基于SoftPLC的船舶主机遥控物理仿真模拟器设计

郭家建 林贻慧

（福建船政交通职业学院船政学院，福州350007）

0 引言

自动化技术、计算机技术和通信技术在船舶驾驶中的广泛使用，使船舶自动化经历了机舱集中控制、无人值班机舱、一台大型计算机集中控制、微机监测系统和微机分布式控制等发展阶段。这对轮机管理人员的技术要求越来越高，必须对学生和船员进行训练[1]。

模拟器以一艘 1600 TEU集装箱船使用的Autochief IV 主机控制系统作为原型，采用SoftPLC实现对船舶主机遥控物理仿真模拟器的控制。利用组态软件PIMS作为上位机开发平台，进行人机交互界面的设计，使其功能的更加完善；通过数据库技术实现数据的存储及应用。与传统的轮机模拟器相比，本系统具有以下优点：

1）采用PLC 进行现场控制，现场数据的响应速度加快，运行更稳定；

2）操纵过程的数据全部储存在数据服务器中，可供师生查询及评判等；

3）船舶主机遥控物理仿真模拟器既可与上位机系统相连运行，也可自成体系单独运行。

1 船舶主机遥控物理仿真模拟器的组成

船舶主机遥控物理仿真模拟器主要硬件包括PC 机、SoftPLC控制器、仪器仪表、指示灯、控制开关等。SoftPLC采用工业以太网 Modbus TCP/IP 方式和PC 机进行数据通信。SoftPLC对现场数据进行处理，并根据设定程序完成各种控制动作。系统框图如图1 所示。

SoftPLC作为下位机，可以完成数据的采集和数据的处理。利用以太网来进行数据的传输，具有较高的传输速度及较好的可靠性和实时性。SoftPLC是整个系统的控制核心。整个系统中所有的信号数据都会传递给 SoftPLC，并且通过与PC机进行实时通讯，可以实现在上位机上进行相关的数据显示和数据处理等等。

图1 系统框图

船舶主机遥控物理仿真模拟器软件设计包括SoftPLC梯形图编辑、人机交互界面的设计和组态软件中脚本程序的编写。通过SoftPLC梯形图的编辑，可以完成系统所要求的基本功能。而在组态软件中的设计，可以使系统的功能更加完善，比如：数据的储存、故障的设置等等。

2 SoftPLC控制系统的设计

2.1 SoftPLC简介

SoftPLC是SoftPLC公司的产品，是运行在工业 PC上的一个实时多任务控制内核。它既有所有“硬”PLC的特性，又具有自己的特性，即开放结构系统。SoftPLC系列控制器是以嵌入式CPU为核心的实时控制器，符合 IEC61131-3标准，可以构建成开放式的PLC控制系统。用户可把 SoftPLC系列的控制器作为专用的运行控制器。利用 TDNG组态软件平台，可以实现常规PLC的全部功能。用户也可使用MODBUS通讯协议，连接RS-232C通信接口，把图形操作面板和SoftPLC系列的CPU连接起来。

2.2 SoftPLC程序设计

1） SoftPLC配置

根据系统的要求，对SoftPLC的I/O地址进行分配。可以通过两种方式来设置I/O地址：一是，使用“I/O MAP editor for SoftPLC”程序来设置I/O地址；二是，通过 FTP将 SPLC-2内C:SOFTPLCRUN目录下的FAMA.ISO文件删除后重新上电，系统会自动生成新的I/O映射表。

2）梯形图设计

船舶主机遥控物理仿真模拟器的功能比较复杂，涉及的器件繁多。为了实现系统的各种逻辑功能，必须对梯形图进行合理的设计。以集控室和驾驶室之间主车钟的校对控制为例，在备车状态下进行主车钟的校对，驾驶室主机控制台上把主车钟手柄推从“STOP”位至其他不同的车钟档位，发出声光报警。然后，集控室主机控制台上将主车钟手柄推至对应的档位进行应答，警报消除。在各档车令校对正常后，在驾驶室内将主车钟手柄放在“STOP”位，集控室内也将主车钟拉回“STOP”位。集控室和驾驶室之间主车钟的校对控制程序流程图如图2所示。

3 组态监控的设计过程

3.1 组态软件PIMS简介

船舶主机遥控物理仿真模拟器选择组态软件PIMS作为开发平台。PIMS 组态软件融合了先进的数据接口技术，先进的通讯技术，现场总线技术以及网络技术。组态软件PIMS具有以下功能特点：

1）实时多任务：例如，数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务在同一台计算机上同时运行。

2）强大的画面显示组态功能：组态软件PIMS提供给用户丰富的作图工具。

3）提供了良好的人机交互界面：它可提供各种图形工具、参数组态界面等，使系统功能易于实现，从而加快了系统开发速度。

4）丰富的功能模块：提供丰富的控制功能库，满足用户的要求。

5）良好的开放性：拥有庞大的驱动程序库，支持多种不同的硬件设备和通讯协议。

6）实时数据库功能：实时数据库是PIMS系统的数据处理核心，用作管理系统的数据处理，同时为PIMS的其它组件提供数据服务。

3.2 组态软件功能设计

1）构造数据库变量

为了实现逻辑控制的功能，在组态软件中必须进行程序的编写。而在编写程序之前必须定义程序中用到的变量，根据变量的不同性质可以定义为数据库变量、中间变量等。变量的数据是用来描述工控对象的状态[2]。组态软件 PIMS拥有自带的点组态数据库，将所有的I/O变量在点组态数据库中进行定义。这些 I/O变量与下位机SoftPLC对应的变量相关联，可以实现数据的读取和写入，即可以在上位机上实现系统的监控[3]。

图2 集控室和驾驶室之间主车钟的校对控制程序流程图

2）设计人机界面

人机界面是人机交互的平台，利用 PIMS软件来创建友好的人机交互界面。首先进行画面组态的设计。在组态软件PIMS中绘制出逼真的画面。这些画面生动、形象，使整个系统操作更加人性化。例如：安保系统的监控画面如图3所示。

其次，建立动画连接。画面组态是一些静止的画面，要实现动态效果必须进行动画连接。

图3 安保系统监控画面

3) 与SoftPLC进行数据通讯

要实现上位机对下位机进行监控，就必须完成组态软件PIMS与SoftPLC之间的通讯。采用Modbus通用协议通讯方式，使用TCP/IP网络连接。在组态软件PIMS中定义I/O设备，即设置设备名称、设备地址、主机地址等等参数。将组态软件PIMS中定义的I/O变量与定义的I/O设备相关联，从而实现与SoftPLC之间的通讯。

4）运行和调试

对系统进行测试，检查其能否实现船舶主机遥控模拟器所需的各项功能。下位机在运行时，查看各个监控画面，确保每一个控件显示正确。在上位机上进行操作，看下位机能否按要求实现相关的动作。模拟器在组态软件PIMS和SoftPLC共同控制下，安全稳定的运行。

4 结束语

本套模拟器采用SoftPLC作为系统控制的核心，提高了控制系统的准确性和稳定性，同时也加快了系统的响应速度。学员可以在操纵面板上进行相关科目的练习，达到培训学员的目的；同时模拟器也可以作为对轮机员进行相关评估考核的设备。此外，组态软件PIMS的使用，提高了系统的开放性，使系统的功能更加完善。

[1]王锡淮, 肖健梅, 鲍敏中. 船舶主机遥控仿真系统实时多任务软件设计[J]. 船舶, 2002,(12).

[2]刘玉敏. 组态软件中先进控制算法的开发[D]. 大庆石油学院, 硕士学位论文, 2005.3

[3]艾辉. 基于组态软件的电梯监控系统的研究[J]. 中国电梯, 2005, (15).