摘 要: 自二十世紀(jì)以來,船舶自動(dòng)化經(jīng)歷了一個(gè)從單元自動(dòng)化、機(jī)艙無人值班到全船自動(dòng)化的過程。為了實(shí)現(xiàn)船舶電站可靠的運(yùn)行、控制和管理,提高無人機(jī)艙的自動(dòng)化程度,本文設(shè)計(jì)了一套新型的船舶電站分布式綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng),用先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 關(guān)鍵字: 船舶電站, 控制系統(tǒng), 分布式 Abstract: In order to realize the reliable control and safe operation and maintenance of ship power station, and enhance the automation degree of un manned engine room, the thesis has designed a novel distributed ship power automation system （network monitoring and management system） which can increase the reliability and economic effect, using advanced industrial control technology, computer technology and network programming technology. Keywords: Ship Power Station; Control System; Distributed 1 引言 　　隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展,船舶自動(dòng)化及管理正朝著全船自動(dòng)化、超自動(dòng)化及全數(shù)字化的方向發(fā)展。本文在認(rèn)真研究和參考當(dāng)今先進(jìn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,考慮船舶電站控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其最新發(fā)展動(dòng)態(tài),研究了用PC機(jī)和多臺OMRONPLC做CPU的新型的船舶電站分布式綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 2 電站自動(dòng)化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 　　2.1全船自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成 　　本文研究的船舶綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是以微機(jī)局域網(wǎng)為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng),是工業(yè)集散控制系統(tǒng)在船舶上的具體應(yīng)用。圖1給出全船自動(dòng)化系統(tǒng)的組成示意圖。 [align=center] 圖1 全船集散控制系統(tǒng)示意圖[/align] 　　圖中C是以微型機(jī)或PLC為核心的現(xiàn)場（或過程）控制單元,它們按地理位置分布于船上各個(gè)控制現(xiàn)場,分別獨(dú)立地控制一個(gè)或數(shù)個(gè)回路,相當(dāng)于一個(gè)子系統(tǒng),它包括底層的各控制模塊、智能終端、自動(dòng)化儀表等。監(jiān)控管理級計(jì)算機(jī)（操作站）一般為性能很好的工業(yè)PC機(jī)。各控制單元可以與同級各控制單元協(xié)同工作,同時(shí)又受上位機(jī)的監(jiān)控和管理;多臺上位機(jī)也可以連網(wǎng)運(yùn)行,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)式信息和管理系統(tǒng)。由圖1可以看出,全船自動(dòng)化系統(tǒng)一般由兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成:現(xiàn)場控制級網(wǎng)絡(luò)和管理級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,它們的組網(wǎng)方式可以相同,也可以不同。它們用于連接全船分布式綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)的兩層結(jié)構(gòu),即過程控制級和監(jiān)控管理級,各級既相互聯(lián)系又相互獨(dú)立。每一級又可以按水平分解成若干子集,各子集設(shè)備具有類似功能。監(jiān)控級與過程控制級之間傳輸?shù)男畔⒘可?但實(shí)時(shí)性要求高;而監(jiān)控管理級各PC機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要低,但傳輸?shù)男畔⒘枯^大,便于全船的綜合管理。 　　2.2 電站自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成 　　電站自動(dòng)化系統(tǒng)是全船自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的一部分,它是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),對電站進(jìn)行集中監(jiān)視、操作和電站信息的綜合管理,而將各發(fā)電機(jī)組的控制功能分散化。她完全遵循了全船的分布式控制模式,涵蓋了控制系統(tǒng)的三大組成部分:分散控制裝置、集中操作和管理、通信系統(tǒng)。 　　根據(jù)實(shí)際船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際配置:三臺發(fā)電原動(dòng)機(jī),正常航行一臺運(yùn)行,另兩臺備用;進(jìn)出港、裝卸貨時(shí)兩臺發(fā)電機(jī)運(yùn)行,一臺備用。電站自動(dòng)化系統(tǒng)的分散控制裝置為三臺PLC系統(tǒng),屬于過程控制級,分別作為三臺發(fā)電機(jī)組的控制和數(shù)據(jù)采集單元,采用的是直接數(shù)字控制（DDC）,是分布式綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的接口和界面。這里稱這些分散控制裝置為測控單元,它們直接完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制、順序控制等功能,其過程輸入是面向傳感器信號（如熱電偶、熱電阻）及開關(guān)量等信號,其輸出是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 　　集中操作和管理部分由一臺PC機(jī)承擔(dān),作為操作系統(tǒng)站,用于對電站系統(tǒng)各下位機(jī)的監(jiān)控和信息管理功能。 　　通信部分OMRONPLCC20OH配有RS-232C連接器,可以通過通信程序與上位機(jī)通信,在全自動(dòng)控制模式下,通過通信模塊,三臺PLC由上位PC機(jī)協(xié)調(diào),來完成整個(gè)電站的控制任務(wù)。圖2說明了以上三部分的關(guān)系。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)示意圖[/align] 　　電站自動(dòng)化系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)通信為紐帶,完成了過程分散控制、監(jiān)控和信息集中管理等的一系列工作,是該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)所在。 3 測控單元設(shè)計(jì) 　　3.1測控單元硬件配置框圖 [align=center] 圖3 測控單元原理框圖[/align] 　　測控單元屬于電站自動(dòng)化系統(tǒng)的過程控制級,直接與柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的傳感器、變送器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電器開關(guān)相連接,完成整個(gè)電站的控制過程;并能與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,接收上位機(jī)下傳的參數(shù)和作業(yè)命令,以及將現(xiàn)場的工作情況信息整理后向上位機(jī)報(bào)告,并作為顯示、報(bào)警、打印的數(shù)據(jù)來源。三臺發(fā)電機(jī)組的測控單元配置完全相同,包括模擬量輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出、鍵盤輸入、聲音報(bào)警等。圖3為測控單元原理圖。 　　3.2 OMRONPLC與發(fā)電機(jī)組之間的信號 　　由于每臺發(fā)電機(jī)組的信號完全相同,在此只列出一臺機(jī)組的輸入/輸出信號和電網(wǎng)信號。 　�。�1） 關(guān)于柴油機(jī)的信號 　　滑油壓力、冷卻水溫、啟動(dòng)空氣壓力、排煙總管溫度。 　�。�2） 關(guān)于發(fā)電機(jī)的信號 　　發(fā)電機(jī)繞組溫度、發(fā)電機(jī)電壓、電流、有功功率、電壓頻率、發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。 　　（3） 關(guān)于電網(wǎng)的信號 　　電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)總有功功率、電網(wǎng)總電流、電網(wǎng)頻率。 　�。�4） C200H測控單元輸出的控制信號（模擬量和開關(guān)量） 　　柴油機(jī)組啟動(dòng)、柴油機(jī)組停機(jī)、發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)合閘、發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)、柴油機(jī)組升速脈沖、柴油機(jī)組減速脈沖。電站系統(tǒng)的信號如圖4。 [align=center] 圖4 C200H與電站之間的信號[/align] 4 上位機(jī)管理單元的設(shè)計(jì) 　　4.1上位機(jī)管理單元的基本功能 　　在各測控單元完成了相應(yīng)機(jī)組的分散控制的基礎(chǔ)上,由監(jiān)控管理單元進(jìn)一步進(jìn)行整個(gè)電站系統(tǒng)的監(jiān)控管理,它將完成參數(shù)顯示、抄表、報(bào)警、打印及部分過程操作等功能。大型系統(tǒng)的管理工作一般由一臺或多臺計(jì)算機(jī)來共同完成。由于船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)屬于小型系統(tǒng),所以只采用了一臺PC機(jī)作為監(jiān)控管理計(jì)算機(jī),在此稱為上位機(jī)。這臺PC機(jī)還可以同時(shí)用于全機(jī)艙的集中監(jiān)控管理。上位機(jī)把過程參量的信息集中化,把各臺機(jī)組的測控單元及采樣裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,并通過簡單的操作來進(jìn)行過程量的顯示、各種控制流程的顯示、趨勢曲線的顯示以及改變電網(wǎng)、機(jī)組的一些過程參數(shù)（如電壓、頻率的設(shè)定值等）。這些也即是監(jiān)控管理單元的顯示、操作功能,以保證整個(gè)電站系統(tǒng)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。 　　4.2上位機(jī)的系統(tǒng)配置 　　船用微機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)比陸用系統(tǒng)要求要高,條件苛刻,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是船舶在海上航行,受風(fēng)、浪的影響,硬件設(shè)備經(jīng)受顛簸、振動(dòng)以及海風(fēng)海水的腐蝕;二是船舶在進(jìn)出港及海上航行時(shí)對航向、航速等要求很嚴(yán),一旦有錯(cuò)誤將造成撞船觸礁的重大損失。所以船用微機(jī)采用經(jīng)過船檢認(rèn)可的高可靠性的工控機(jī),同時(shí)還必須采取特殊措施,進(jìn)一步提高可靠性。工控機(jī)包括硬件和軟件部分。硬件部分包括主機(jī)（CPU、RAM、ROM）板、內(nèi)部總線和外部總線、人機(jī)接口、系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 　　4.2.1 上位機(jī)的硬件配置 　　上位機(jī)既有監(jiān)控管理功能,又有豐富的圖形顯示功能。詳細(xì)配置如圖5所示。 　�。�1） 主機(jī)板 　　由中央處理器（CPU）、內(nèi)存儲器（RAM、ROM）等部件組成的主機(jī)是工業(yè)控制機(jī)的核心。進(jìn)行控制系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理等工作。 　　（2） 內(nèi)部總線和外部總線 　　內(nèi)部總線是工業(yè)控制機(jī)內(nèi)部各組成部分進(jìn)行信息傳送的公共通道,它是一組信號線的集合。本上位機(jī)采用IBMPC內(nèi)總線。外部總線是工業(yè)控制機(jī)和其他計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備進(jìn)行信息傳送的公共通道常用的外部總線有RS-232C串行通信總線和RS-485串行通信總線,本系統(tǒng)的上位機(jī)采用的是RS-232C串行通信總線的通信方式。 [align=center] 圖5 上位機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu)[/align] 　�。�3） 人機(jī)接口 　　人機(jī)接口是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),即由標(biāo)準(zhǔn)的既鍵盤、顯示器和打印機(jī)組成。 　�。�4） 系統(tǒng)支持功能 　　該系統(tǒng)的支持功能主要包括如下部分: 　　監(jiān)控定時(shí)器（WATCHDOG）: 用于系統(tǒng)故障自復(fù)位,用于提高系統(tǒng)的可靠性。 　　電源掉電檢測;當(dāng)檢測到交流電源掉電后可以保護(hù)現(xiàn)場。 　�。�5） 磁盤系統(tǒng):采用通用的硬磁盤。 　�。�6） 通信接口:采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口。 　�。�7） 輸入輸出通道:這里是指主計(jì)算機(jī)與電站之間設(shè)置的信號傳遞和交換的連接通道,由智能接口板來完成。包括模擬量輸入、數(shù)字量輸入。它的作用是將電站系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換成主機(jī)可以接受和識別的代碼。該自動(dòng)化電站系統(tǒng)是通過串口向各機(jī)組的PLC測控單元輸出控制和調(diào)節(jié)信號,所以沒有信號從接口板輸出。 　　4.2.2 上位機(jī)的軟件組成 　　軟件是上位機(jī)的程序系統(tǒng),分系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 　�。�1） 系統(tǒng)軟件:采用Windows2000實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。 　�。�2） 應(yīng)用軟件:應(yīng)用軟件是針對電站自動(dòng)化開發(fā)的監(jiān)控和管理程序。這些程序是采用微軟公司的工具軟件VisualBasic6.0和ACCESS共同開發(fā)的。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 　　本文論述了船舶電站分布式綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對自動(dòng)化電站的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)和多臺歐姆龍PLC的多機(jī)通信技術(shù),編制了上位機(jī)的部分監(jiān)控和管理軟件。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 王衛(wèi)兵,高俊山. 可編程控制器原理及應(yīng)用[M],2002年l月第1版,2000年,機(jī)械工業(yè)出版社,4-6 　　[2] 施永新. 船舶電站分布式控制系統(tǒng)GAC-16M[J], 航海技術(shù), 1999, 02 　　[3] 杜軍, 徐永法, 李功宣, 李世錦. 基于CAN現(xiàn)場總線的船舶電站自動(dòng)化的研究[J]. 航電技術(shù), 2003, 05 　　[4] 王建飛. 基于燃料電池的船舶推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 12-1: 18-19