朱逸銘 潘萬(wàn)欣

摘 要：本船舶液位測(cè)量與閥門遙控系統(tǒng)主要由下端的數(shù)據(jù)采集模塊和PLC控制模塊以及上位機(jī)組成。上位機(jī)界面主要采用Visual Basic語(yǔ)言來(lái)編寫。利用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線將信號(hào)采集模塊采集到的模擬或數(shù)字信號(hào)全部轉(zhuǎn)換成可用數(shù)字信號(hào)傳送給上位機(jī)。通過(guò)RS485將上位機(jī)與PLC模塊相連，由PLC送出信號(hào)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥，通過(guò)控制電磁閥箱內(nèi)的電磁閥的通斷，換向，改變介質(zhì)（液壓油）走向來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門的轉(zhuǎn)向，達(dá)到閥門開關(guān)的目的，從而達(dá)到船舶油水的換路，增加船舶的自動(dòng)化程度。

關(guān)鍵詞：液位測(cè)量；閥門遙控；VB技術(shù)；Lonworks傳輸模式；PLC控制；RS485數(shù)據(jù)傳輸

緒論

隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化進(jìn)程加速，世界各國(guó)的貿(mào)易往來(lái)越來(lái)越頻繁，而航運(yùn)業(yè)在其中扮演著舉足輕重的地位。正是對(duì)船舶的依賴性日益加劇，造成了使用者對(duì)船舶的安全性，穩(wěn)定性及實(shí)用性等提出了更高的要求。船舶的智能化成為一種必然的選擇。基于這種剛性需求，我們認(rèn)為有必要對(duì)船舶的液位測(cè)量和閥門遙控系統(tǒng)作出技術(shù)改進(jìn)。

1 原理

利用性能較好的傳感器，將物理量精確的轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)?；趯?duì)底層A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)采集，通過(guò)Lonworks數(shù)據(jù)總線將底層的數(shù)字信號(hào)傳送至上位機(jī)，通過(guò)人機(jī)交互界面，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控船舶各個(gè)艙室及污水井等水位情況。通過(guò)RS485的數(shù)據(jù)傳輸，將上位機(jī)發(fā)出的控制命令傳達(dá)給PLC，用PLC去控制電磁閥，利用液壓最終驅(qū)動(dòng)閥門，達(dá)到船舶壓載油水的目的。

2 相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 傳感器的選用。傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。傳感器有以下指標(biāo)：量程指標(biāo)，靈敏度指標(biāo)，精度有關(guān)指標(biāo)，溫度指標(biāo)，可靠性指標(biāo)及其他指標(biāo)。

針對(duì)民用船舶測(cè)量精度要求不是非常高，考慮價(jià)格和實(shí)用等因素，可選用壓電式壓力傳感器。它是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。主要用于各種船舶的壓載艙，燃油艙。精度0.5%～0.125%。

特點(diǎn)：壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 Lonworks數(shù)據(jù)總線傳輸技術(shù)。在控制系統(tǒng)中，Lonworks是通用的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完全開放，通信不受通信介質(zhì)的限制。Lonworks技術(shù)的核心產(chǎn)品之一是它推出的Lonworks神經(jīng)元芯片，它是Lonworks技術(shù)在控制端的基本組成。固化了負(fù)荷OSI標(biāo)準(zhǔn)的Lontalk通信協(xié)議，使它具有強(qiáng)大的通信功能，控制功能，自診斷功能和I/O功能。Lonworks技術(shù)在雙絞線情況下，適用于長(zhǎng)距離大范圍的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳送。Lonworks技術(shù)的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：Lonworks節(jié)點(diǎn)和路由器，Lonworks協(xié)議，Lonworks收發(fā)器和Lonworks網(wǎng)絡(luò)等組成部分。

圖1 Host Base節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

在人機(jī)界面中顯示實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，必要時(shí)可以通過(guò)LonTalk協(xié)議編寫報(bào)文傳輸給二次儀表，使用更為直觀，帶屏蔽的雙絞線可以隔離信號(hào)干擾等，這些都是Lonworks能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的特點(diǎn)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（信號(hào)采集模塊）。本系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器不僅僅只是穩(wěn)定快速的轉(zhuǎn)換信號(hào)，還必須采用帶TOSHIBA3150神經(jīng)元芯片的CPU作為處理器適用于Lonworks通信系統(tǒng)。我們采用的信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)采集傳感器信號(hào)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換計(jì)算處理；把數(shù)據(jù)傳送到人機(jī)界面或其他單元。應(yīng)用模塊化，在維修時(shí)可直接更換解決問(wèn)題，大大縮短維修時(shí)間。為了適用于Lonworks總線，數(shù)據(jù)處理單元還必須將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)滿足LonTalk的報(bào)文規(guī)則，且必須每個(gè)采集模塊都必須設(shè)置自身的節(jié)點(diǎn)號(hào)，即模塊地址。

2.4 RS485傳輸技術(shù)。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議，如MODBUS協(xié)議完成設(shè)備互聯(lián)。這樣一來(lái)，船上的設(shè)備可以自帶一個(gè)數(shù)據(jù)處理終端，將本設(shè)備所需的被測(cè)量編寫進(jìn)MODBUS協(xié)議，僅通過(guò)一對(duì)雙絞線將上百個(gè)被測(cè)量點(diǎn)傳送給其他系統(tǒng)。大大節(jié)省了電纜，也給船廠施工人員和調(diào)試人員減少了很多工作量。還可以和船舶的其它系統(tǒng)相連。

2.5 VB程序編寫技術(shù)。本系統(tǒng)采用VB程序編寫，最大的優(yōu)勢(shì)在于它的易用性，可以讓經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員或是剛剛懂得皮毛的人都能用自己的方式快速開發(fā)程序。而且VB的程序可以非常簡(jiǎn)單的和數(shù)據(jù)庫(kù)連接。VB使用了可以簡(jiǎn)單建立應(yīng)用程序的GUI系統(tǒng)，但是又可以開發(fā)相當(dāng)復(fù)雜的程序。

2.6 PLC編程技術(shù)。PLC為船級(jí)社認(rèn)可的船用產(chǎn)品。且在市場(chǎng)上被認(rèn)為是穩(wěn)定，性價(jià)比較高的產(chǎn)品。PLC程序下載只需要一根通訊線，在現(xiàn)場(chǎng)修改程序非常方便。集成了MODBUS總線，可直接連接到總線上。編程軟件比較容易上手。

西門子S7-200系列PLC可應(yīng)用于各種自動(dòng)化系統(tǒng)，可以使用專業(yè)編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行程序編寫。通常S7-200用于200點(diǎn)開關(guān)量以內(nèi)，35點(diǎn)模擬量以內(nèi)，程序量在16K以內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)合。

3 需求分析

要做出一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)，首先應(yīng)該進(jìn)行需求分析，才能令設(shè)計(jì)出的監(jiān)控系統(tǒng)滿足用戶的各項(xiàng)功能。

首先，最基本的功能應(yīng)該能夠把需要監(jiān)測(cè)的各個(gè)燃料油艙，吃水撓度等主要數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)上，供船員遠(yuǎn)程監(jiān)視。其次，閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要求用戶能夠在遠(yuǎn)離閥門的位置（控制室）對(duì)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)于開關(guān)閥必須能夠開關(guān)到位，對(duì)于開度閥，必須能夠滿足船員的要求在0%-100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。開關(guān)閥門的位置反饋信息必須在上位機(jī)側(cè)準(zhǔn)確顯示。每條船舶都必須根據(jù)船體設(shè)計(jì)，在上位機(jī)上正確地反映出船舶的MIMIC圖，船舶在哪些位置有傳感器，哪些位置有遙控閥，海水淡水的進(jìn)出管路等信息。使船員能夠真正安心的在控制室里了解船舶實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。最重要的是系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)誤差不能過(guò)大，系統(tǒng)必須穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警點(diǎn)準(zhǔn)確，萬(wàn)一系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓必須有明確的提示，以避免船員因系統(tǒng)癱瘓顯示的假數(shù)據(jù)導(dǎo)致船舶發(fā)生重大事故。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)分2個(gè)部分：（1）上位機(jī)的VB程序編寫。（2）遙控閥功能實(shí)現(xiàn)的PLC程序編寫。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心在于PLC程序的編寫和上位機(jī)人機(jī)對(duì)話界面的程序編寫。其他硬件方面均可以直接采用市場(chǎng)上比較成熟的產(chǎn)品。具以下優(yōu)點(diǎn)：（1）規(guī)范性：整個(gè)系統(tǒng)的各種軟件、硬件均應(yīng)符合相關(guān)的國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及船舶所入船級(jí)社技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。（2）開放性：可以將我們采集到的信號(hào)和發(fā)送出去的命令，同時(shí)傳送給機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，VDR設(shè)備等船舶其它系統(tǒng)。（3）先進(jìn)性：先從模仿進(jìn)口產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用理念開始，不斷改進(jìn)船員在使用系統(tǒng)過(guò)程中提出的要求，更新產(chǎn)品。從而保證系統(tǒng)在技術(shù)上領(lǐng)先。（4）擴(kuò)展性：軟件、硬件平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)充、擴(kuò)展能力，能夠方便進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和更新。（5）經(jīng)濟(jì)性：產(chǎn)品自主化，可大大降低設(shè)備后續(xù)的維護(hù)及修理費(fèi)用。

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作者簡(jiǎn)介：朱逸銘（1987-），男，上海市人，助理工程師，主要從事船舶自動(dòng)化系統(tǒng)研究。