基于PLC控制器的采矿船监控系统

陈 巧，吴登云

（北车船舶与海洋工程发展有限公司，上海 201206）

基于PLC控制器的采矿船监控系统

陈 巧，吴登云

（北车船舶与海洋工程发展有限公司，上海 201206）

采矿船PLC控制系统采用PROFIBUS-DP通讯网络实现主站与从站的数据交换和分布式控制功能，以可编程序控制器为处理核心，对采矿船各设备进行安全控制和信息采集。介绍了SCADA软件系统和PLC控制系统，SCADA软件系统配合PLC控制系统对采矿船实施监控，可使监控界面直观、使用方便。实践表明，PLC控制系统性能稳定、可靠性高、监控效果理想。

采矿船；PLC；监控系统；SCADA

0 引言

随着国内工程船的不断发展和科学技术的进步，工业生产的自动化是大势所趋。因 PLC控制系统和SCADA软件系统具有较高的可靠性及系统稳定性，已成为工程船舶领域最主要的控制系统[1-2]。由于工程船需要控制的设备多，PLC采用现场总线控制技术大大简化了控制接口，降低了成本。现今，在工程船领域PLC控制系统主要应用于挖泥船[3-4]。采矿船作业工况类似于挖泥船作业工况，需实现移船、采矿、选矿等多项功能，控制较为复杂，因此，采矿船控制系统采用PLC自动化控制技术。

1 PLC监控系统设计

1.1 系统配置

本系统方案中，PLC采用德国 SIEMENS S7-300系列产品的软件和硬件，主站中央处理器单元选用CPU317-2 DP，从站由4个ET200M从站、2个变频器从站及9个多圈绝对型绞车编码器从站组成。所有PLC通过 PROFIBUS-DP总线构成独立的现场控制网络，PLC主站通过CP343-1通讯处理器模块通过工业以太网连接至全船的计算机网络。控制系统硬件组态如图1所示。

船的艏部采矿操纵台设立PLC主站，PLC控制柜设立4个ET200M分布式I/O设备的PLC从站，通过PROFIBUS专用通讯电缆依次按照采矿室操纵台、PLC控制柜顺序把PLC主站和4个ET200M从站进行总线连接构成PLC控制系统。采矿室、移位室和集控室的遥控操纵台采用硬线连接与PROFIBUS通讯相结合的方法，来实现它的控制和监控设备与其对应子站的I/O连接，达到遥控操作的目的，遥控操纵台设有相应的控制手柄、按钮、报警灯、显示仪表等。同时，采矿船绞刀控制、三缆定位、装驳绞车、横移绞车、桥架绞车等核心控制设立了现场就地控制箱，当两种控制命令同时发出时，优先进行现场控制。

图1 控制系统硬件组态图

1.2 PLC控制系统

由集成监控系统采矿工作站或传统的操纵器件完成的基本动作均可以通过 PLC（可编程逻辑控制）网络和PLC系统处理来实现，该网络完全有能力完成这些任务。PLC控制系统输入在PLC控制器内，是控制系统的控制中心，控制软件实现安全、可靠的控制，完成所有控制规则的实现[5]。本系统方案中，PLC每个模块均具有独立的电气保护措施，PLC系统具有自检功能，当PLC网络出现故障时，能自动侦测故障点，并发出报警。

采矿系统PLC主站，安装于采矿操纵台内，进行逻辑判断与指令下达。液压系统和泵机PLC从站，安装于PLC控制柜内，负责采集及控制，液压系统PLC从站实现液压泵、闸阀、蝶阀、起桥绞车、横移绞车、三缆绞车、装驳绞车等设备的安全控制和数据采集，泵机PLC从站实现绞刀、水下泵、高压冲水泵、舵桨装置及其他辅助设备的控制与数据采集。变频器从站将运行状态反馈给PLC并进行上位机显示。绞车编码器从站实现绞车的状态监视以及数据采集。

液压站和变频器从站由PLC主站控制，PLC主站完成所有与上位机和服务器的通讯，液压站和变频器的启动都需要满足既定的联锁条件。液压系统PLC从站接收采矿操纵室PLC主站发来的控制指令，通过I/O硬线连接控制液压站按照不同的工作要求驱动 9台液压绞车工作，而泵机PLC从站接收控制指令后，通过I/O硬线和 PROFIBUS通讯网络控制各个变频器按照不同的工作要求驱动1台泥泵电机、1台绞刀电机、1台高压冲水泵电机、2台舵桨电机和12台选矿电机工作，以实现对采矿船各设备的运行控制。

2.系统软件程序设计

2.1 SCADA系统软件设计

SCADA不是完整的控制系统，而是位于控制设备之上，侧重于操作、显示、管理的纯软件。SCADA系统是监控软件系统，是基于数据库的实时监控系统。它能够为用户提供丰富的监控界面，实时反映全部采矿设备的各种状态，可对全船设备进行可视化操作。采用SCADA系统，能节省许多机械触点和PLC模块I/O点，简化PLC设计电路，提高其直观性。

本船SCADA软件通过服务器与控制设备PLC相连，进行数据处理和运算。系统由两台互为冗余备用的服务器负责数据采集及处理，服务器间可以相互通讯。SCADA软件系统实时反映液压控制系统、泵机控制系统的信息。当采用 SCADA软件进行控制时，计算机进行联锁。控制命令联锁，即多台计算机及主令同步按下控制命令时，系统校验命令的重复与冲突，防止相反的命令同时被执行；分析控制命令过程是分析计算机控制命令的有效性，当命令有效时，系统将命令通过网络发送到PLC，并反馈PLC的执行情况供给上位机显示用；PLC控制命令和计算机控制命令的解析可有效得防止冲突、震荡的指令被执行。

SCADA系统功能模块包括登陆及权限控制界面、控制与监视界面、故障诊断报警界面、系统状态显示界面等。以图2所示甲板绞车抛锚杆显示界面为例，界面显示了甲板绞车工作时横移压力、角度、速度、距离、绞刀深度、转速、桥架速度及水下泵排压等。横移距离、角度、速度标尺随着相关数据的变化而填充不同的刻度值，横移绞车的升降将进行实时动态显示。

图2 甲板绞车抛锚杆显示界面

2.2 PLC程序设计

在采矿船监控系统中，需要控制的设备较多，要实现的功能也较多，本系统采用S7-300PLC控制功能进行分块编程，以确保逻辑控制的准确性及可靠性。这种编程方式使系统各个功能具有一定的独立性及相互参考性，方便后期的系统维护。每个分块程序的编写分为三个步骤，一编制逻辑程序流程图（如图3艉右锚绞车控制流程图），二确定输入变量、中间变量和输出变量，三根据相关逻辑条件编写程序。

本系统功能程序主要分为液压控制系统程序和采矿电气设备及控制功能程序两大类。液压控制系统程序包括液压泵控制，泵流量控制，电磁阀控制，系统压力、备压设定，桥架绞车控制，横移绞车控制，装驳绞车控制以及艉三缆控制；采矿电气设备及控制功能程序包括变频器切换，变频器调速，水下泵、1号舵桨驱动系统控制，绞刀、高压冲水泵、2号舵桨驱动系统控制，选矿泵控制等功能程序。

以图4 1#选矿变频器控制程序为例进行简单的介绍。从图4程序中可以看出，当中间变量 M300.3、M324.4、M324.3、M606.1 的信号状态全部为“1”，M324.1、M324.2和M606.2的信号状态全部为“0”时，则置位存储器位 M509.6，M424.0是“1”，1#精选变频器起动。无论 M300.3、M324.4、M324.3、M324.2、M606.1的信号状态为“1”或为“0”，只要 M324.1和M606.2任一变量的信号状态为“1”时，将因顺序关系执行复位指令，复位优先，则复位存储器位 M509.6，M424.0是“0”，处于复位状态。

图3 艉右缆绞车控制流程图

图4 1#选矿变频器控制程序

3.结论

经实践应用证明，PLC 监控系统采用PROFIBUS-DP通讯网络实现了分布式控制，大大降低了现场连接工作量和费用，并提高了信号传输精度、灵活性和抗干扰性。本课题采用SCADA软件系统配合 PLC系统对采矿船实施监控，其监控界面直观，使用方便，提高了监控系统的稳定性和可靠性，为后续 PLC控制系统在工程船中的应用提供了一定的指导意义。

[1]曾湘.试析 PLC控制系统的可靠性设计问题[J].企业技术开发,2011,30(22): 106-107.

[2]刘小春.SCADA自动化软件在电力系统监控中的应用.制造业自动化[J],2012,34(2): 48-50.

[3]龙红刚,梁朝宇.基于PLC通讯网络的绞吸式挖泥船集成监视与控制系统[J].广东造船,2011,(05): 58-61.

[4]杨明,柯常国,陶勇.绞吸式挖泥船控制系统设计[J].船电技术,2013,33(1): 43-46.

[5]西门子S7-300参考手册[M].西门子（中国）有限公司.

Monitoring System Based on PLC Controller for Mining Vessel

CHEN Qiao,WU Deng-yun
(CNR Ship and Offshore Engineering Development Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

The function of data exchange and distributed control between the master and slave station is achieved with PROFIBUS-DP communication network in the PLC control system of mining vessel.Taking programmable controller as core treatment unit,the information collection and safety control are performed for the devices of mining ship.SCADA software system and PLC control system are introduced in this paper.The mining ship is monitored by SCADA software system in combination with PLC control system.The monitoring interface is intuitive and it is convenient to use.The practical application shows that the control system has stable performance,high reliability and ideal monitoring effect.

mining vessel; PLC; monitoring system; SCADA

TP273+.5

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.004

陈巧（1986-），女，工程师，硕士研究生，从事船舶自动化控制工作。