船舶液位遥测与阀门遥控系统的设计与实现
时间：2020-12-19 00:05:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】进入21世纪，随着科技的发展和进步，船舶自动化技术发展迅速，船舶液位遥测技术和阀门遥控系统在海洋工程船舶上得到了广泛的应用，在一些舱底水系统、压载水系统以及货物系统等需要对管路阀门进行远程控制的管道系统，使用遥控阀门系统的比例越来越高。通过阀门遥控系统对管路上阀门状态、阀门开度显示和报警等方面的监测和控制，使船员能轻易的保证舱底水等系统各项功能的正常运行。这不仅大大减轻了船员的工作强度，而且显著提高了航运的效益和安全。
【关键词】PLC;阀门遥控;液位遥测
引言
当代船舶工业中，控制船体的平衡是重要的课题。船舶在装卸货物时需对压载水进行调节，譬如船在装货时，船体势必向装货的方向倾斜，這时候需将装货的舱室所对应的压载舱内的水排出;卸荷时，压载水注入与卸料舱相对应的压载舱内。现代船舶控制系统具有自动化、集成化、安全运行、稳定性好等优点。本文在PLC的基础上设计开发了阀门遥控及液位遥测系统。
一、概述
近十几年来，由于船舶自动化技术的重视与提高，各种液位遥控系统也得到了广泛地开发与应用。其系统的测量精度、系统功能的稳定性以及可靠性也上了一个新的台阶。由于船舶的吃水承载能力等问题，在一定程度上影响着船行的安全性和稳定性。因此控制好遥测系统的误差，是很有必要的。遥测系统是基于PLC技术的系统，它的种类有很多种，目前船舶液位系统常见的有：压电式、吹泡式、浮子式、气电式以及雷达式等。而无论哪一种遥测系统，其组成部分也是大同小异。总体来说都是由传感器、数据采集单元、数据分析单元以及数据显示单元等模块组成。其工作原理由传感器采集各个仓位的液位、温度以及吃水信号。并通过数字信号的方式传递给数据分析单元并以各种数字形式显示出来。然后工作人员再根据这些信息在中控室实现对全船的检测与控制。
随着自动化技术的不断进步和发展，船舶系统的自动化程度也越来越高。高科学技术含量的集成系统的大量应用，使得船舶各系统更加高效、智能。液位遥测系统是船舶自动化系统中的一个重要组成部分。经过近十多年的发展，液位遥测系统的概念已拓展为液舱参数测量系统。在测量精度，系统功能，稳定性和可靠性都上了一个新台阶，用户不仅能知道液舱内的液位，还能随时知道舱内的温度、气体压力、液货密度、重量等参数和船的压载、吃水、稳性、强度等各种参数，以确保船舶装卸与航行的安全。
二、船舶液位遥测系统
1、系统功能
液位遥测系统是船舶的核心部分，直接关系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。液位遥测系统能够集成多种液位测量方法实现对船舶液位的监测和报警。系统可以接液位显示仪表显示液位，也可以通过现场总线通讯方式将数据上传到上位机，通过上位机实现液位的显示和监视。船舶液位遥测系统主要实现二项功能：①对各舱的液位、温度、压力等进行实时监测;②当监测高于报警值时发出报警信号。
2、系统总体结构
船舶液位遥测系统主要由集中显示控制柜、现场采集箱、液位关断箱、远程监控计算机及各种传感器组成。传感器包括雷达液位传感器、气泡式液位变送器、投入式液位压力传感器和温度传感器等。投入式液位传感器信号直接通过通讯网络进入船舶中控系统。其它的传感器信号通过现场采集箱后进入中控系统，通过中控室远程监控计算机进行显示和报警。
三、液位遥测与阀门遥控系统硬件结构设计
阀门遥控和遥测系统分三层结构：电液阀的驱动头和传感器单元、控制模块，监测控制面板MIMIC。从控制系统的角度出发，对船舶各部分进行分散控制，并在控制室和监控平台上进行集中管理。
（一）阀门电液驱动头及传感器单元
阀门开关的动力来源由液压油所提供，传动机构由液压泵、电机、控制附件等组成。由PLC采集的信号控制电磁阀的接通和断开，液压部分的集成油路能够避免管路连接不完整，它具有整体结构，维修方便等优点。每个阀门对应一个电液驱动头，所以各控制单元之间是独立的，互不影响，所以能够提高其可靠性。
该设计选用了压力式液位传感器，适用于各种压载船、燃油舱及船舶液货的液位测量。传感器把收集来的液位、船舶吃水、温度信号转换为4-20mA的基准电流作为PLC的输入信号。
（二）中间控制模块
中间控制模块由8台西门子7S-200系列PLC及相应的扩展模块组成，其中1台连接以太网扩展模块。PLC主站通过交换机与监控机实现通信，PLC从站使用7台PLC，PLC的主站与从站间、PLC各从站间使用RS485接口进行连接。与PLC1-PLC5相连的数字量输入/输出模块，用来采集来自现场的阀门状态、泵的运行状态信号，数字量输出控制继电器对阀门进行遥控操作，对各舱的液位、温度、泵进出口的压力由模拟量输入模块进行采集;数字输入/输出模块连接PLC6和PLC7获得阀门的开关状态和MIMIC模拟面板上的启停控制信号，根据这些信号运行，其输出驱动阀门的开关，还控制MIMIC模拟面板上的泵操作的指示灯。
四、系统的软件设计与实现
（一）监控软件的设计与实现
本设计通过人机界面实现模块化、分层化设计，能够动态显示液体在管道中的流动，利用鼠标或键盘可以打开和关闭阀门上的接口，完成泵的启动和停止，还可以监控阀门、水泵的实时状态，便于查找和分析故障。
（二）PLC程序设计与实现
监控机与PLC主站之间采用以太网模块进行通信，PLC主站与PLC从站及PLC从站之间采用RS485串行通信接口。PLC自由口协议通信，并且对PLC特殊功能寄存器进行相应的设置，从而定义信息收发的开始和停止条件。
五、系统工作原理及功能
本设计中由PLC1-PLC5负责采集各阀门的开关状态、液舱的液位、温度等信号。PLC依次采集所有输入端子的状态，作为程序运行时的数据。PLC主站接收采集来的输入信号，并与监控机进行通信，把信息传送到监控机，从而使监控机对阀门、泵等状态进行监控。此外，PLC主站发送接收来的信息到PLC6和PLC7，根据接收到的信息进行相应的操作，输出控制MIMIC模拟屏指示灯，阀门和泵的状态也可以显示在MIMIC模拟屏上。阀门的远程控制可以在监视器和MIMIC模拟面板上执行，但不能同时进行。当阀门在MIMIC模拟面板远程操作时，相应的阀的控制信号由PLC6或PLC7收集，并发送到PLC主站，然后发送到相应的PLC1-PLC5从站，实现阀门的远程控制，从站状态反馈到监控机和MIMIC模拟控制面板。当监控机远程操作阀门时，控制信号通过鼠标利用以太网交换机发送到PLC主站，阀门的远程操作由MIMIC模拟面板完成。
六、结束语
船舶液位遥测与阀门遥控系统是我们现代船舶业达到无人值班机舱状态的最重要的部分，如果遥控系统出现了故障，那么就会出现很多不可避免的麻烦。所以船舶液位遥测与阀门遥控系统的设计与实现具有很重要的意义。该系统工作稳定，运行可靠，人机界面友好，是船舶实现远程监控的重要部分，能够体现船舶自动化的发展趋势。
参考文献：
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（作者单位：天津市斯莱顿电子有限公司）
