶側推器控制的發(fā)展要求，設計一套以PLC為控制器的側推控制系統，利用PLC技術對過程中最重要的螺距和負荷功能進行就地和遠程控制，結合MCGS組態(tài)軟件來對人機界面進行設計，以實現對側推器不同工況的實時監(jiān)控、歷史查詢，并能及時做出調整，從而提高系統的操控性和可靠性。

關鍵詞：船舶設計；側推器；PLC；MCGS；側推監(jiān)控系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP277 文章編號：1009-2374（2015）36-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.004

側推器（side thruster）也叫橫向舵，安裝有側推器的船舶在進行港內操縱時，如靠離泊和避碰，可以用側推器使船舶在較低船速情況下方便地轉頭或產生橫向位移。同時，在拋起錨作業(yè)時可用其來方便地控向。鑒于側推器較大的優(yōu)越性以及在船舶建設中的重要地位，側推控制技術無疑也是當下船舶自動化研究的重點，近年來得到了快速發(fā)展并顯現出無限的生命力。近十年來，隨著船舶業(yè)的發(fā)展，側推器及其控制技術也有了較快發(fā)展，PLC控制技術己逐步應用到側推器中，很多公司所設計的側推器雖然已能夠滿足客戶的基本需求，但是對于側推系統的遠程監(jiān)控方面做得還不夠完善。

本文通過N：N鏈接通信技術，實現主、從站PLC的遠程通信，達到安全可靠的遠程控制效果，并采用MCGS組態(tài)軟件來對人機界面進行設計，以實現對螺距的實時控制、監(jiān)控，并及時做出調整以達到自動控制的效果。

1 系統的總體結構設計及主要功能

1.1 系統的總體結構設計

側推監(jiān)控系統主要由以下部分組成：電源、本地控制站（機旁控制站）、遙控系統、MCGS觸摸屏、安全系統等。本系統采用可編程控制器（PLC）控制技術為核心單元，引入N：N鏈接通信技術，通過RS-485BD通信模塊達到主站PLC與從站PLC通信的要求，進行信息的互相交換，對側推器實現遙控控制，對整個側推器采用集中控制方式，包括螺距、負荷及指示各個系統；基于MCGS組態(tài)軟件設計人機界面，設計可視化程度更高的人機界面，提高其控制系統的自動化程度和可靠性，方便用戶進行操作。

1.2 系統的部分主要功能

1.2.1 螺距控制。側推器控制系統可實時控制側推器螺距以實現船舶前進、后退、停止和變速等要求。操縱控制桿或手柄，將位置信號傳遞到控制單元PLC并經過比較進行處理和控制。

1.2.2 負荷控制。主機的負荷取決于主機的轉速和噴油量，轉速信號通過機旁的轉速傳感器測得，噴油量信號由燃油泵的負荷控制。

1.2.3 螺距指示。螺距指示系統用于實際螺距的連續(xù)指示。該系統有一個單獨的螺距反饋傳感器，反饋信號送到控制單元PLC經過處理，然后輸出到螺距表或是觸摸屏。

1.2.4 備用螺距控制。備用螺距控制獨立于主控系統，當主控系統螺距控制失效時，操縱人員啟用備用螺距控制，可以通過左舷或右舷按鈕直接驅動電磁閥進行變螺距操作，此時螺距反饋不參與控制過程，僅用于指示當前螺距角位置。

2 控制器的選擇與確定

本系統控制器采用由具有現場總線的可編程控制器PLC，其特點為可靠性高、體積小、功能強、集成度高、穩(wěn)定性強、通用性好、模塊化程度高等，具有很強的通用性和擴展性，檢修及備件更換升級方便迅捷。采用日本三菱公司的FX系列一體化可編程控制PLC，型號FX2N48+3A。PLC配置BD485協議模塊、串行通訊模塊、AD模塊和DA模塊等，使得應用中外圍電路簡單化，減少了擴展部分器件，減少了功率消耗，具有很高的可靠性。同時，采用標準商業(yè)化器件，使得備件供給全球化。

開關量的輸入輸出都采取隔離技術，并盡可能使用模塊外部主24V電源，減少內部功率消耗，減少了開關量對模塊的干擾。

對接線端口采用了比較多的保護技術，減少因接線錯誤、靜電、強感應脈沖等對模塊造成的損壞。內部采用了多種屏蔽技術，提高系統抗電磁干擾的能力。

取消了模塊內部模擬量調節(jié)電位器，通過軟件設置來調節(jié)模擬量的輸入輸出，消除了因電位器的漂移而產生的不良影響。

提供了比較多的端口，以便實際使用中的擴展，同時減少模塊的種類，提高其通用性，通過內置控制軟件的更改來實現多種功能要求，并使每一種應用都有端口可供備用，既提高了可靠性，又提供了靈活性。

控制器分別為駕駛室PLC和側推艙PLC。

2.1 駕駛室PLC

主要負責駕駛室控制面板/兩翼控制臺或后控制面板指令的采集、處理、發(fā)送，并處理顯示報警信息。同時，具有與MCGS的接口能力，通過串行通訊，將側推器的信息傳送到觸摸屏上，并根據PLC處理情況進行反饋操作。

2.2 側推器艙PLC

負責螺距控制計算及反饋信號的處理；負責相關電機啟?？刂坪筒杉姍C負荷信號；負責側推裝置報警信號的采集。

2.3 PLC之間通信

駕駛室PLC與側推器艙PLC之間的通信，采用N：N鏈接通信技術，通過RS-485BD通信模塊達到主站PLC與從站PLC通信的要求?？偩€的使用極大限度地減少了銅質電纜的使用。

3 系統軟件設計

本文通過對現場施工情況的分析，結合側推器的工作原理，創(chuàng)新性地提出側推器軟件設計方案。將N：N鏈接通信技術通過FX2N-485BD通信模塊應用于控制系統中，實現側推裝置主站PLC與從站PLC之間的遠程通信，并通過FX2N-232BD實現主站PLC與觸摸屏之間的通信，方便操作人員進行遠距離操控，同時提高自動控制系統的穩(wěn)定性和可靠性；MCGS組態(tài)軟件的應用通過RS-485通信方式，將從站PLC中的所有現場信息反饋至人機界面上，根據反饋的信息執(zhí)行相應的控制、顯示和查詢，完成信息互換，從而實現側推裝置的自動化控制。

在上位機和下位機的通信模塊間要接入一個電平轉換設備，因為PC機的串口是RS-232電平，而下位機是RS-485電平將RS-232電平轉換到RS-485電平，方可進行上位機與下位機之間的通信。

由于RS-485BD通信距離大約為500m左右，故主站PLC大約能實現500m的遠程控制距離，實現側推裝置風機馬達、液壓馬達、主電機等設備運行控制和主電機起動失敗、主電機過載、主電動機繞組高溫、液壓系統低壓、液壓油泵過載等控制量在人機界面上顯示。從站PLC控制左和右螺距輸出（電磁閥驅動）、驅動電機啟動和停止、液壓電機啟動和停止、風機啟動和停止等。

3.1 PLC軟件設計

船舶側推裝置的控制系統是在三菱PLC編程軟件GX Developer 7.08版編寫。GX Developer是三菱通用性較強的編程軟件，它能夠完成Q系列、QnA系列、A系列（包括運動控制CPU）、FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。

由三菱GX Developer 7.08編寫的系統程序通常包含梯形圖和SFC兩大塊程序，其中梯形圖程序中一般包含系統啟動、停止、聯鎖和N：N通信的程序，例如本系統中除了包含上述的一般功能，還可以有急停、繼續(xù)運行、斷電保持以及和觸摸屏的部分關聯信息的處理，如密碼鍵入、比較、跳轉等功能處理。而SFC塊基本是包含的機旁和遙控的程序流程。

3.1.1 N：N鏈接通信技術。N：N鏈接通信協議用于最多8臺FX系列PLC之間的自動數據交換，可以設定其中一臺為主機，其余為從機。該通信技術必須使用FX2N-485BD模塊，FX2N-485BD是用于RS-485通信的特殊功能板，可連接FX2N系列PLC。N：N的鏈接示意圖如圖2所示：

PLC系統程序中的通信程序，把公共數據區(qū)的發(fā)送區(qū)數據發(fā)送到通信接口上，并且把通信接口上接收到的數據放入公共數據區(qū)的接收區(qū)中。用戶應用程序中，只需編寫把發(fā)送的數據送入公共數據區(qū)的發(fā)送區(qū)和從公共數據區(qū)的接收區(qū)讀取接收的數據的程序，即可實現PLC之間的相互信息傳遞，完成整個系統的數據通信。

3.1.2 部分梯形圖和SFC程序。

梯形圖程序1、2給出了系統常規(guī)的啟動、聯鎖、急停及繼續(xù)運行等功能。整個側推系統功能是非常復雜的，但可以理解是各經典程序的邏輯性疊加，這樣程序實現就比較容易。梯形圖程序3給出了觸摸屏密碼設定的過程，系統并未選擇在觸摸屏里通過“用戶使用權限”來設置，而是通過三菱PLC程序里給出，打破了常規(guī)做法，并能夠讓系統更加安全。

SFC程序：SFC部分通常是給出系統主體流程，從圖6可以看出結構清晰，通過不同的塊處理不同流程或階段的功能點。

3.2 MCGS軟件設計

MCGS（Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統）是為工業(yè)過程控制和實時檢測領域服務的通用計算機系統軟件，具有功能完善、操作便捷、可視性好、可維護性強等突出特點。

本文采用昆侖通態(tài)人機界面TPC7062KS，是一款實時多任務嵌入式操作系統。MCGS嵌入版的不同窗口切換來管理用戶系統組態(tài)，其窗口組態(tài)有數據庫組態(tài)、設備組態(tài)、用戶組態(tài)、主控窗口和運行策略，對應于五個不同的窗口頁面，每一個頁面負責管理用戶應用系統的一個部分，通過鼠標單擊切換可選取不同窗口頁面，對應用系統的相應部分進行組態(tài)操作。下文分別介紹這幾個控制界面的功能。

3.2.1 登陸界面。為了防止非操作人員的誤操作，系統設置了登陸界面，如圖所示，并要求使用指定密碼進行登錄。圖7為系統登錄首頁：

3.2.2 密碼輸入界面。只有當系統內工作人員鍵入正確密碼方可進入控制系統，否則觸摸屏將提出“！密碼錯誤，不能進入系統”的提醒字符以警戒非工作人員不能進入下一步系統操作，如圖8所示。首頁中實現“歡迎使用側推裝置控制系統”采用滾動循環(huán)字幕要求進入運行策略，點擊新建策略，選擇“循環(huán)策略”確認后雙擊“循環(huán)策略”進入，新建并選擇“策略工具箱”中的選擇腳本程序。

3.2.3 側推控制系統主界面，如圖9所示：

3.2.4 遙控界面。圖9是MCGS參照控制功能要求設計的遙控控制界面。

在各個界面的底部都加入了界面切換按鈕，用來實現不同控制界面之間的相互切換，并通過MCGS中的歷史數據功能可以直觀顯示各重要參數的變化情況，查詢起來非常方便。

4 結語

相對于市場上目前的側推控制系統，本文采用PLC為控制單元結合工控組態(tài)軟件的使用，使其系統具有以下優(yōu)點：（1）控制系統結構簡單，通用性強。在硬件設計方面，只需要確定PLC的硬件配置與I/O的外部接線，無需大量的硬接線電路和諸如繼電器、電路板之類的固體電子器件。當控制要求改變，需要變更控制系統的功能時，只需改變存儲器中的控制程序并重新下載到相應的PLC中即可；（2）可靠性高，抗干擾能力強。PLC是專為工業(yè)控制而設計的，能適應惡劣的工業(yè)現場環(huán)境。在PLC的設計和制造過程中，采取了多層次的抗干擾措施，使得PLC的平均無故障工作時間MTBF通常在2萬小時以上，這是一般電氣設備不可能達到的；（3）能直接進行模擬量處理。這是有別于繼電器控制的最大優(yōu)點。用PLC進行模擬量控制的優(yōu)點是在進行模擬量控制的同時，也可以進行數字量（開關量）控制。這是其他控制系統所不具備的或實現起來不如PLC方便；（4）使用PLC易于操作和維護，設計、施工和調試周期短，具有強大通信功能，便于與其他系統通訊，并能與MCGS觸摸屏結合構建友好的人機界面；（5）MCGS工控組態(tài)軟件概念簡單、功能齊全、便于方案設計，為解決工程監(jiān)控問題提供了豐富多樣的手段，從設備驅動到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等多個環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件和常用圖形庫選用，使得組態(tài)工作既簡單直觀又靈活多變。對于這種智能化控制的側推裝置，其所節(jié)省的電纜及智能控制效果是非?？捎^和方便的，對提高船舶自動化建設具有十分重要的意義。

參考文獻

[1] 朱光華.海洋多用途拖船側推裝置的應用[J].造船技術，1995，（11）.

[2] 洪碧光.船舶操作原理與技術[M].大連：大連海事大學出版社，2005.

[3] 曹瑞飛，沈冠豐.側推器在艦船操縱中的應用[J].航?？萍紕討B(tài)，2001，（2）.

[4] 顧輝.船舶側推器基于PLC的控制系統設計[J].航海技術，2011，（3）.

[5] 黃中玉.PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6] 曹輝，馬棟萍，王暄.組態(tài)軟件技術及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：崔守娟（1980-），女，江蘇連云港人，供職于鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術學校，博士，研究方向：高效節(jié)能機械設計與系統監(jiān)控。

（責任編輯：周 瓊）