基于PLC控制的船舶機艙監測系統及其軟件實現

現代船舶設備系統的日趨高性能化、結構模塊化。船舶機艙監測系統在遠洋船舶中是一個必備的系統，其關系到遠洋船舶安全、可靠運行。它能準確可靠地監視機艙內各種動力設備的運行狀態及運行參數。運行設備發生故障時，能自動發出聲光報警信號并進行報警打印記錄。它還能定時地把有關運行參數進行打印制表。在自動化機艙中，設備的運行狀態、運行參數值及故障報警狀態都集中控制室的監視屏上，輪機人員不必到機艙去巡視，就能在集中控制室內能了解到所有設備的運行狀態及其參數值，從而可以減輕輪機管理人員的勞動強度，改善工作條件，及時發現設備的運行故障，提高設備運行的可靠性。

為此，本文介紹了基于PLC控制的遠洋船舶機艙監測系統，并開發了一套組態環境下的監測軟件。

2 系統介紹

遠洋船舶設備由主機系統、凈油機系統、油柜系統、空壓機系統、舵機系統、鍋爐系統、廢油焚化爐、發電機組、應急發電機系統以及泵等設備子系統組成，每一個設備都是24小時不間斷運行，例如主機，主機系統是船舶的心臟，必須保證主機在航行期間可靠、穩定運行。在此期間，監測系統要求時刻監測主機系統的轉速、冷卻水溫度、燃油進出口溫度、滑油進出口溫度以及主機排氣溫度等，這些參數涉及到4-20mA、600℃以上的溫度信號和600℃以下的溫度信號，信號種類繁多，增加了系統的復雜度。其系統組成框架如圖1所示。

圖1 機艙監測報警系統組成

各種類型的傳感器(開關量、4-20mA、PT100、熱電阻等)采集各類信號，并不停地將這些信號送入顯示單元(微機LCD)，在顯示屏上顯示各個監測通道的當前值;一旦有監測發生越限情況，報警信號就被送入延伸報警控制單元、打印記錄單元及警報器控制單元，其中打印記錄單元可以即時打印發生報警的各參數值;警報器控制單元啟動集控室和機艙的揚聲器，以此提示輪機管理人員;同時，起動延伸報警裝置，并在公共場所、輪機長房間、值班輪機員房間等輸出聲光報警信號;在駕駛臺的報警監視屏上也有聲光提示信號輸出。

主電源和應急電源都具有自檢功能;在系統發生報警后，可以在集控室應答，消聲消閃。

3 硬件實現

該套監視系統包括對一臺14缸的主機、三臺發電機、一臺鍋爐、一套焚燒爐、兩套空壓機和一套舵機的主要工況參數顯示和參數檢測報警、及其它設備的運行狀態指示。系統共檢測118個模擬量，128個開關量。為此采用了S7-200CN PLC 226作為系統總控制器，并擴展7個16I/O的EM223 CN數字量模塊，模擬量采集模塊采用研華ADAM與PLC通過485總線通;監測上位機采用了研華嵌入式工控機UNO-2160，通過PPI方式組成一個網絡，實現對船舶機艙設備的實時監測。其系統架構圖，如圖2所示。

圖2 基于PLC船舶機艙監測系統框架圖

本系統在監視與報警工作時，所有開關量模塊都通過西門子S7-200CN PLC擴展模塊EM223 CN采集輸入，三類模擬量4-20mA、600℃以上的溫度信號和600℃以下的溫度信號通過ADAM采集輸入，在通過485總線送入西門子S7-200CN PLC，在PLC中集中處理，然后送到上位機和其他設備，如指示燈，揚聲器等。 此外，外部按鈕可以發出指令通過西門子S7-200CN PLC發出控制命令，啟動、停止各類泵等相應的設備。

作為一個遠洋運行船舶必不可少的系統，其主要具備以下功能：

(1) 故障報警：當系統檢測到故障時，系統發出聲光報警，在應答后，系統停止聲音輸出，指示燈平光;消除報警后，指示燈滅。
(2) 參數顯示與報警的指示：在系統的軟件界面上可以查閱當前被監測的參數值，并以不同顏色顯示正常與否的參數。
(3) 打印記錄：系統接有一個報警記錄打印機，當產生報警時，系統同時啟動打印機，打印當前的報警，便于輪機管理人員查閱，與航海日志的記錄。
(4) 延時報警：當產生溫度或液位等報警時，系統延時幾秒后，輸出報警，便于誤報警。
(5) 閉鎖報警：該功能用于檢修系統時，能夠單個檢查。
(6) 延伸報警：系統可將報警信息延伸到各個輪機員的房間，將報警信息傳送給相關的輪機管理人員。
(7) 失職報警：當發生報警后，一段時間內沒有輪機人員去應答，系統就會產生全船報警，以提醒值班人員的失職。
(8) 功能試驗：系統具有自檢功能。

4 監測系統軟件實現

在西門子S7-200CN PLC中實現的控制邏輯流程圖，如圖3所示。

圖3 船舶機艙監測系統控制邏輯流程圖

系統監測軟件采用以Windows平臺，在組態王的開發環境下實現的。組態王具有可視化操作界面，豐富的圖庫、高度靈活的動畫連接;擁有全面的腳本與圖形動畫功能可以對畫面中的一部分進行保存，以便以后進行分析或打印變量導入導出功能，支持實時、歷史數據的分布式保存強大的腳本語言處理，全面支持畫面發布、實時數據發布、歷史數據發布以及數據庫數據的發布方便的配方處理，豐富的設備支持庫，支持常見的PLC設備、智能儀表、智能模塊的功能特點。

本系統軟件具有如下功能：

(1) 參數列表顯示，按序或分組顯示所有機艙參數條目。包括參數序號、名稱、當前值、單位、上限值、下限值以及報警狀態。 并可以翻屏連續顯示。

(2) 參數圖表顯示，以虛擬儀表形式顯示主/輔機有關參數。關于主機的排氣溫度、冷卻水溫度等;關于輔機的有發電機組有關的壓力和溫度等。

(3) 曲線顯示，將有關參數分實時和歷史曲線分別描述，其中實時曲線隨著時間的推移在界面上描寫出一條相應數值的曲線;而歷史曲線能讓操作員隨時可以查看某一參數過去2天內的參數變化情況，即可以復現其2天內的工況。

(4) 報警查詢功能是，當某一監測點發生越限報警時，系統自動彈出報警窗口，并能在該窗口中查詢到該監測點的相關情況。

(5) 用戶管理功能，本系統共設三類用戶，分別是系統管理員用戶、輪機長用戶和操作員用戶。其中系統管理員用戶是給機務老軌等公司管理級操作使用的，其操作權限為最大，可以設置輪機長用戶和操作員用戶，修改相關參數，如報警上下限;輪機長用戶是給船舶老軌操作使用，其操作權限為其次，也可修改相關參數;操作員用戶是給船舶一般的值班輪機員使用，其無法修改有關參數和設置用戶，權限最低。

5 結論

本系統主控制器采用了西門子S7 200CN PLC，其緊湊的結構，良好的擴展性能，強大的指令功能，利用485標準的通信口進行信息傳送, 并自行設計相應接口而組成的船舶機艙巡回監測報警系統充分應用了該微型PLC的硬件資源，發揮了其軟件優勢。輸入輸出采用差動方式，提高了抗干擾能力，同時，主機和多臺終端可以全部并聯在一對雙絞線上進行多機通訊，節省了傳輸線，所以本系統小但功能齊全，穩定性好。為用戶帶來極大的方便;在近兩年的實際運行中未出現故障，為船舶的安全、可靠的航運起到了非常重要的作用，同時也為航運公司帶來了巨大經濟效益。

本文設計的船舶機艙監測報警系統適用于各種遠洋船舶，經實際的運行表明，該系統性能穩定可靠，完全滿足遠洋船舶的要求，有較高的推廣價值。