船用阀门遥控控制系统的设计

陆 健

（南通航海机械集团有限公司 南通226003）

引 言

随着船舶规范的提升和船舶自动化程度要求的提高，特别是在当前发展海洋经济、维护海洋权益、建设海洋强国的新时代，船舶设备的自动化、智能化是一种必然选择［1］。船舶阀门遥控控制系统主要用于监测和控制船舶压载水系统、舱底水系统以及货油装卸系统等管路上的遥控阀门［2］。通过控制系统来实现阀门的遥控，这不仅大大减轻了船员工作负担，而且更能提高航运效率和安全程度，是现实船舶自动化控制的一个重要部分［3］。本文介绍基于PLC技术和计算机组态动画技术的阀门遥控控制系统，它具有直观性强、操作简单、对某些重要的阀门能够进行精确控制等特点，切实减少了船员的工作量，提高了整个船舶的安全性，提高了船舶设备自动化的水平。

1 控制系统的总体设计

阀门的遥控类型按驱动方式的不同，主要分为气动式、液压式、电动式、电液式等几种。一般由船舶设计院根据实船管路布置位置和功能的不同需求，选择不同类型的遥控阀门。阀门遥控控制系统是对这些分散在管路中的遥控阀门进行集中远程控制，是船舶自动的一个重要组成部分，尤其对油船、化学品船这类船，阀门遥控控制系统至关重要。

1.1 组 成

不同驱动方式的阀门遥控的组成是不同的，气动式阀门遥控主要由气源、气动阀门执行机构（驱动装置）、气动电磁阀柜、控制单元部分组成；液压式阀门遥控主要由液压动力泵站、液动阀门执行机构（驱动装置）、液压电磁阀柜、控制单元部分组成；电动式阀门遥控主要由电动阀门执行机构（驱动装置）、中继箱、控制单元部分组成；电液式阀门遥控主要由电液一体式阀门执行机构（驱动装置）、阀门控制采集柜、控制单元部分组成。

对于不同驱动方式组成的阀门遥控控制系统的主要控制结构基本是一样的，即主要由基于计算机组态软件的上位机和基于PLC逻辑控制的阀门控制采集柜及被控制的遥控阀门驱动装置组成。本文主要以最新型电液一体式阀门遥控装置为控制对象进行控制系统的分析和设计。以研华工业计算机作为上位机，用组态王组态软件开发人机交互界面［5］，以施耐德MODICON M340PLC为下位机开发逻辑控制程序，两者的通讯网络是基于MODBUS TCP/IP协议的工业实时控制网络［6］，利用物理连接设备工业级以态网交换机和超五类计算机电缆组建而成（如图1所示）。

图1 控制结构示意图

1.2 功 能

阀门遥控控制系统具有如下功能［7］：

（1）开关阀门控制功能

在计算机操作画面上有设计开发的阀门模拟管系图，操作人员根据模拟管系图可任意点击控制要操作的遥控阀门，对应的阀门能实现开启或关闭。

（2）显示阀门状态功能

在计算机操作画面上能实时显示每个遥控阀门的开闭状态，运行状态。

（3）监测报警功能

当阀门出现故障时能及时发出报警和提示，并进行记录。

（4）通讯功能

控制系统中能把阀门的监测和报警信息提供给船舶控制系统。

2 控制系统的实现

2.1 基于PLC的阀门控制程序设计

PLC一种可编程序控制器，具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等功能，通过PLC实现阀门控制系统的阀门位置信号采集和执行阀门开关动作。

2.1.1 PLC硬件

根据阀门控制的技术要求，对于开关遥控阀每个阀门对应的PLC有开、闭两个动作输出和开、闭两个位置输出，所以每个阀门需要4个DO输出点； 同时每个阀门对应的PLC有开、闭两个动作信号输入和开、闭两个位置反馈信号输入，所以每个阀门还需要4个DI输入点； 对于开度遥控阀每个阀门还有一个模拟量的信号输入对应PLC有1个AI模拟量点。

本文以某1 400标准箱集装箱船的阀门遥控控制系统为例，根据船舶实际情况以50只开关遥控阀门来计算，那么PLC输入输出I/O总点数应大于等于50×（4+4）= 400，我们以施耐德MODICON系列M340 PLC来进行硬件配置，选用的模块有电源模块CPS200一块、处理器模块P342020一块、离散量64点输入模块DDI6402K三块、离散量32点输入模块DDI3202K一块、离散量64点输出模块DDO6402K、离散量32点输出模块DDO3202K一块、模拟量输入AMI0410模块两块，配置如图2所示。

图2 PLC硬件配置图

2.1.2 PLC 软件

根据控制要求， PLC控制的输入部分有开阀指令%i0.1.0、关阀指令%i0.1.1、开位置反馈信号%i0.2.0、关位置反馈信号%i0.2.1；输出部分有开阀动作%i0.5.0、关阀动作%i0.5.1、开状态指示%i0.6.0、关状态指示%i0.6.1［4］，采用梯形图设计遥控阀门的逻辑动作功能。图3为 PLC控制系统脉冲输出部分梯形图，下页图4为PLC控制系统阀门控制部分梯形图。

图3 PLC控制系统脉冲输出部分梯形图

图4 PLC控制系统阀门控制部分梯形图

PLC控制系统遥控阀门控制动作顺序：通过时间继电器t1、t2组合得到慢脉冲m1000，通过时间继电器t3、t4组合得到快脉冲m1002，参见图3。当有输入信号开阀指令%i0.1.0后，辅助继电器m10置位得电，进而输出开阀动作%i0.5.0，同时m10和慢脉冲 m1000组合把慢脉冲信号赋给中间继电器m11，m11在开位置反馈信号%i0.2.0未到位状态下，把慢脉冲信号给开状态指示%i0.6.0，通过慢脉冲即指示灯慢闪烁来显示阀门开的运行过程状态。当开位置反馈信号%i0.2.0到位时直接输出给开状态指示%i0.6.0，阀门开状态指示灯常亮；同时把辅助继电器m10复位得失电，停止输出开阀动作%i0.5.0。如果阀门开动作过程异常，通过时间继电器t5判断超时未到位中间继电器m14得电，m14和快脉冲 m1002组合把快脉冲信号通过中间继电器m12给开状态指示%i0.6.0，通过快脉冲即指示灯快闪烁来显示阀门开故障报警状态，见图4 。遥控阀关阀控制逻辑跟开阀一样，仅仅改变输入输出点就能实现。

2.2 基于组态王的阀门控制人机交互画面设计

遥控阀门除了在控制箱上进行按钮（旋钮）式控制，还需在人机界面上进行交互式控制，人机界面开发生成的软件就是工控组态软件。本项目以组态王为组态开发软件对船用阀门遥控控制系统的人机界面进行开发。组态王软件由工程管理器、工程浏览器和运行系统三部分构成，项目根据5个步骤（新建工程、硬件组态、数据词典组态、画面组态和配置运行系统）依次设计。

首先在组态操作画面上设计阀门的4种状态：当阀全开时显示绿色，如图5所示；当阀全关时显示红色，如图6所示；当阀门运行状态时显示灰色，如图7所示；当阀故障状态时显示黄色，如图8所示。

图5 阀全开

图6 阀全关

图7 阀运行

图8 阀故障

然后进行阀门的操作控制画面设计。进行阀门遥控操作时，当点击画面中任一阀时，会自动弹出操作框（见图9），点击一次相关按钮即为操作相应阀门开或关控制。最后，根据全船管系设计全船的遥控阀门控制系统，模拟管系控制画面参见下页图10。

图9 操作框

2.3 通讯与连接

基于组态王软件的工业控制计算机（上位机）与基于施耐德M340PLC（下位机）两者的通讯网络是基于MODBUS TCP/IP协议的工业实时控制网络，利用物理连接设备工业级以态网交换机和超五类计算机电缆组建而成，参见图11。

图11 通讯网络

3 结 语

本文主要对船用阀门遥控控制系统的设计进行研究，涉及PLC在船用阀门遥控控制系统中的应用进行研究和基于组态软件人机组态画面在船用阀门遥控控制系统中的应用研究，并通过组建工业以太网进行设备连接，以此组成一个完整的电气自动化控制系统，应用于蓬莱中柏京鲁船业建造的1 400 标准箱集装箱船以及中船黄埔文冲船舶建造的H6011等船的阀门遥控控制中，有效提高了船舶自动化程度，且达到了国际较先进水平。