基于PLC控制的船舶机舱监测系统及其软件实现

基于PLC控制的船舶机舱监测系统及其软件实现

现代船舶设备系统的日趋高性能化、结构模块化。船舶机舱监测系统在远洋船舶中是一个必备的系统，其关系到远洋船舶安全、可靠运行。它能准确可靠地监视机舱内各种动力设备的运行状态及运行参数。运行设备发生故障时，能自动发出声光报警信号并进行报警打印记录。它还能定时地把有关运行参数进行打印制表。在自动化机舱中，设备的运行状态、运行参数值及故障报警状态都集中控制室的监视屏上，轮机人员不必到机舱去巡视，就能在集中控制室内能了解到所有设备的运行状态及其参数值，从而可以减轻轮机管理人员的劳动强度，改善工作条件，及时发现设备的运行故障，提高设备运行的可靠性。

为此，本文介绍了基于PLC控制的远洋船舶机舱监测系统，并开发了一套组态环境下的监测软件。

2 系统介绍

远洋船舶设备由主机系统、净油机系统、油柜系统、空压机系统、舵机系统、锅炉系统、废油焚化炉、发电机组、应急发电机系统以及泵等设备子系统组成，每一个设备都是24小时不间断运行，例如主机，主机系统是船舶的心脏，必须保证主机在航行期间可靠、稳定运行。在此期间，监测系统要求时刻监测主机系统的转速、冷却水温度、燃油进出口温度、滑油进出口温度以及主机排气温度等，这些参数涉及到4-20mA、600℃以上的温度信号和600℃以下的温度信号，信号种类繁多，增加了系统的复杂度。其系统组成框架如图1所示。

图1 机舱监测报警系统组成

各种类型的传感器(开关量、4-20mA、PT100、热电阻等)采集各类信号，并不停地将这些信号送入显示单元(微机LCD)，在显示屏上显示各个监测通道的当前值;一旦有监测发生越限情况，报警信号就被送入延伸报警控制单元、打印记录单元及警报器控制单元，其中打印记录单元可以即时打印发生报警的各参数值;警报器控制单元启动集控室和机舱的扬声器，以此提示轮机管理人员;同时，起动延伸报警装置，并在公共场所、轮机长房间、值班轮机员房间等输出声光报警信号;在驾驶台的报警监视屏上也有声光提示信号输出。

主电源和应急电源都具有自检功能;在系统发生报警后，可以在集控室应答，消声消闪。

3 硬件实现

该套监视系统包括对一台14缸的主机、三台发电机、一台锅炉、一套焚烧炉、两套空压机和一套舵机的主要工况参数显示和参数检测报警、及其它设备的运行状态指示。系统共检测118个模拟量，128个开关量。为此采用了S7-200CN PLC 226作为系统总控制器，并扩展7个16I/O的EM223 CN数字量模块，模拟量采集模块采用研华ADAM与PLC通过485总线通;监测上位机采用了研华嵌入式工控机UNO-2160，通过PPI方式组成一个网络，实现对船舶机舱设备的实时监测。其系统架构图，如图2所示。

图2 基于PLC船舶机舱监测系统框架图

本系统在监视与报警工作时，所有开关量模块都通过西门子S7-200CN PLC扩展模块EM223 CN采集输入，三类模拟量4-20mA、600℃以上的温度信号和600℃以下的温度信号通过ADAM采集输入，在通过485总线送入西门子S7-200CN PLC，在PLC中集中处理，然后送到上位机和其他设备，如指示灯，扬声器等。 此外，外部按钮可以发出指令通过西门子S7-200CN PLC发出控制命令，启动、停止各类泵等相应的设备。

作为一个远洋运行船舶必不可少的系统，其主要具备以下功能：

(1) 故障报警：当系统检测到故障时，系统发出声光报警，在应答后，系统停止声音输出，指示灯平光;消除报警后，指示灯灭。
(2) 参数显示与报警的指示：在系统的软件界面上可以查阅当前被监测的参数值，并以不同颜色显示正常与否的参数。
(3) 打印记录：系统接有一个报警记录打印机，当产生报警时，系统同时启动打印机，打印当前的报警，便于轮机管理人员查阅，与航海日志的记录。
(4) 延时报警：当产生温度或液位等报警时，系统延时几秒后，输出报警，便于误报警。
(5) 闭锁报警：该功能用于检修系统时，能够单个检查。
(6) 延伸报警：系统可将报警信息延伸到各个轮机员的房间，将报警信息传送给相关的轮机管理人员。
(7) 失职报警：当发生报警后，一段时间内没有轮机人员去应答，系统就会产生全船报警，以提醒值班人员的失职。
(8) 功能试验：系统具有自检功能。

4 监测系统软件实现

在西门子S7-200CN PLC中实现的控制逻辑流程图，如图3所示。

图3 船舶机舱监测系统控制逻辑流程图

系统监测软件采用以Windows平台，在组态王的开发环境下实现的。组态王具有可视化操作界面，丰富的图库、高度灵活的动画连接;拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印变量导入导出功能，支持实时、历史数据的分布式保存强大的脚本语言处理，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布方便的配方处理，丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块的功能特点。

本系统软件具有如下功能：

(1) 参数列表显示，按序或分组显示所有机舱参数条目。包括参数序号、名称、当前值、单位、上限值、下限值以及报警状态。 并可以翻屏连续显示。

(2) 参数图表显示，以虚拟仪表形式显示主/辅机有关参数。关于主机的排气温度、冷却水温度等;关于辅机的有发电机组有关的压力和温度等。

(3) 曲线显示，将有关参数分实时和历史曲线分别描述，其中实时曲线随着时间的推移在界面上描写出一条相应数值的曲线;而历史曲线能让操作员随时可以查看某一参数过去2天内的参数变化情况，即可以复现其2天内的工况。

(4) 报警查询功能是，当某一监测点发生越限报警时，系统自动弹出报警窗口，并能在该窗口中查询到该监测点的相关情况。

(5) 用户管理功能，本系统共设三类用户，分别是系统管理员用户、轮机长用户和操作员用户。其中系统管理员用户是给机务老轨等公司管理级操作使用的，其操作权限为最大，可以设置轮机长用户和操作员用户，修改相关参数，如报警上下限;轮机长用户是给船舶老轨操作使用，其操作权限为其次，也可修改相关参数;操作员用户是给船舶一般的值班轮机员使用，其无法修改有关参数和设置用户，权限最低。

5 结论

本系统主控制器采用了西门子S7 200CN PLC，其紧凑的结构，良好的扩展性能，强大的指令功能，利用485标准的通信口进行信息传送, 并自行设计相应接口而组成的船舶机舱巡回监测报警系统充分应用了该微型PLC的硬件资源，发挥了其软件优势。输入输出采用差动方式，提高了抗干扰能力，同时，主机和多台终端可以全部并联在一对双绞线上进行多机通讯，节省了传输线，所以本系统小但功能齐全，稳定性好。为用户带来极大的方便;在近两年的实际运行中未出现故障，为船舶的安全、可靠的航运起到了非常重要的作用，同时也为航运公司带来了巨大经济效益。

本文设计的船舶机舱监测报警系统适用于各种远洋船舶，经实际的运行表明，该系统性能稳定可靠，完全满足远洋船舶的要求，有较高的推广价值。