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渔船捕捞装备集中控制管理平台的研制

时间:2024-12-22

徐志强,倪汉华,羊衍贵,马长震

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,农业部渔业装备与工程重点开放实验室,上海 200092;2.同济大学机械与能源工程学院,上海 201804)

我国是一个渔业大国,但不是一个渔业强国,捕捞装备技术与世界渔业发达国家相比具有很大差距,自动化程度低、设备可靠性差等问题比较突出.通过现代数字管理技术在渔船捕捞设备上的应用研究,将可显著提高劳动效率,减少人力资源消耗,避免人力或机械的重复劳动[1-2].

渔船捕捞装备相对较多,为方便统一管理,需将设备状态通过传感器统一集中反馈在一台控制器上,再使用组态软件构建组态界面,方便工作人员监控各个设备的运行状态.现流行的组态软件,诸如WinCC、组态王、通用监控系统(Monitor and Control Generated System,MCGS)等,均可以完成诸如动画制作、数据采集、报警提醒、实时显示、历史数据查阅,处理以及打印等工作.组态软件集成市场上常用控制器的通讯代码,即使设计人员不了解通讯代码也能够轻松完成组态软件与控制器之间的数据通讯.利用S7-200与MCGS组态软件之间的数据交互,构建集中控制交互平台,实现工作人员根据现场数据反馈,远程遥控设备运行.

1 软件介绍

1.1 MCGS组态软件概述

MCGS是一种用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行.通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式提供解决实际工程问题的方案,在自动化领域有着广泛的应用.

MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式,为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息;用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段,增强画面的动态显示效果;对图元、图符对象定义相应的状态属性,实现动画效果.

1.2 PLC 概述

PLC是一种具有逻辑、定序、定时、计数、四则运算以及PID(Proportion Integration Differentiation)运算特殊功能的数字式工业顺序控制器,适用于间歇过程和机械加工过程的常规控制.虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称,但PLC内部并非实体上具有这些硬件,而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑,并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制,因此能大大减少控制器所需之硬件空间.PLC目前的主要品牌有:美国AB、和利时、ABB、松下、西门子、汇川、三菱、欧姆龙、台达、富士、施耐德、信捷和创研[3].

2 集中控制管理平台构建

2.1 方案确立

整套控制管理平台的构建,其核心技术就是完成将速度、位移、压力等传感器信号传输给集中管理系统(比如计算机,PLC-200等控制器),然后由集中管理系统将分析后的数据转化为控制信号传输给执行机构做输出控制的过程.其原理如图1所示[4-6].图中CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴,PCI(Periheral Component Interconnect)为外设组件互连标准.

构建控制管理平台除了采用必要的传感器(如压力传感器与流量传感器)监控流量、压力等信号外,主要任务是完成MCGS与PLC之间的数据交互构建,二者的数据交互从数字量和模拟量两方面考虑,数字量用3位4通电磁换向阀通断控制作例子,模拟量用变量泵排量变化控制作例子.用MCGS构建集中管理平台界面,完成与PLC的数据通讯设置.完成数字量的处理,在组态界面上编写模拟按钮,控制3位4通电磁换向阀的位置,同时将电磁换向阀的位置状态以指示灯亮或是灭的方式反馈在组态界面上;完成模拟量的处理,在组态界面上编写模拟量输入构件,控制变量泵排量,同时将压力传感器、流量传感器反馈的量值在组态界面上显示.整个交互过程如图2所示,控制器对执行机构的控制输出以及传感器的反馈输入,均可通过组态界面完成与显示.

图1 渔船自动化系统原理图Fig.1 System principle diagram of fishery boat automation

图2 交互平台构建示意图Fig.2 Diagram of exchange platform

2.2 PLC与各传感器、控制对象接线示意以及地址分配

选用西门子S7-200系列PLC CPU 224XP作为控制器,数字量14入10出,模拟量2入1出.PLC的地址定义如表1所示,PLC与传感器的接线如图3所示.图3中A,B,M,N,I,V,M,L,AC为该型号PLC硬件上的标示,具体接线可到西门子公司网页下载该公司的S7-200输入与输出模块的接线图册.

数字量输入:图 3 的开关按钮 I0.0,I0.1,I0.2,分别对应通断换向阀的左位、右位电磁铁以及换向阀回中位等,而在集中控制平台中使用组态软件的模拟按钮代替.

数字量输出:Q0.0,Q0.1分别接入换向阀的左位、右位电磁线圈上.

模拟量输入:压力传感器和流量计,需要串连24 V DC工业电源.

模拟量输出:变量泵控制需要将PLC的控制信号输出到比例放大器,由比例放大器将0~5 V的电压型的控制信号转成100~800 mA电流信号以控制变量泵排量大小[7].

表1 PLC CPU 224XP地址Tab.1 Addresses of PLC CPU 224XP

图3 PLC与各传感器以及控制对象接线示意Fig.3 Links between PLC and controlled objects,sensors

2.3 PLC的控制程序编写

开关量以及各模拟量的地址合理分配,将地址对应接口与开关以及各传感器连接完毕后,需要运用西门子STEP 7-MicroWIN V4.0 SP3编程软件完成软件编译,将开关、传感器以及采集数据与PLC内部地址相连接.

换向阀的左、右位控制以及停止控制需要2条触发程序,I0.0与I0.1为互锁结构,保证左、右位按钮不能同时有效,而中位信号I0.2作为2条触发程序的前提条件,一旦满足I0.2,2条触发程序均中止.

表2 开关量及模拟量输入/输出地址Tab.2 Addresses of switch signals and analogs

流量计采集的流量值信号、传感器采集的压力信号,通过PLC的AD转化模块转化为单字数值,通过程序中的数值转化处理将单字数值转化为双字数值后,输入到PLC中指定存储器中,用于显示.

通过对PLC指定输入存储器地址赋值,将需要的变量泵排量值输入PLC中,通过将此数值变为单字数值,再将单字数值取整输出,通过PLC的AD转化模块转化为控制信号输出给变量泵,以得到需要的排量值.

2.4 组态软件与PLC通讯协议构建以及数据类型匹配

设备构件是MCGS系统对外部设备实施设备驱动的中间媒介,通过建立的数据通道,在实时数据库与测控对象之间,实现数据交换,达到对外部设备的工作状态进行实时检测与控制的目的.单击在MCGS组态环境中“工具”菜单下的“设备构件管理”项,将弹出如图4所示的设备管理窗口,根据PLC的类型选择构件“西门子S7200PPI”

MCGS设备中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道,设备通道只是数据交换用的通路,而数据写入和读取则必须指定和配置,如图5所示,在“数据对象属性设置”中完成开关量“换向阀左位工作”的添加与设置,并依次完成其余开关量与模拟量的添加与设置.

图4 设备管理窗口Fig.4 Device management window

图5 数据对象设置Fig.5 Install data objects

设备构件与数据对象属性设置完毕,接着需要在实时数据库中完成指定设备通道与数据对象之间的对应关系的设定.实时数据库是MCGS的核心,各部分之间的数据交换均需通过实时数据库,指定设备通道与数据对象之间的对应关系.这是设备组态的一项重要工作,如不进行通道连接组态,则MCGS无法对设备进行操作.

在通讯构建过程中需要注意MCGS与PLC不同数据之间的数据类型匹配,如PLC中的数字量输出Q0.0,Q0.1对应MCGS的Q输入映像寄存器BT数据类型,连接的设备通道与对应的数据对象的类型必须匹配,否则连接无效.

2.5 交互界面构建

动画按钮构件用于实现类似多档开关的效果.构件与实时数据库中的数据对象相连接,通过多幅图像以及文字显示对应数据对象的值所处的范围、状态等.同时接受按键输入,在规定的多个状态之间切换.利用MCGS本身带有的动画构件功能,可根据需要构建输入输出界面.

例如,构建的模拟开关如图6所示,浅色表示处于工作状态,深色表示非工作状态.通过模拟按钮背景灯的变化就可知道换向阀的工作状态,使工作人员在实验室中就可方便地完成换向阀的换向以及停止的操作.整个运行界面如图7所示.

图6 数字量输入输出界面Fig.6 Human-computer interface of digital quantity

图7 整体运行界面Fig.7 Overall operation interface

表1 数据输出Tab.1 Data output

需要采集的压力数据以及各个设备控制设定以表格形式记录下来,数据每秒更新1次,真实记录了后台设备的整体运行状况,便于工作人员根据现场数据反馈,分析后远程遥控设备运行.

3 结论

简要介绍集中控制交互平台的构建要点,完成MCGS与S7-200之间1组数字量与1组模拟量的数据交互过程,一方面通过背景灯或以数字格式将设备的运行情况直观地反馈给工作人员,另一方面方便工作人员在后台管理设备的运行,诸如控制换向阀换向或改变变量泵排量等操作,降低了工作人员的管理难度与强度,使得设备管理工作更快速方便.

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