船舶阀门遥控系统电气设计优化与实践

周培培

摘要：在船舶电气系统中，会使用许多阀门对不同压力以及动力源进行控制，因此，船舶阀门遥控系统是整船关键而又基础的装置，其系统的选型、设计备受船厂的关注。文章介绍的船舶阀门遥控系统电气设计可以通过模块设计和优化，实现远程控制和集中控制，大大降低船员的劳动强度，体现船舶自动化发展。

关键词：船舶;阀门遥控系统;电气;设计

1 现场总线下的阀门远程驱动控制

现场总线是以数字通信替代传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决的是信息之间的传递问题。现将这一技术应用到船舶阀门远程驱动控制系统当中，起到连接上位机和下位机的作用。其优势有操作简便、成本低廉、适应性强等。

本次研究的基于现场总线的船舶阀门远程驱动控制系统主要由上位机、下位机以及连接二者的现场总线三部分组成。

2系统实现流程

首先利用镶嵌在船舶阀门内部的下位机对阀门周围的现场信息进行采集，然后将其进行A/D转换，转换为标准信号，利用现场总线传输给上位机。上位机接收到信号之后，对其进行处理和分析。根据分析结果，向下位机利用现场总线发送阀门启动或关闭的命令。当下位机接收到上述命令后，开始执行上位命令，完成阀门的远程驱动控制。

3系统功能模块设计

3.1上位机功能

（1）信息接收与分析：接收由下位机传感器采集到的信息，然后利用计算机软件对信息进行处理和分析。

（2）数据显示：在系统人机交互页面显示分析结果以便相关人员进行系统无法完成的工作。

（3）发送命令：根据分析结果，对下位机发送阀门进行何种操作的命令。

（4）实时监控：上位机与监控系统相连，实时监测现场阀门运行状态，确认命令执行情况。

3.2下位机功能

（1）信息采集：信息采集主要通过下位机中的传感器完成，采集到信息主要包括：温度信息、压力信息、吃水信息、开关量信息、视频监控信息等。

（2）命令执行：主要完成上位机发出的命令，如阀门关闭或启动。

3.3现场总线功能

信息传递：主要负责上位机与下位机之间的信息传递，是二者之间的桥梁。

4船用阀门控制系统设计

4.1硬件设计

（1）上位机设计

上位机系统涵盖了两部分的主要系统，其一是CAN总线接口，其二是计算机控制系统。其将结合了CAN通讯功能的适配卡利用采集卡插槽连接于主机，可促进这两上主要的硬件系统之间进行数据通讯，从而远程遙控下游控制器。

（2）现场控制器设计

微控制器是现场控制器的中心元件，这一元件是组合了各类型型号的芯片核心从而构成了控制模块，其中包括CAN总线控制。现阶段，船舶事业中的可编程的阀门遥控系统主要运用的是ARM（Advanced RISC Machine，ARM）处理器。这一处理器的指令结构利用的是精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）指令，与复杂指令集计算机对比而言，其与相关的译码机制显得简化许多，其处理有着指令吞吐效率高、实时中断反应能力强、体积小、性价比高的特点。ARM 处理器的性能优越，不但功率消耗低，使用门的数量也较少，能够很好的满足船舶领域阀门遥控设计中对功耗的高需求。

现场控制器不但包含微控制器，还包括液压缸、小型电机和配套设施、电流检测器、传感器等等。上位机利用CAN总线将指令传输给微控制器，从而实现对液压缸、电机等执行设备的控制，进行指令执行，与此同时利用传感器对阀门旋转度进行测量，监控实际的阀门开启情况;电机的运行状态监测利用电流检测装置实现，并传送数据给上位机。

4.2软件设计

软件设计在现代化的船舶阀门遥控系统中的应用主要包含两方面内容，一是上位机软件系统;二是现场控制器软件系统。对各阀门运行情况及对阀门运行进行远程控制是上位机软件系统的重要性能。当前的上位机软件系统所采用的界面大部分是由VB6.0予以开发的。软件运行后，系统显示实施自动初始化配置，接着建立监控界面步入运行中。现场控制器软件系统与上位机软件系统相独立，采用C语言程序进行编制开发，这一设计方法对于提升现场控制器软件的程序可读性以及可移植性有着重要意义。就现场控制器软件系统的功能而言，主要有采集与监测阀门运行过程和实际状态、执行阀门控制行为、联系上位机系统等。现场CAN通信设计、主程序设计及相关连接程序的设计，这三方面的设计是控制器软件系统设计的主要内容，其中主程序对阀门数据进行采集，收取上机位系统指令并实施指令执行等。现场控制器的控制方式包括现场与远程两种形式。基于现场控制模式，作业人员采用手动操作方式来控制阀门，上位机只可以利用软件系统实现监控;基于远程遥控方式，上位机可以下发执行命令，通过现场控制软件来控制阀门。CAN通信设计主要担与CAN总线有关的各类数据信息的整理、维护，功能比较单一，程序设计比较便捷。

5阀门遥控系统电气设计的优化

5.1采用在轮机阀件上添加电缆连接点

建立新的轮机专业阀的小样过程中，在电气接口部位增添电缆连接点，轮机模型后配置阀，利用对轮机模型的读取，对含有电缆连接点的模型进行检索并列举，构建一条电气设备原理。

通过这一方法实施遥控阀的电气原理定义，电气原理模型建立过程中不用另外对阀的电气设备小样以及部件进行建立和定义，实现了电气原理模型构建过程的简化，降低了电气生产设计的工作难度和工作量，有效解决了由于查找造成的繁琐问题。当轮机模型对遥控阀进行配置后，电气人员只用选择电气模型设备树中的某控制阀并实施直接布置，这一控制阀在电气模型中自动设置在和轮机模型一致的部位。需要关注的是，遥控阀在轮机模型中的部位发生改变后，电气生产设计对轮机和电气模型进行了更新，就可以实现相应遥控阀部位的更新。

5.2具体优化

利用“贴小球”的方式建立遥控阀设备原理过程中，在电气专业阀门遥控系统工作图中标出与轮机专业的阀号对应关系，缩减生产设计的查找难度，提高生产设计效率，并且这一做法还有利于对电气原理设计图纸和设备资料进行审核。电气模型中的遥控阀设备布置过程中，可以在已进行了布置的轮机模型中将管子阀件情况进行汇总并导出相应数据，结合电气专业阀号与轮机对应关系，经过对其设备属性进行查看，将三维坐标在设备属性中进行输入。这一布置方法的采用可以实现更简化的过程，并降低生产设计的查找难度，提高设备布置的质量和效率。

针对系列船来说，可以通过在轮机阀件上增设电缆连接点，从而实现遥控阀电气原理定义。这样一来，即便后期轮机遥控阀部位出现改变或调整，能够利用模型更新来自动调整与更新遥控阀位置，从而降低生产设计工作量，提高电气设计效率。

结语：

利用传统系统对船舶阀门进行驱动控制时，不仅控制速度慢，稳定性也差。设计一个基于现场总线的船舶阀门远程驱动控制系统。该系统的整体框架由上位机、下位机以及连接二者的现场总线三部分组成。根据系统框架确定系统实现流程，并在此基础完成系统功能模块设计，以及选取系统硬件设备和完成系统软件程序设计。与此同时，对电气设计进行优化，以提高船舶阀门遥控系统设计的效率和质量。

参考文献：

[1]姚绪旋，杨巧云，潘汪杰.船舶阀门远程驱动控制系统设计[J].舰船科学技术，2018，40（22）：193-195.

[2]林炎.船用阀门遥控系统的关键技术研究[J].江苏船舶，2018，35（02）：30-32.