基于PLC的船舶安全报警系统设计

蒋向东，魏 伟

(1.重庆安全技术职业学院信息工程系，重庆404020;2.中国船舶工业综合技术经济研究院，北京100081)

0 引 言

船舶安全报警系统是非常关键的自动化控制系统，能够保证船舶在安全状态下进行航行。它可以实时并准确地监控船舶上所有机电设备以及整艘船舶装置的运行情况与工作参数，并把监控结果显示在屏幕上，给船舶驾驶员对动力仪器的实施和管理给予帮助。如果正在工作的设备出现问题，船舱监控报警系统能自动发出声音及光报警信号，而且是把报警信息储存起来。近年，由于科学技术不断进步，新建造的船舶自动化程度非常高，用于监控和报警的控制系统需要让报警信号传输至驾驶舱、乘客船舱及轮机技术人员的卧室。所以，船舶舱室监控报警系统不仅减少了轮机工作人员的工作量，此外还有效帮助改善轮机管理人员办事的工作效率。由于科技的不断进步，国际标准对船舶自动化的程度有了更苛刻的需求［1］。

目前，国内正在建造或者已经建造的船舶里，绝大多数的船舱监控报警系统由国外企业制造，国内自主开发的系统非常少，因此技术和发达国家有非常大的差距，所以对船舶安全报警系统进行研究非常有价值。

1 船舶安全报警系统组成

船舶安全报警系统的监控对象有许多，然而监控对象的一些特性参数主要包含有数字信号以及模拟物理信号。数字量就是有且仅有2 种情况的数字，一般可以用开关的通与断进行表示，并且通常以0 与1 进行描述。在船舶安全报警系统里，数字信号可以表示机电仪器的启动与制动情况，以及正常工作情况与故障情况。模拟信号为持续改变的物理量，此系统里主要包含温度信号、液位信号、压力信号以及转速信号等。一旦模拟信号超过了检测的接线，报警系统会立即进行报警。此外，系统的供电电源必须能够持续供电，一旦主电源发生故障，就需要运行应急电源装置，应急电源可以使用蓄电池组串并联提供的高压进行逆变，也可以由升压电路把蓄电池提供的低压进行升压后再逆变。目前，最常用的应急电源由备用发电机进行供电。

通常情况下，船舶安全报警系统如图1所示。其构成主要包括用于各种仪器或装置的传感器，集中控制室里的关键操控箱以及显示器，船舶驾驶平台、乘客活动场所、轮机长和轮机技术员卧室附属的远程安全报警系、报表打印等。整个系统的控制核心是安全报警控制器，控制器的性能很大程度上决定了安全报警系统的响应速度［2］。

2 硬件系统设计

图1 船舶安全报警系统的组成Fig.1 Composition of vessels security alarm system

船舶安全报警系统能够保证船舶在海上航行时，不会发生危险事故，保障船舶的安全以及船舱内所有工作人员及乘客的人身安全。所以，在设计船舶安全系统的硬件时，硬件系统中各种元器必须严格进行选型，保证其运行的可靠性。综合考虑，此系统的稳定性、快速性以及准确性，本文选择性能比较优越的西门子PLC，型号为S7-300 为主控制器，它可以利用传感器对现场参数和设备运行状态进行检测，然后进行状况判断，一旦发生非正常的情况，就立马启动报警。船舶安全报警装置的硬件框架如图2所示。

图2 硬件框架Fig.2 Hardware framework

硬件系统包括传感器信号检测层、控制设备层及人机交互层3个层次。传感器信号检测层的构成包括各种传感器、扩散的I/O 接口和本地的I/O 接口等，其主要担任检测船舶所有监控对象的物理量，本地的I/O 接口可以和传感器进行连接，扩散的I/O 接口经Profibus-DP 网络把所有采集到的物理量全部一起传输给PLC控制器。控制设备层由PLC的各种控制模块构成，其担任把所有检测到的物理量传输到中央处理器单元中的任务，然后中央处理器单元再把传递过来的信息进行归类处理，并执行存储操作和报警任务。PLC控制器把分析的结果经过MPI 网络传输给集中控制平台上的显示器上以及所有远程的信息报警显示，把可视化的数据分析结果反馈给所有操控人员［3］。

模拟传感器位于船舶安全报警系统的最底层，担任检测和监视现场的各种物理量。因为船舶上需要监控的目标物理量有很多种，所以就需要很多种模拟传感器。例如用来监控油温的温度传感器，用来监控冷却水温的温度传感器，用来检测油压的压力传感器，用来监控主发电机中转子速度和位置的传感器，以及用来监控饮用水舱液位和液体货物舱液位的液位传感器。

PLC的供电电源可以把输进来的220 V 市电进行电源转换后给其他模块提供工作电压。PLC 对供电电源有很高要求，比如稳定的隔离性能、短路预防性能以及发生开路后的保护性能，而且必须既要能够用作PLC 内部的供电模块，还要能够给负载提供电能。CPU 为PLC的中央处理器单元，1个PLC最少应该包含1个CPU 内核。内核的主要组成包括计算中心、控制中心、信息储存中心、数据总线以及控制总线等。一旦内核进行工作，内核按照程序自动执行监控，同时扫描所有输入接口，不停地查看相应的标志位，进行对所有现场信息和通讯中的交换数据进行采样，运行用户设计的软件，并把所有输出寄存器中的状态全部进行刷新操作，实施编程器的输入信号以及显示屏的刷新，对PLC 进行自检等。

PLC的存储器有2 种，系统存储器用来存放系统程序，用户存储器用来存放用户程序和运行的中间参数。I/O 接口与传感器直接相连，并把现场的物理量信息传递进来，PLC 把采样的物理量和开关量转换成PLC 可以识别的模拟信号和数字信号，PLC 对输入信号进行分析和处理后，把数字信号再转换成模拟信号并进行输出。船舶安全报警系统监控需要输入点数和输出点数和需要的I/O 接口数量相等，但是PLC 能够扩展的最大I/O 接口数与PLC本身的资源配置能力相关。

3 软件系统设计

下位机PLC 中软件的作用是把船舶上的数字信号以及模拟信号进行采样，然后CPU 对这些物理量进行控制，开关信号和模拟信号分开进行分析和处理，对运行状态进行检测并传输给PC 机等上位机。一旦装置的工作参数发生变化就立即报警，利用监控报警系统输出的声和光来提醒和故障指示，并且把报警数据在上位机的界面上显示出来。另外，把报警的信息进行归类并分别传输给远程报警系统。软件开发使用模块化的编程思路，把许多功能的子程序放在各个的功能块FB和FC 里，然后从组织模块的OB 里根据需要调用相应的功能块，采样到的数据和分析处理后的数据依照规定的次序放在PLC的数据块DB 里，软件系统如图3所示。

图3 软件系统Fig.3 Software system

硬件诊断功能可支持快速查看PLC的工作状态以及指示各个模块有没有出现故障，鼠标双击故障模块就能够查看有关这个故障的具体情况，比如故障的原因。数据采集模块首先采集的数字量和模拟量，然后PLC的数据处理子程序对数据进行处理和加工，结果立马传输给上位机上的人机交互界面进行显示［4］。同时，报警处理子程序输出声光报警信号进行报警，用户软件的测试步骤如图4所示。

船舶安全报警系统的主要职责是进行报警指示，报警处理程序流程如图5所示。首先系统进行初始化，然后进入主循环程序，主循环程序不停地判断是否有报警申请。一旦有报警申请后需要继续判断是否已闭锁，如果确实已闭锁，则需要继续判断是否需要延时。如果需要延时，则需要继续判断延时时间是否到了，如果没有到，则需要返回到报警恢复操作。如果不需要延时，下一步是指示灯快速闪烁进行报警，发出报警声，并进行分组报警，同时把故障打印出来。接下来需要检测报警是否消失，如果报警已消失，则报警指示灯需要以很慢的频率进行闪烁，然后对报警的情况进行确认，如果不确认，程序就一直处于等待状态。一旦确认报警之后，就取消之前的报警指示和分组报警，恢复到之前的正常状态。如果报警一直没有消失，则需要判断是否需要报警。通过调用报警判断中断程序来判断哪个故障报警，同时把相应的报警指示灯点亮，直到故障完全消失。当故障消失之后，下一步就需要启动故障排除打印。

图4 用户软件的测试步骤Fig.4 Test procedure of user software

柴油机油门的控制采用伺服电机来控制，从而控制阀门的开启度，最终实现对油门的控制。当船舶安全报警系统遇到报警信息时，可以自我修复并解除报警。详细程序的叙述如下:整个程序主要包括触摸屏组态软件部分以及PLC的控制软件部分。触摸屏组态程序的主要任务是对定位系统的运行状态进行实时监控，而PLC 程序的工作是负责采集伺服电机的编码器信号，然后伺服驱动器直接负责伺服电机的定位控制。采用PLC的方向控制脉冲输出端口对伺服控制器的PULS2端口进行伺服电机的方向控制。采用PLC的高速脉冲输出端口对伺服控制器的SIGN2 端口进行电机的速度控制，相对位置的脉冲输出程序。要对伺服电机的位置进行实时控制，首先需要进行原点搜索工作，确定原点位置。原点搜索及返回的过程是首先把原点搜索功能继电器设定为1，然后进行运行参数的设置，最后启动ORG 原点搜索任务;当原点接近信号功能继电器置1 时，代表原点搜索任务顺利完成。把原点返回功能继电器置1，由软件自动完成原点的返回任务。系统在断电情况下，再次启动必须重新执行原点搜索任务。编码器地址为A272和A273，通过编码器的地址可以查看电机实际运转的圈数，并显示在触摸屏上。

报警处理程序时船舶安全报警装置的软件系统的核心部分，直接影响到整个系统的整体性能。报警处理的关键是采用最优算法，有效缩短了程序的执行时间和系统的工作效率。当系统发生报警后，首先应该断开船舶上相关的机电设备和仪器，然后启动自修复程序。如果修复成功，则接触报警。如果修复不成功，需要调用故障处理程序，一直进行相应的故障报警。值得强调的一点是，即使报警信号已接触，也不能立即置位相应的功能，必须进行一定的时间延时，可以大大增强船舶的安全系统性能。此外，程序的调试基于PLCSIM 模块进行［5］。

图5 报警处理程序流程图Fig.5 Flow chart of alarm processing program

4 人机界面设计

人机界面设计的主要模块是组态软件与运行软件，但是WinCC的工程管理器也为组态软件的关键，它能够对整个工程的信息组态以及系统的设置实施全面掌控。当进行工程开发以及项目组态的时候，利用WinCC 工程管理器里的所有编辑器来完成所有工作项。其中，触摸屏的组态界面由系统运行主界面、伺服电机的控制界面、当前转速转速和旋转圈数界面、报警界面以及系统的I/O 端口分配界面。

触摸屏的型号选择为欧姆龙公司的NT631/C。它的主控芯片使用高速的32 位的RISC，并且其内存单元可以方便地进行图像传输，把现场的信息实时显示在人机界面上，并且系统的运行参数可通过触摸屏进行随意修改。此外，通过串口RS232，触摸屏还可以实现与PC 进行数据交换，实现远程控制，便于轮机长和软件技术人员对船舶的安全信息进行监控。

WinCC的图形编辑器是用来把各种现场物理量监控画面进行组合，当设定好相关控件的特性以及动作后，人机界面将能够显示动态的画面。船舶安全报警系统的人机交互界面需要方便操纵人员操作，清楚并且准确把现场物理量的状况显示出来，人机界面中所有对象的颜色和整体的设计风格应该尽量人性化。

5 结 语

船舶安全报警系统是船舶上一个重要的系统。船舶一般都配备了一套完整的安全报警系统，对保证船舶的安全航行以及船舶上的人员安全具有重要作用。随着计算机技术、网络技术和控制技术的快速发展，船舶正向着信息化、网络化和智能化的方向发展，船舶安全报警系统各方面的性能指标和要求也越来也高。本文结合当前船舶安全报警系统的实际应用需求，以PLC 为核心控制器设计了一套完整的船舶安全报警系统，可以满足船舶安全报警需求。

［1］李为.船舶机舱监控报警系统设计与实现［D］.南京:南京理工大学，2010.

［2］潘艳，骆立强.船用信号报警装置的改进设计［J］.舰船科学技术，2000，22(4):41-45.PAN Yan，LUO Li-qiang.Improved design of signal warning device on vessels［J］.Ship Science and Technology，2000，22(4):41-45.

［3］徐腊梅，何伟.智能型船舶火灾报警系统设计［J］.船海工程，2005(3):30-32.XU La-mei，HE Wei.Design of the intelligent fire alarm system for ship［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2005(3):30-32.

［4］江涛，段黎明，邓子辉.船艇动力设备远程监测与报警系统的设计［J］.舰船科学技术，2014，36(7):119-123.JIANG Tao，DUAN Li-ming，DENG Zi-hui.A design of remote monitoring and alarm system for power equipment of ship［J］.Ship Science and Technology，2014，36(7):119-123.

［5］陈意惠，蒲小莲.基于PLC的船舶机舱实时监测报警系统［J］.上海海事大学学报，2005，26(2):67-70.CHEN Yi-hui，PU Xiao-lian.Real-time monotoring and alarming system based on PLC for marine engine room［J］.Journal of Shanghai Maritime Vniversity，2005，26(2):67-70.