王守博，　丁　佳

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司, 自動(dòng)化事業(yè)部, 上海 200135)

船模螺旋槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王守博，丁佳

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司, 自動(dòng)化事業(yè)部, 上海 200135)

摘要:船模螺旋槳控制系統(tǒng)是為實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行船模水池試驗(yàn)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。為了滿足測(cè)試環(huán)境、控制精度和響應(yīng)速度的要求，船模螺旋槳控制系統(tǒng)采用西門子新推出的S7—1200 PLC控制器和V80伺服驅(qū)動(dòng)器組合。通過測(cè)試和驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)滿足實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)船模測(cè)試的控制要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的效果。此外，結(jié)合項(xiàng)目詳細(xì)說明了如何應(yīng)用S7—1200PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:螺旋槳；動(dòng)力定位；S7—1200 PLC控制器；V80驅(qū)動(dòng)器

1系統(tǒng)概述

船模水池試驗(yàn)是模擬實(shí)船運(yùn)行的有效手段，而船模螺旋槳控制系統(tǒng)是專為船舶(海上浮動(dòng)吊裝平臺(tái))動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行船模水池試驗(yàn)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。為縮短船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的研制和調(diào)試時(shí)間，在模擬海上風(fēng)、浪、流的試驗(yàn)水池中控制與實(shí)船/船模等比例的船模螺旋槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的控制方法和算法，完成實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。船模結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2關(guān)鍵技術(shù)及其解決

在海洋工程平臺(tái)和科學(xué)考察船中，動(dòng)力定位系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)于海洋工程平臺(tái)作業(yè)和科學(xué)考察船精確采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而言具有重要影響，而實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)是通過控制船上的4個(gè)方位螺旋槳的動(dòng)作來完成的。因此，在模擬試驗(yàn)水池中，船模螺旋漿控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)海風(fēng)、波浪、海流的變化，以及實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)出的命令，快速、準(zhǔn)確控制船模上4個(gè)方位螺旋槳的動(dòng)作，確保實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)測(cè)試的有效性。

2.1控制的實(shí)時(shí)性

當(dāng)船模受到風(fēng)、浪、流改變的影響時(shí)，螺旋槳的實(shí)時(shí)響應(yīng)非常重要。控制系統(tǒng)接收來自實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)的相關(guān)命令，通過驅(qū)動(dòng)螺旋槳輸出。響應(yīng)時(shí)間取決于通信的速率和控制器的指令執(zhí)行時(shí)間。實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)與PLC控制器采用PROFINET通信，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10/100 Mbit/s；S7—1200 PLC控制器控制時(shí)，指令運(yùn)行快，布爾運(yùn)算執(zhí)行速度為0.08 μs/指令；V80電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有45 ms的脈沖濾波常數(shù)，從脈沖指令結(jié)束到伺服電機(jī)定位完成僅需約150 ms，滿足實(shí)時(shí)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

圖1　浮吊平臺(tái)幾何相似船模結(jié)構(gòu)示意圖

2.2控制的精度問題

實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)的精度取決于4個(gè)螺旋槳的方向和速度的控制精度，螺旋槳的變速和變向通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在控制螺旋槳轉(zhuǎn)速電機(jī)時(shí)，S7—1200PLC控制器的高頻脈沖串(PTO)輸出的最大頻率可達(dá)100 KHz，設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的指令脈沖分辨率為1 000 P/R，在額定的電機(jī)轉(zhuǎn)速下控制精度為1.5 r/min，可以滿足速度控制誤差<3 r/min的要求；在控制螺旋槳轉(zhuǎn)向電機(jī)時(shí)：螺旋槳電機(jī)配置一個(gè)10:1的減速機(jī)連接到螺旋槳轉(zhuǎn)向控制器，在設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的指令脈沖分辨率為1 000 P/R的情形下，S7—1200PLC控制器輸出10 000個(gè)脈沖，螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，其控制精度理論上達(dá)到 ±0.036°，可以滿足<0.1°的控制要求。

2.3船模試驗(yàn)的環(huán)境

受設(shè)備尺寸及其重量的限制，部分設(shè)備不能安裝在船模上；船模在水上運(yùn)動(dòng)，控制設(shè)備和試驗(yàn)操作臺(tái)固定安裝在岸上，無法直接控制船模螺旋槳和直接采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，優(yōu)先選擇體積小、重量輕的控制器件。把裝有控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制箱水平橫臥在船模的底板上，整體處于船模甲板以下；岸上也配置有控制箱和1個(gè)上位機(jī)。操作人員在岸上進(jìn)行控制，2個(gè)操作箱之間通過網(wǎng)線連通，控制指令和采集信號(hào)通過以太網(wǎng)對(duì)船上的設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集傳輸，最大程度地減小了岸上與船模之間的電纜連接，而且網(wǎng)線比較細(xì)，可以在進(jìn)行風(fēng)力和水流模擬干擾船模測(cè)試時(shí)降低對(duì)測(cè)量的影響。

3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(與動(dòng)力定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)共有)、S7—1200 PLC 控制器和V80驅(qū)動(dòng)器電機(jī)組成。

總體布局分岸上和船模上2部分：岸上為測(cè)試工程師站，配置定位控制計(jì)算機(jī)、S7—1200 PLC 控制器和交換機(jī)；船模上為控制驅(qū)動(dòng)部分，配置4個(gè)S7—1200 PLC、4套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器和交換機(jī)，每套驅(qū)動(dòng)器控制2臺(tái)伺服電機(jī)，分別控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。船模上部分和岸上部分通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2。

3.1動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

SINAMICS V80驅(qū)動(dòng)器電機(jī)組合是專門為經(jīng)濟(jì)型應(yīng)用設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，尺寸為120 mm×35 mm×120 mm(高×寬×深),書本型安裝形式。其與伺服電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過脈沖輸入接口直接接收高頻脈沖序列，進(jìn)行速度和位置控制。根據(jù)船模螺旋槳驅(qū)動(dòng)要求，方向控制精度可以達(dá)到0.1°,速度控制誤差<3 r/min，起動(dòng)時(shí)間可以控制在0.5 s，選擇這款伺服控制系統(tǒng)與高速脈沖輸出的PLC配套，性價(jià)比高，同時(shí)其緊湊型結(jié)構(gòu)也滿足船模上安裝尺寸的限制要求。圖3為伺服控制器與伺服電機(jī)外形，表1為驅(qū)動(dòng)部分選型配置。

圖2　船模動(dòng)力定位螺旋槳控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3　SINAMICS V80伺服控制器和電機(jī)外形圖

序號(hào)元件名稱廠家單位功能型號(hào)1V80驅(qū)動(dòng)器西門子個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器6SL3210-5CB11-1AA02V80伺服電機(jī)西門子個(gè)運(yùn)行電機(jī)1FL4032-0AF21-0AA03V80電機(jī)動(dòng)力、控制及編碼器電纜西門子套連接驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)自制

3.2控制系統(tǒng)

考慮到船模上安裝尺寸的限制，控制系統(tǒng)采用與控制驅(qū)動(dòng)器配套的西門子SIMATIC 控制器系列的新產(chǎn)品S7—1200 PLC。其尺寸只有120 mm×35 mm×120 mm(高×寬×深),是一款節(jié)省空間的模塊化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，適合于邏輯控制和網(wǎng)絡(luò)功能的小型自動(dòng)化系統(tǒng)，是控制系統(tǒng)的較佳選擇。控制器的配置見表2。

該系統(tǒng)集成了PROFINET 網(wǎng)絡(luò)接口，用于編程、HMI 通信和PLC 間的通信。此外，其還通過開放的以太網(wǎng)協(xié)議支持與第三方設(shè)備(計(jì)算機(jī))的通信。該接口帶有一個(gè)具有自動(dòng)交叉網(wǎng)線(auto-cross-over)功能的RJ45連接器，提供10/100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持TCP/IP native、ISO-on-TCP 和S7 通信協(xié)議，PLC控制器外形見圖4。

圖4　PLC控制器外形

船?？刂葡涞?個(gè)PLC主要用于控制4個(gè)螺旋槳，需與驅(qū)動(dòng)控制器的高速脈沖信號(hào)接口配套。因此，選擇6ES7 214-1AE30-0XB0這款CPU。該CPU供電電源為24 V直流電；數(shù)字量輸入信號(hào)為24 V直流高電平，晶閘管輸出24 V直流信號(hào)電壓。該CPU集成了2個(gè)高速脈沖輸出端，當(dāng)組態(tài)成PTO時(shí)，將輸出最高頻率為100 kHz的50%占空比高速脈沖，用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方向伺服電機(jī)和速度伺服電機(jī)。

表2　控制器部分選型配置

3.3PLC 與V80驅(qū)動(dòng)控制器接線的連接

PLC對(duì)V80伺服控制器的脈沖控制采用集電極開路控制方式，采用方向符號(hào)加脈沖列輸入(SIGN+PULS信號(hào))，見圖5。

圖5　集電極信號(hào)控制形式

為了保證V80控制器的安全，脈沖信號(hào)的回路電流需限制在7～15 mA。解決的辦法在PLC輸出與V80控制器輸入之間串聯(lián)一個(gè)阻值為2.2 kΩ的電阻,這樣可把電流限制在10.9 mA。

V80控制器的4個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)(報(bào)警、剎車OK、定位完成和零點(diǎn)信號(hào))需要送給PLC采集。V80控制器的輸出采用的是光電隔離的NPN型三極管輸出，這些信號(hào)連接到S7—1200 PLC時(shí)，需要把PLC 的公共點(diǎn)M 接24 V直流電，只有這樣，S7—1200 PLC才能正確接收 V80控制器輸出的狀態(tài)信號(hào)。S7—1200 PLC與V80伺服控制器的接線見圖6。

4軟件實(shí)現(xiàn)

S7—1200 PLC的編程軟件工具是西門子博圖軟件TIA PROTALV12版本，與Step7編程軟件不同的是，博圖軟件采用了更形象化的圖形組態(tài)和模塊化的控制指令方式，支持西門子全系列自動(dòng)化控制器產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)組態(tài)與編程。

4.1通信的建立

在運(yùn)行博圖軟件后，首先創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，在設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)中添加新設(shè)備。圖7為PLC網(wǎng)絡(luò)連接圖，按實(shí)際CPU類型添加了5個(gè)PLC控制器，各PLC之間通過PROFINET創(chuàng)建連接，分配同一網(wǎng)段下的IP地址，子網(wǎng)掩碼統(tǒng)一設(shè)定為255.255.255.0。

圖6　PLC與V80接線圖

圖7　PLC網(wǎng)絡(luò)連接圖

4.2通信功能的實(shí)現(xiàn)

PLC與第三方設(shè)備通信時(shí)，需要約定好交換數(shù)據(jù)的格式和長(zhǎng)度，在每個(gè)PLC中建立2個(gè)數(shù)據(jù)塊，分別為發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)和接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)。為每個(gè)PLC控制器分配一個(gè)站號(hào)，用于識(shí)別數(shù)據(jù)的來源。通信數(shù)據(jù)格式定義見表3。

功能碼定義規(guī)則為03：讀取控制狀態(tài)字； 04：寫入控制命令； 05：保留； 06：保留； 07：保留； 08：回路檢測(cè)。

PLC通信通過選擇通信指令集中的開放式用戶通信TSEND-C 和TRCV-C 指令來實(shí)現(xiàn)。

連接參數(shù)可通過組態(tài)該指令中的連接參數(shù)填入，也可以直接在梯形圖指令塊的輸入輸出端填入，前一種方式更加形象、直觀。

4.3電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

S7—1200 PLC控制器發(fā)出高頻脈沖序列輸出到V80驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入接口，V80驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)連接編碼器，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)成了閉環(huán)控制，S7—1200 PLC控制器通過讀取驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理見圖8。

表3　通信數(shù)據(jù)表

在編寫PLC程序時(shí)，首先創(chuàng)建一個(gè)新的控制對(duì)象，并選擇相應(yīng)的脈沖發(fā)生器，對(duì)伺服電機(jī)的使能和就緒反饋信號(hào)、電機(jī)的機(jī)械物理特性、動(dòng)態(tài)運(yùn)行速度和加速度及尋參方式等進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定，在編程中調(diào)用該運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象。

以螺旋槳轉(zhuǎn)速控制為例，PLC控制該電機(jī)運(yùn)行為速度模式，在控制對(duì)象的工藝參數(shù)中設(shè)定最大速度和最小速度、加速度和減速度等(見圖9)。在對(duì)程序功能塊MC_MoveVelocity進(jìn)行編程時(shí)，填寫控制對(duì)象的背景數(shù)據(jù)塊、使能和速度設(shè)定值，其速度的提升和下降按照工藝參數(shù)中加速度和減速度的設(shè)定來控制，其最高速和最低速也限制在工藝參數(shù)設(shè)置的范圍內(nèi)。工藝參數(shù)設(shè)置和PLC程序控制指令配合實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的操控。

圖8　電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖

圖9工藝參數(shù)和控制指令

圖10　PLC程序邏輯框圖

4.4控制實(shí)現(xiàn)

螺旋槳的控制是由實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給PLC控制器，PLC控制器發(fā)出高頻脈沖信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)傳送通信的實(shí)時(shí)性確保了命令執(zhí)行的有效性；螺旋槳位置信號(hào)的準(zhǔn)確采集確保了控制的精度。這是一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，工作狀態(tài)非連續(xù)，每次PLC通電后，對(duì)螺旋槳位置數(shù)據(jù)進(jìn)行記憶恢復(fù)，使操作人員不用每次電后都要進(jìn)行零點(diǎn)校正工作。PLC程序主要執(zhí)行定位數(shù)據(jù)檢測(cè)和邏輯控制，其邏輯框圖見圖10。

系統(tǒng)通電進(jìn)行初始化，在螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)檢測(cè)正常后，進(jìn)行螺旋槳位置值數(shù)據(jù)恢復(fù)，PLC與實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信全部完成后，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行控制狀態(tài)。實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分別向4個(gè)PLC發(fā)送螺旋槳轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的指令，PLC 根據(jù)指令去控制伺服電機(jī)運(yùn)行，并把運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)反饋給實(shí)船動(dòng)力定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，最后把當(dāng)前螺旋槳位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器中，確保螺旋槳位置信號(hào)不丟失。

5結(jié)語

該船模螺旋漿控制系統(tǒng)自投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，控制動(dòng)作及時(shí)、到位，圓滿完成了平臺(tái)動(dòng)力定位的模型研究任務(wù)，項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似項(xiàng)目的硬件選型和軟件編程具有指導(dǎo)意義。由于系統(tǒng)在空間布置上的局限性，控制器和驅(qū)動(dòng)器在選型上對(duì)外形尺寸及質(zhì)量有更加嚴(yán)格的要求。在項(xiàng)目預(yù)算允許的情況下，該系統(tǒng)也有進(jìn)一步優(yōu)化的方案：水中船模和岸上實(shí)船模擬控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信方式由網(wǎng)線連接改為無線傳輸，船模用電改由UPS電源提供，這樣可使船模受外界干擾的因素減少到最少。

參考文獻(xiàn)：

[1]張春. 深入淺出西門子S7—1200 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

收稿日期：2014-11-10

作者簡(jiǎn)介：王守博(1974—)，男，山東德州人，工程師，主要從事工業(yè)電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

文章編號(hào)：1674-5949(2015)01-037-07

中圖分類號(hào)：TP273；TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and Implementation of Ship Model Propeller Control System

WangShoubo,DingJia

(China Shipping Network Technology co., Ltd, Industrial Automation Division,

Shanghai 200135， China)

Abstract:The ship model propeller control system is designed for testing ship dynamic positioning system in the laboratory environment. The control system consists of a combination of S7—1200 PLC controller and V80 servo drives which features high control accuracy and quick response. The tests prove that the control system satisfies the ship model testing requirements of the ship dynamic positioning system. The design technique of the system with S7—1200 PLC controller is described through the process of the development of the system.

Key words:propeller; dynamic positioning; S7—1200 PLC controller; V80 driver