摘 要：介紹了PLC應(yīng)用于某艦艇減搖鰭系統(tǒng)數(shù)字化改造。建立了以PLC為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，在不增加任何輸入信號的情況下，實(shí)現(xiàn)原有控制系統(tǒng)的各項功能。此數(shù)字控制系統(tǒng)與以數(shù)字閥為核心的數(shù)字液壓隨動系統(tǒng)結(jié)合，簡化了減搖鰭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。改造后的數(shù)字化減搖鰭系統(tǒng)已在某型艦艇上成功投入使用。 關(guān)鍵詞：減搖鰭;PLC;數(shù)字閥 1 引言 　　減搖鰭裝置是一種最常用的主動式橫搖減搖裝置，一般分為固定式和收放式兩種。固定式減搖鰭的鰭從兩弦伸出船體，安裝于水線下的一定深度處，如圖1所示。減搖鰭減搖效果取決的因素很多，其中控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是其關(guān)鍵因素之一。 　　可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是將計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)結(jié)合在一起的自動控制設(shè)備，具有可靠性高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。PLC在減搖鰭控制系統(tǒng)中應(yīng)用，可保證其在溫度和濕度都較高、空間較小、工作環(huán)境惡劣的機(jī)艙里穩(wěn)定、可靠、長時間連續(xù)地工作。 2 減搖鰭裝置工作原理 　　減搖鰭裝置作為一個自動控制裝置，它可以分成三部分：鰭機(jī)械組合體，驅(qū)動鰭的隨動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)部分。當(dāng)艦船在風(fēng)浪中航行產(chǎn)生橫搖時，控制系統(tǒng)通過角速度陀螺儀采得艦船橫搖的信息，通過一系列的運(yùn)算處理后得到鰭角控制信號，經(jīng)放大后送到電液隨動系統(tǒng)，電液隨動系統(tǒng)根據(jù)鰭角控制信號驅(qū)動鰭按指定動作運(yùn)行。船體兩邊的鰭在液壓驅(qū)動力和水動力的共同作用下，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩來平衡波浪對艦船產(chǎn)生的擾動力矩，以達(dá)到減搖的目的。該穩(wěn)定力矩和波浪的擾動力矩大小盡量相同，方向卻正好相反，稱之為平衡力矩。減搖鰭裝置工作原理框圖如圖2所示。 3 減搖鰭控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計 　　3.1 減搖鰭控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　以某型艦艇上減搖鰭系統(tǒng)為例，改造前其控制系統(tǒng)是采用多塊模擬電路板來實(shí)現(xiàn)對艦船橫搖信息和其他輔助信息的采集、運(yùn)算和處理，然后再將得到的鰭角控制信號經(jīng)放大后送給電液隨動系統(tǒng)，這樣的控制系統(tǒng)不僅十分復(fù)雜，而且體積大、可靠性不高。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在繼電器控制和計算機(jī)控制基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)控制裝置PLC可以很好地解決這些問題。在對減搖鰭控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造中，我們選用的是松下FP∑型PLC，具體型號是FPG-C32T，這型PLC主機(jī)的輸入輸出點(diǎn)分別為16點(diǎn)，程序容量為12000步，運(yùn)算速度是0.4μs/步，工作環(huán)境溫度可達(dá)55℃，而且擁有4路高速輸入輸出通道和易于實(shí)現(xiàn)多PLC間的高速通信等優(yōu)點(diǎn)。另外，所選用的A/D模塊也是與之配套的松下FPG-P11，F(xiàn)PG-P11和FPG-C32T之間有專用軟硬的接口，安裝和使用都十分方便。 　　在改造后的減搖鰭控制系統(tǒng)中，以PLC為核心的一套輸入輸出系統(tǒng)，可以完全取代原系統(tǒng)中的控制器部分，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 PLC功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　PLC通過專用的A/D模塊得到陀螺儀輸出的橫搖信號和艦船計程儀輸出的航速信號，經(jīng)過PID控制算法運(yùn)算處理后，得到鰭角控制信號，經(jīng)放大后送到電液隨動系統(tǒng)。與此同時，PLC還要不斷采集系統(tǒng)起停開關(guān)信號、兩鰭當(dāng)前位置信息和油源機(jī)組的各種信息，包括油溫、油位、電磁閥和濾油器工作狀態(tài)以及其他故障信息等。PLC可以根據(jù)這些信息，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)工作異常情況下自動報警、自動歸零停機(jī)或直接停機(jī)等應(yīng)急措施。 　　考慮到艦艇機(jī)艙工作空間小、工作環(huán)境惡劣，現(xiàn)場調(diào)試十分困難，我們在改造后的控制系統(tǒng)中裝有可方便實(shí)現(xiàn)輸入輸出的觸摸屏，其型號為松下GT01。這型觸摸屏可以直接與PLC連接，很容易和PLC進(jìn)行高速通信，讀取或改寫PLC相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)，不僅可以很方便地在線修改各種調(diào)試參數(shù)，以數(shù)字的形式顯示減搖鰭的實(shí)時鰭角，而且還可以實(shí)現(xiàn)減搖鰭單邊單步、雙邊單步和雙邊多步運(yùn)行，這十分有利于現(xiàn)場調(diào)試和系統(tǒng)的后期維護(hù)，使得整個減搖鰭控制系統(tǒng)變得更加靈活。 　　另外，根據(jù)平衡力矩產(chǎn)生的原理，為了使減搖鰭在各種航速下（大于15節(jié)）都能穩(wěn)定運(yùn)行，就必須使減搖鰭鰭角能隨航速的增加而減小，以使減搖鰭產(chǎn)生的最大平衡力矩不變，這種作用稱為航速靈敏度調(diào)節(jié)。原有系統(tǒng)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)航速靈敏度調(diào)節(jié)，改造后的控制系統(tǒng)中PLC直接根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果和當(dāng)前航速進(jìn)行計算，運(yùn)算結(jié)果快速、精確。 　　隨著數(shù)字液壓技術(shù)的日益成熟，它在實(shí)際工程上的應(yīng)用也越來越廣。我們針對減搖鰭的數(shù)字化改造，不僅僅局限于減搖鰭控制系統(tǒng)，而且對減搖鰭原有的電液隨動系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改造。我們采用數(shù)字閥取代原有的伺服閥，信號從控制系統(tǒng)到液壓隨動系統(tǒng)不再需要進(jìn)行D/A變換，PLC輸出的脈沖信號可以直接作為數(shù)字液壓系統(tǒng)的驅(qū)動信號。這樣，減搖鰭的液壓隨動系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，使得整個控制系變得更加簡單、可靠，控制更加精確、靈活，并且方便維修與保養(yǎng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 減搖鰭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　改造后的系統(tǒng)還可以通過編碼器直接向PLC反饋鰭角信號，PLC根據(jù)給定的驅(qū)動脈沖信號和鰭角反饋脈沖信號的比較，可以判斷出鰭是否運(yùn)行正常。如果出現(xiàn)鰭角超調(diào)或者其它原因引起的鰭運(yùn)行速度異常等情況，控制系統(tǒng)可以作出迅速反應(yīng)，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施使系統(tǒng)恢復(fù)正常或報警停機(jī)。 　　3.2 程序設(shè)計 　　通常PLC不采用計算機(jī)的編程語言，而采用梯形圖語言或助記符語言。梯形圖與繼電器線路圖在形式上很相似，簡單直觀，且PLC程序執(zhí)行也是從上而下循環(huán)掃描，所以梯形圖語言是應(yīng)用較多的一種編程語言。 　　經(jīng)數(shù)字化改造后，減搖鰭系統(tǒng)的控制程序主要是循環(huán)查詢各輸入信號的狀態(tài)，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)、各開關(guān)量的狀態(tài)及其邏輯關(guān)系執(zhí)行相關(guān)操作。在減搖鰭系統(tǒng)中，系統(tǒng)進(jìn)入正常減搖工作狀態(tài)后，PLC每一次循環(huán)都需要采集陀螺儀和計程儀的最新輸出，掃描啟動/停止，手動/自動、工作/歸零、航速檔自動/手動、油溫/油位、濾油器和電磁閥等開關(guān)量的狀態(tài)，從高速輸入通道接受編碼器脈沖并立即更新寄存器數(shù)據(jù)，然后根據(jù)各種輸入數(shù)據(jù)和各開關(guān)量的不同狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷和運(yùn)算處理，通過輸出觸點(diǎn)輸出控制開關(guān)量，通過高速輸出通道輸出控制脈沖。程序流程圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 程序流程圖[/align] 　　為了保證艦艇航行的安全和保護(hù)減搖鰭自身的軟硬件系統(tǒng)，減搖鰭的兩套機(jī)械組合體分別安裝有限位觸點(diǎn)，觸點(diǎn)觸發(fā)后液壓系統(tǒng)可自動卸壓，以保護(hù)減搖鰭機(jī)械本體。除此之外，改造后的減搖鰭系統(tǒng)在軟件上也對其設(shè)有保護(hù)。PLC根據(jù)每次計算出來的鰭角控制信號設(shè)置軟限位位置，如果鰭反饋位置超出，軟限位立即觸發(fā)。減搖鰭一旦遇到故障，特別是軟限位觸發(fā)后，系統(tǒng)將會立即進(jìn)入歸零子程序，迅速使兩鰭停止運(yùn)行并反向運(yùn)動至零點(diǎn)，以免損傷減搖鰭機(jī)械本體。當(dāng)確認(rèn)兩邊的鰭都已經(jīng)回到零點(diǎn)，系統(tǒng)自動啟動減搖程序，盡量減小軟限位觸發(fā)對系統(tǒng)正常工作的影響。另外，由于艦艇機(jī)艙內(nèi)對減搖鰭控制系統(tǒng)的干擾信號較多，控制程序中特地加入故障信號延時，盡量避免虛假故障對系統(tǒng)造成不必要的工作中斷，以提高系統(tǒng)減搖效果，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。 4 結(jié)束語 　　這套經(jīng)數(shù)字化改造后的減搖鰭系統(tǒng)已在某型艦艇上安裝，經(jīng)調(diào)試達(dá)到了預(yù)期減搖果，現(xiàn)已投入使用。實(shí)踐證明，PLC作為數(shù)字化改造后減搖鰭控制系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)信號采集、邏輯判斷、運(yùn)算處理和控制輸出等一系列的任務(wù)，使原有的控制系統(tǒng)得到很大的簡化。特別是將數(shù)字控制系統(tǒng)與以數(shù)字閥為核心的數(shù)字液壓隨動系統(tǒng)結(jié)合起來使用后，不僅使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，控制更加精確，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]金鴻章，李國斌.船舶特種裝置控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995 　　[2]汪曉光，孫曉英.可編程序控制器原理及應(yīng)用（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 　　[3][日]松下電工株式會社編.FP-FP∑編程手冊，2002