基于PLC的轮机模拟器主机遥控系统的设计与实现分析
时间：2020-05-27 03:52:48 来源：达达文档网 本文已影响 人 
曾洛军
摘要：在轮机模拟器中，主机遥控系统的应用可提高船员操作动力设备的能力，保障船舶的正常运行，避免海上交通事故的出现。基于此，本文将轮机模拟器的主机遥控系统为研究对象，从设计要求、硬件、软件三方面入手，分析基于PLC的轮机模拟器主机遥控系统的设计与实现方法，为轮机模拟器的有效应用提供帮助。
Abstract：
In the marine engine simulator， the application of the host remote control system can improve the crew"s ability to operate power equipment， ensure the normal operation of the ship and avoid the occurrence of marine traffic accidents. Based on this， this paper takes the host remote control system of the marine engine simulator as the research object， and analyzes the design and implementation methods of the PLC-based host remote control system of the marine engine simulator from the aspects of design requirements， hardware and software， to provide help for the effective application of the marine engine simulator.
关键词：PLC;轮机模拟器;主机遥控系统
Key words：
PLC;marine engine simulator;host remote control system
中图分类号：U664.82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）11-0262-02
0 引言
主机遥控系统是实现船舶自动化的关键，可为船舶的无人值班机舱落实提供技术支持。为保障主机遥控系统功能的有效发挥，需对船员进行相关培训，而实船培训的投入成本高、风险大，船舶企业大都应用轮机模拟器，配置相应的主机遥控系统，模拟船舶操作，为船员熟悉船舶操作提供支持，提升培训效益。
1 轮机模拟器主机遥控系统设计要求
轮机模拟器的主机遥控系统设计阶段，首先必然是提高控制系统的控制精度，PLC控制系统本身具有较高的精度控制水平，然而考虑到轮机系统的复杂性和高安全运行要求性，要建成PLC控制系统的定制化系统，其可以广泛收集当前的设备运行信息和可获取的反馈性信息，代入到控制系统之中后，系统的数据分析结构找到目前的运行缺陷，并把该信息上传给遥控系统，并根据实际运行状态发出遥控新号，同时发出的遥控新号也要具备高响应性，需要考虑对信号的分析效率和分析精确度，防止发出的控制指令无法被控制系统接收。
其次是针对控制系统的响应速度分析，无论何种控制系统都要具备高相应速度，对于轮机模拟器的主机遥控系统，对发出指令的响应速度要求更高。PLC控制系统的设计中，要明确该系统的时域响应特点，分析控制精度的同时，协调该控制系统的运行速度。此外由于PLC控制系统为传统控制论下的一类控制方法，所以在系统的运行阶段会发出连续性的控制信号，无需考虑数字控制信号等现代控制技术，带来的问题是模拟信号的抗环境干扰能力较差，要考虑信号线的布设区域、信号的冲突以及环境干扰因素。
最后是建立分级控制体系，轮机系统实际运行要大量的设备协同运行，把所有的设备运行状态信息同时获取并计算，PLC系统的运行难度和任务量过大，会导致信息丢失。建成的分级遥控控制系统，终端为信息显示界面和遥控软件，中间层获得的信息涵盖轮机系统运行参数、电力参数、设备运行阶段的各项故障表现参数等，经过对数据的计算之后输出，并通过设置的干扰信息清除系统保证输出结果的精度[1]。
2 基于PLC的轮机模拟器主机遥控系統的硬件设计与实现
2.1 界面设计
第一，驾驶台界面。在主机遥控系统中，驾驶台需设计为虚拟操作界面，船员可利用鼠标的点击与拖拽操作，模拟实船的驾驶台操作。在实际设计中，技术人员可将上位机组态软件的PIMS开发功能为基础，设计并实现界面。设计后的驾驶台界面涵盖车钟系统、遥控系统面板、参数仪表区以及急停按钮等部分。其中，车钟系统涵盖主、副车钟及应急车钟三部分;遥控系统面板涵盖指示灯及相应的按钮;应急按钮主要负责船舶驾驶室的应急停车。为发挥轮机模拟器的培训功能，设计的驾驶台界面可支持培训师工作站与数据服务器的共享[2]。
第二，集控台界面。在开展集控台设计时，技术人员需参照实体船舶的结构。在实际设计中，技术人员将集控台界面设计为开关、按钮、指示灯、仪表等部分，为保障集控台功能的发挥，上述器件均和PLC中的I/O模块连接。结合集控台的功能需求，界面主要涉及安保、调速、车钟系统、温度等控制面板及相应的指示灯。
第三，操纵台界面。在主机遥控系统中，操纵台界面主要设置在轮机附近，涵盖副车钟、应急车钟、调节设备及按钮等器件。为保障其操纵功能，船員在机旁应急操纵主机时，设计人员通过有效设计，确保主机油门调节杆和调速器执行机构分离，进而和机旁的油门调节设备连接。
2.2 PLC设计
在选择PLC控制器时，技术人员需确保其功能符合主控系统的要求，选择兼备稳定可靠性、使用便捷性且成本较低的控制器。结合船舶主机遥控系统的功能要求，技术人员可选择AB Compact Logix系列的控制器，该型号的PLC控制器具备RS—232通讯端口，用户可根据实际需求，选择Ether Net/IP或Control Net通讯方式。和传统通讯方式相比，这两种通讯方式具有功耗低、功能多元的优势，可支持文本、梯形图等程序的编程。
在明确上述硬件后，技术人员需结合主机遥控系统的运行需求，设置相应数量的输入点及输出点。具体而言，对于数字量来说，其输入点需控制在150个左右，输出点需控制在280个左右;对于模拟量来说，其输入点需控制在3-5个，输出点需控制在35个左右。技术人员需根据上述输入点及输出点要求，进行相应硬件模块的选择。
3 基于PLC的轮机模拟器主机遥控系统的软件设计与实现
3.1 设计前的准备
第一，组态PLC。在主机遥控系统的软件设计中，组态PLC主要涵盖控制器及I/O模块两项，在其设计中，技术人员可将RSLogix5000软件作为开发平台，将该开发平台的工程文件为基础，进行PLC控制器相关组态、数据、文本及逻辑等内容的存储。在组态PLC中，组态控制器涵盖的信息内容较多，涉及PLC控制器的类型、参数等，为确保其与I/O模块的有效通信，技术人员需合理选择I/O模块的配置区域，通常将其设置于I/O组态文件夹中，并在文件夹中标明I/O 模块的基本信息。
第二，I/O分配。在组态PLC设置完成后，技术人员需做好I/O分配工作。在主机遥控系统的控制器中，技术人员需为物理盘台的所有涉及输入量或输出量的设备进行I/O分配。
第三，自定义指令。在主机遥控系统中某些功能一致，但需重复使用的梯形图逻辑，设计人员需按照一定规则将其封装成自定义的功能指令，避免后续设计时的重复工作，提高设计效率。以指示灯的测试指令为例，设计人员的自定义指令如下，在程序运行开始后，如果指示灯测试按钮按下1，则指示灯亮，即测试结束。
第四，信号处理。在主机遥控系统设计中，信号处理是指对模拟量输入信号的处理，主要涉及以下三类：集控室车令信号、集控室转速设置信号以及机旁油门调节信号。技术人员需将上述信号设置为4-20mA的电流信号，这类信号在通过A/D变换后，在PLC控制器中以整型数字量信号方式存在，且表现出无量纲特征，在变换处理后，即可获得系统所需的工程量。
第五，界面开发。在主机遥控系统设计中，技术人员可选择PIMS组态软件作为开发平台，对操纵界面进行全面可靠的开发。该开发平台支持界面设计、连接设计及语言编写等多项功能，可实现文本、矩形及单选框等多个文字或图形的处理，满足主机遥控系统的界面设置要求[3]。
3.2 系统程序设计
在系统程序设计中，设计人员需根据功能需求，合理设计相关程序。本节以以下几种功能为例，分析系统程序设计要点。
第一，操纵地点选择功能。在船员培训中，常用的操纵培训地点有机旁、集控室、驾驶室这三类。在实际船舶运行中，为保障船舶运行安全，这三个区域的操纵存在相互联锁机制，在船舶运行期间，只能保持一个操纵部位有效，且这三个操作地点存在优先级区分。其中机旁的控制级别最高，集控室的控制级别产值，驾驶室的控制级别最低。在操作地点选择中，设计人员利用切换开关的设计来实现，共需设计两个切换开关，分别是设置在机旁操纵台的LOCAL/REMOTE切换开关，以及设置在集控台上的ECR/BR切换开关。
第二，换向功能。如果车令和凸轮轴存在区域差异，则主机需换向处理，换向涵盖正常换向和应急换向。在主机遥控系统中，这两种换向在停车时无差别，仅在应急操纵指令中存在不同。如果正车处于最大转速状态，主机突然将车钟从争车位转变倒车某档位，则需进行换向处理。在该情况下，正常换向逻辑会在主车的转速下降至换向转速时，发送相应的换向指令。如果存在应急操纵现象，应急换向逻辑会在转速下降至应急换向转速时，发送相应的换向指令。由此可见，和正常换向相比，应急换向的指令更早发出，响应时间更短。
第三，起动功能。在主机遥控系统中，主机起动主要有慢转、正常、重起以及三次重复起动组成。其中，慢转起动并非主机起动必要环节，仅是在主机停车不符合规定要求的基础上，方可实施慢转起动过程，此后再进行正常起动。在主机运行中，正常起动属于第一次起动，如果起动不成功，则需开展重启或三次重复启动。如果三次起动都不成功，就表明起动失败。
第四，车钟通信功能。在主机遥控系统中，车钟通信主要是指驾驶室和集控室、机旁间的通信，通过主/副车钟或应急车钟实现通信。为保障主机遥控系统的有效通信，技术人员需明确不同车钟的通信内容。通常来说，主车钟主要负责动车车令的发送及相关回令信号的通信。为保障主机遥控系统的运行安全，如果车钟未在要求时间内收到相应的回令信号，系统以声信号和光信号的形式报警。如果主机遥控系统将驾驶室作为控制位置，驾驶室会延时五秒给出回应[4]。
4 结论
综上所述，在开展轮机模拟器主机遥控系统的设计前，技术人员需明确系统的设计要求，并分别进行硬件与软件的设计。通过本文的分析，在硬件设计中，技术人员需做好界面设计与PLC设计;在软件设计中，技术人员需开展组态PLC、I/O分配、自定义指令、信号处理及界面开发等准备工作，再设计各项功能程序，保障主机遥控系统各项功能的有效实现。
参考文献：
[1]刘林华，张予祥.基于Free RTOS+ARM架构的遥控控制器设计[J].上海船舶运输科学研究所学报，2019，42（04）：32-37.
[2]孙志元，蒋春燕，李泽萌，等.一种基于气电混合控制方式的主机遥控及监视报警装置设计[J].中国设备工程，2019（17）：76-77.
[3]吴富民，陈岱岱，李培正，等.转速采集异常情况下的主机遥控技术研究[J].无线互联科技，2019，16（10）：126-127.
[4]袁景超.PIMS技术在舰船主机遥控虚拟操作系统的应用[J].舰船科学技术，2019，41（04）：82-84.
