摘要： 本文描述了基于西門子通訊模塊CP-340的PLC與MAN B&M柴油主機通訊的船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應用。通過西門子可編程控制器S7-300及CP-340通訊模塊，并基于RS-422現(xiàn)場總線協(xié)議對船舶柴油機的滑油壓、油溫、淡水壓力、燃氣溫度等模擬量和水位、油艙高位等開關(guān)報警量進行監(jiān)控，并顯示在機艙控制臺的各儀表和顯示器上，實現(xiàn)了船舶機艙的自動監(jiān)控。經(jīng)在大中型船舶機艙中的實際應用表明，該監(jiān)控系統(tǒng)功能完善、性能優(yōu)良、可靠性高，完全能夠滿足船舶航行的要求標準。 關(guān)鍵詞： 船舶柴油機;PLC（S7-300）; 通訊模塊（CP-340）;現(xiàn)場總線（RS-422） 引言 　　隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，并在各行業(yè)中獲得廣泛的應用，造船業(yè)的自動化集成度也有了很大的提高。其中船舶動力設(shè)備的自動控制是最常見的、最基本的，也是最需要的。為了保證船舶動力設(shè)備安全可靠的運行，以及減少人為因素的錯誤判斷和人力的極大浪費，設(shè)計了基于CP-340通訊模塊的船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用于實際船舶項目中。通過該系統(tǒng)對船舶動力設(shè)備參數(shù)的實時檢測，可以實時顯示設(shè)備各重要的運行參數(shù)和狀態(tài)。當檢測到設(shè)備的運行狀態(tài)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)就會自動報警并記錄故障;同時調(diào)節(jié)設(shè)備的運行參數(shù)，使其回到正常軌道上來，實現(xiàn)對遠程設(shè)備的控制。 　　可編程邏輯控制器（PLC）以其運行可靠、集成度高、可操作性強而在工業(yè)控制中得到廣泛應用，而且各個PLC生產(chǎn)廠家提供了多種通訊模塊，如工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet模塊，點到點串行通訊CP模塊等。因此可以利用PLC的通訊模塊實現(xiàn)可編程控制器與船舶柴油機系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)存儲區(qū)通訊，讀取數(shù)據(jù)存儲區(qū)的設(shè)備運行參數(shù)，并通過現(xiàn)場總線形式將讀取的數(shù)據(jù)傳送到PLC的存儲器中，按照通訊格式進行數(shù)據(jù)處理和顯示。在設(shè)計中采用了Siemens公司的點到點串行通訊模塊CP-340，通過RS-422網(wǎng)絡協(xié)議讀取數(shù)據(jù)，并在機艙監(jiān)控臺上進行實時顯示、報警、控制等操作。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點 　　● 西門子可編程序控制器S7-300; 　　● CP-340點到點串行通訊模塊; 　　● 西門子PLC信號模塊（SM）; 　　● 機艙監(jiān)控臺顯示面板; 　　● 延伸報警模塊; 　　● 打印輸出設(shè)備; [align=center] 圖1 機艙監(jiān)控臺內(nèi)PLC控制系統(tǒng)示意圖[/align] 　　圖1 所示是機艙監(jiān)控臺內(nèi)PLC控制系統(tǒng)示意圖。根據(jù)實際需求，船舶主機及柴油發(fā)電機組采用的是丹麥MAN B&W公司的Diesel A/S系列產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的柴油機數(shù)據(jù)采集方式相比，該系列柴油機將設(shè)備的參數(shù)都實時的存放于柴油機系統(tǒng)控制柜的4個數(shù)據(jù)存儲區(qū)中，通過通訊接口，PLC、PC機等外圍設(shè)備可以從中實時的讀取設(shè)備運行參數(shù)，掌握設(shè)備的運行情況。另外，MAN B&W柴油機系統(tǒng)還自帶安全保護控制柜，用于保護柴油主機的安全運行。這里將西門子S7-300作為上位機，CP-340作為串行通訊模塊，柴油機系統(tǒng)為下位機。 　　該系統(tǒng)的核心是裝于機艙監(jiān)控臺內(nèi)部的西門子S7-300 PLC及CP-340通訊模塊。通過總線的方式將運行和報警信息在機艙監(jiān)控臺面板及延伸報警板上實時顯示出來。 　　MAN B&M 柴油機系統(tǒng)控制柜的通訊接口支持多種傳輸協(xié)議，如RS-232、RS-422和RS-485方式。由于柴油機系統(tǒng)的大多參數(shù)都是通過其中的一個或幾個接口與一臺或幾臺外圍設(shè)備通訊，這就大大方便了硬件連接。RS-422總線和RS-485電路原理基本相同，都是以差動方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。RS-232是單端輸入輸出，全雙工工作時至少需要數(shù)字地線、發(fā)送線和接收線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。RS-422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS-485只能半雙工工作，收發(fā)不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。RS-422和RS-485在19kpbs下能傳輸1200米。在本系統(tǒng)中，采用的是RS-422總線方式。 2 系統(tǒng)硬件 　　S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，具有軟件豐富、可靠性高、網(wǎng)絡通訊能力強、CPU處理速度快、集成功能強等特點，能滿足中等性能要求的應用。由于SIMATIC S7-300可編程控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種模塊之間可以方便的進行擴展。 　　CP-340通訊處理器是Siemens公司提供的點到點連接的串行通訊模塊，其通過背板總線與PLC的CPU相連。它可以在SIMATIC S7-300和ET200M中使用，該通訊模塊提供了三種不同形式的傳輸接口： a、RS-232C（V.24） b、20mA（TTY） c、RS-422/RS-485（X.27）。 　　該模塊可以實現(xiàn)ASCII碼、3964（R）和打印機驅(qū)動三種通訊協(xié)議，通過集成在STEP 7中的參數(shù)化工具可進行簡單的參數(shù)化，對其設(shè)置主要包括通訊方式（波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)和奇偶校驗）、接收幀結(jié)束方式、接口方式（485 Or 422）等。 　　整個機艙監(jiān)控系統(tǒng)共有84個設(shè)備參數(shù)，其中71個開關(guān)量，13個模擬量。 　　廢氣鍋爐綜合故障、應急配電板DC24V失電、1號左燃油艙高位等40個開關(guān)量均直接接入PLC的數(shù)字量輸入模塊，通過傳感器將信號實時的讀入PLC的輸入映像區(qū)。泵艙高位、進渦輪增壓器前排氣溫度高、主機應急控制電源故障等31個開關(guān)量通過CP-340通訊模塊采集數(shù)據(jù)。所有模擬量如燃油進機壓力、滑油進主軸承壓力、汽缸冷卻高溫淡水出口溫度等也由CP-340通訊模塊完成數(shù)據(jù)采集的。所有通過CP-340讀取的源數(shù)據(jù)均從柴油機數(shù)據(jù)存儲區(qū)中取得。 　　各重要參數(shù)在該種總線柴油機中都具備相應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，只是存放地址以及在通訊數(shù)據(jù)中的LRC校驗碼有所不同，因此，利用CP-340模塊，可以從數(shù)據(jù)存儲區(qū)實時讀取各重要設(shè)備參數(shù)，進行顯示控制。 3 軟件設(shè)計 　　SIMATIC S7采用STEP7軟件，S7-300 PLC采用了模塊化的編程思想。STEP7標準版配置了3種基本的編程語言：語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）。 　　硬件組態(tài)（Configuring）是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，也是最重要的一步。根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出信號的性質(zhì)和點數(shù)，以及對控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的硬件配置。這一步在STEP7軟件的SIMATIC Manager（管理器）的HW Config（硬件組態(tài)）窗口中，通過選擇窗口右邊的硬件目錄窗口中的模塊，并拖放到與實際模塊相同的槽位中建立的，生成一個與實際的硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，所有模塊的參數(shù)都是由編程軟件來設(shè)置的，完全取消了過去用來設(shè)置參數(shù)的硬件DIP開關(guān)。硬件組態(tài)確定了PLC輸入/輸出變量的地址，為設(shè)計用戶程序打下了基礎(chǔ)。硬件組態(tài)包括：系統(tǒng)組態(tài)、CPU的參數(shù)設(shè)置和模塊的參數(shù)設(shè)置。 　　丹麥MAN B&W公司的Diesel A/S系列柴油機控制柜的通訊接口采用的是標準的MODBUS ASCII協(xié)議，作為下位機（Slave）通信。它的通信電路接口標準是5線制RS-422接口（Rx+、Rx-、Tx+、Tx-、GND）。MODBUS ASCII協(xié)議讀取命令的所有數(shù)據(jù)字節(jié)都在協(xié)議轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換為2位十六進制的ASCII格式，或一個字轉(zhuǎn)化為4位ASCII字符。數(shù)據(jù)通訊消息幀有如下格式： 　　[:][SLAVE][FCT][DATA][CHECKSUM][CR][LF]; 　　包括1位開始位，2位從機地址位、2位功能碼、2n位數(shù)據(jù)位、2位LRC校驗位、1位數(shù)據(jù)停止位以及1位結(jié)束符。但在PLC發(fā)送請求和接收數(shù)據(jù)時的[DATA]位有所不同，發(fā)送請求的數(shù)據(jù)頭包含要讀取的數(shù)據(jù)存儲地址，而接收到的數(shù)據(jù)頭包含的是接收的數(shù)據(jù)位數(shù)。 　　當柴油機接收到來自PLC的發(fā)送請求命令時，先根據(jù)數(shù)據(jù)的起始地址計算出LRC校驗碼，然后再與接收到的LRC校驗碼相比較，如果一致，則向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，否則不作響應。 　　對于西門子S7-300與MAN B&M柴油機通訊，對CP-340通訊模塊參數(shù)設(shè)置如下： 　　a、 接收幀結(jié)束方式; 　　b、通訊方式：9600 baud，8 data bits，1 stop bit，no parity; 　　c、接口方式：RS-422，其余的設(shè)置為默認方式。 　　CP340有4個專用功能塊：發(fā)送功能塊FB3，接收功能塊FB2，讀RS-232C接口信號狀態(tài)功能塊FC5和接口信號狀態(tài)設(shè)置功能塊FC6。本系統(tǒng)中主要采用FB2和FB3接收、發(fā)送功能塊。 　　首先要對CP-340起始地址，發(fā)送數(shù)據(jù)的背景數(shù)據(jù)塊號、開始發(fā)送的字節(jié)號、字節(jié)長度、出錯處理等屬性進行設(shè)置，然后在主程序中循環(huán)中斷調(diào)用這些命令，實現(xiàn)模塊化的通訊目的。其中，我們可以通過對 DONE，ERROR，STATUS等屬性的設(shè)置，來監(jiān)控數(shù)據(jù)交換的狀態(tài)。最后，從數(shù)據(jù)存儲區(qū)（DB塊）中取出接收到的設(shè)備運行參數(shù)數(shù)據(jù)，進行字節(jié)處理后，通過PLC的模擬量、數(shù)字量輸出模塊（SM）將實時數(shù)據(jù)顯示到機艙監(jiān)控臺上來。圖2（a）（b）就是CP-340發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的簡單例子（本系統(tǒng)的程序設(shè)計采用功能塊圖（FBD）語言實現(xiàn)）。因此只需要一個發(fā)送數(shù)據(jù)DB塊。對于不同的參數(shù)，只需要變換相應的地址和校驗碼即可。而接收數(shù)據(jù)的DB塊，只需要定義成BYTE類型的數(shù)組，并且長度不小于39字節(jié)就可以了，對于每次從柴油機中讀取的數(shù)據(jù)則放入到不同的DB塊中。 [align=center] （a） 發(fā)送 （b） 接收 圖2 CP-340模塊發(fā)送與接收程序[/align] 　　// REQ：為定時時鐘脈沖;R：屏蔽發(fā)送/接收塊位;LADDR：CP-340地址;DB_NO：數(shù)據(jù)塊地址; 　　// DBB_NO：數(shù)據(jù)起始位;LEN：發(fā)送數(shù)據(jù)長度; 　　整個程序的設(shè)計采用主程序（OB1）順序循環(huán)執(zhí)行，PLC與柴油機的通訊通過調(diào)用循環(huán)中斷組織塊（OB35）來處理PLC的發(fā)送（FB3）和接收（FB2）通信功能塊。由于PLC程序運行速度很快（OB35循環(huán)時間默認為100ms），所以完全可以滿足實時性的要求。 　　程序框圖如圖3所示： [align=center] 圖 3 程序流程圖[/align] 4 系統(tǒng)功能 　　（l）故障報警功能。根據(jù)實際需要，在程序中可以對每一個監(jiān)測數(shù)據(jù)量設(shè)置閾值，當監(jiān)測到參數(shù)超過設(shè)定值時，則在監(jiān)控臺上立即發(fā)出鈴聲和燈光報警。 　?。?）故障排除檢測功能。當出現(xiàn)故障報警時，監(jiān)控臺上的相應項的指示燈不停閃爍，蜂鳴器發(fā)出報警聲。當按下消音按鈕后，報警聲響停止，報警信號燈由閃爍變?yōu)槌Ａ?，只有在故障排除并恢復正常后，報警燈才熄滅不再指示報警，達到故障排除檢測功能。 　?。?）實時數(shù)據(jù)顯示功能。系統(tǒng)在監(jiān)控臺上顯示所有需要監(jiān)測并顯示的參數(shù)，并可將實時數(shù)據(jù)以模擬表、棒型圖和變化曲線等形式在監(jiān)控臺上顯示出來，使操作人員方便快捷的獲取這些設(shè)備運行參數(shù)的變化情況。 結(jié)束語 　　該系統(tǒng)集實時性、穩(wěn)定性、可操作性、安全性和經(jīng)濟性于一體，并在廣州東莞豐達實業(yè)有限公司4800噸油輪機艙內(nèi)得到很好的實踐與應用。經(jīng)實際運行表明，該系統(tǒng)完全滿足船舶航行的各項性能指標要求，極大的提高了機艙自動化水平，具有很廣的應用范圍和前景，并能為企業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益。 參考文獻 　　[1] 宋建成，可編程序控制器原理及應用教程, 北京：科學出版社,2004.1 　　[2] 廖常初，大中型PLC應用教程，北京：機械工業(yè)出版社，2005.2 　　[3] 西門子公司 SIEMNS S7-300PLC梯形圖（LAD）編程手冊， 　　[4] 廖常初，S7-300/400 PLC 應用技術(shù)，北京：機械工業(yè)出版社，2005.1