产品规格模块式包装说明全新品牌西门子
西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8技术介绍
一．概述： 按照新一轮城市建设和经济发展规划，城市建设和经济发展对优化城市能源结构提出了更高的要求。而推行热电联产、城市集中供热，是解决城市能源结构和环境污染问题的有效措施，充分体现节约能源、保护环境，提高能源利用效率、企业经济效益和社会效益的较佳途径。所以既有利于节约能源，又有利于提高热电企业的经济效益和社会环境效益，给热电企业的发展创造了更加广阔的前景。 随着热用户的不断增加，热用量不断的加大，而怎样才能更好，更有效的对整个热网管道，热用户计量进行管理呢？利用远程监测，对整个热网管道，仪表进行跟踪监控，不仅可以全面掌握整个热网管线供热状态，还能快速、准确的反映仪表故障报警信息，方便维护人员及时查修，这样不仅节省大量的人力、物力，而且极大的提高了热网的现代化管理水平。城市热网监控作为数字化城市的一个方面，已显示出越来越重要的作用。
一、 项目需求
将下属的66个分站的数据传递到传送到热网控制中心，由于各站之间与热网控制中心距离很远，因此针对本项目，采用GPRS无线网络进行数据通讯是较具性价比的方式。同时，由于系统以后需要根据需求扩展，要求对系统的开放性、可维护性和扩展性给予充分考虑。 三、 系统设计原则 1．稳定性原则：系统的运行起着十分关键的作用，因此在系统建设过程中，将系统的性稳定性作为设计的可以选择原则。 2．开放性原则：坚持开放行原则，为今后系统的升级扩展维护和二次开放过程提供较大的灵活性。 3．技术先进性原则：保证系统的先进性，只有这样，系统才能经受实际的考验，保证不会被淘汰。 4．经济性原则：经济性原则不仅体现在设计过程中，而且会为系统今后的维护降。
5．操作维护简单原则：系统不仅要功能完善，而且应该操作简单，维护方便，这会为使用人员带来很多操作的方便性。
6．可扩展性原则：为了使系统具有一定的应变能力，可以方便的修改和灵活的扩充，应使系统保证一定的可伸缩性。
四、 系统拓扑图
系统应用于城市集中供热，主要解决供热厂、热交换站及热网运行状态监测，及时有效地获取城市供热、输热、管网末端的实际运行数据，为供热管网的质调和量调提供科学的依据。
城市供热系统主要由控制中心、供热站（传感器和PLC）、加热站（包括泵和PLC）、无线组成的。
1、应用方案：
系统主要由中心软件(力控)、CM3150P、西门子 PLC、VIPA PLC构成，这种方式的主要特点是结构分散、开放性好、稳定性强、性价比高并且扩展容易。 主要工作方式： 力控软件主要负责数据采集、通讯处理、人机界面和WEB发布等工作； VIPA PLC主要是安装在供热站中，用来控制现场温度、压力、流量、液位信号的采集；现场各调节阀的控制。 厦门才茂通信技术有限公司CM3150P无线通信模块主要将vIPA PLC采集到的各个供热站数据转为无线通讯，并将数据通过无线GPRS网络传递给力控软件； 两台SIEMENS PLC互作冗余，同时负责加热站的现场仪表和设备的通讯及数据采集和控制。一旦有一台PLC瘫痪，系统可以在较短的时间内自动实现冗余PLC的智能切换，以此来保证加热站系统监控的**可靠性。
CM3150EP的技术参数
CM3150EP GPRS DTU采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台,超大内存,内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟**网络。针对网络控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。 无线参数 支持EGSM900/GSM1800无线网络 GPRS multi-slot class 10 编码方案：CS1~CS4 符合SMG31bis技术规范 Compliant to GSM phase 2/2+ 支持数据、语音、短信和传真 硬件系统 CPU:工业级ARM9 CPU，200MPS,16K Dcache，16K Icache(业内较高级CPU) FLASH：8MB（可扩展至32MB）(业内较大内存容量) SDRAM：64MB（可扩展至256MB） 接口： 1个RS485接口（根据需要，可支持TTL/RS422/RS232），串口速率110~230400bits/s 指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。 天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。 SIM卡接口：3V/5V标准的推杆式用户卡接口。 电源接口：标准的3芯火车头电源插座。 语音接口：标准的耳机麦克风接口。 供电： 外接电源：DC 9V 500mA 宽电压供电：DC 5-35V 通信电流：350mA 待机电流：35mA 工业级无线模块 GRPS模块：Simens MC39i 尺寸 外形尺寸：92.7x61.3x23 mm（不包括天线及固定件） 其他参数: 工作环境温度 -25~+65ºC 储存温度 -40~+85ºC 相对湿度 95%(无凝结) 软件功能 智能防掉线，支持在线，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。 支持RSA，RC4加密算法 支持虚拟值守VWM（Virtual Man Watch）功能，确保系统稳定可靠 支持虚拟数据**网（APN） 透明与协议转换，支持多种工作模式 支持数据中心域名和IP地址访问 支持双数据中心备份 支持多数据中心 支持主从模式 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。 支持短消息备份及告警。 多重软硬件看门狗 数据包传输状态。 标准的AT命令界面 可以用做普通拨号MODEM 支持bbbnet功能。 支持远程配置，远程控制 通过串口软件升级 同时支持LINUX和bbbbbbS操作系统
加热站：力控软件设在*数据中心。由两台嵌入CP5611通讯卡的采集服务器互作冗余备份，同时采集下位SIEMENS PLC的现场数据。一旦一台采集站的计算机瘫痪，另一台计算机的力控软件可以自动的接过监控的任务，实现上位机的冗余，画面同步，数据同步显示、历史保存。 力控软件采用典型的C/S和B/S结构，B/S方式是作为WEB服务器，将实时数据和画面通过WEB进行发布，远端用户经过授权，无须安装任何插件，使用标准的浏览器通过固定IP或域名绑定进行访问即可在远程进行监视。C/S方式是力控软件作为标准服务器端与各分站多个客户端（通过力控NETSERVER通讯组件）进行通讯。客户端通过局域网的IP地址访问采集站的数据库数据，在非本地中控室的其他控制室就可实现对现场数据的采集，各仪表和执行器的下置控制。 供热站： 力控同样设置在中控室内，现场66个供热站点分散在一定的区域内。 在每个供热站需要有一组相应的采集设备。这里使用VIPA的214CPU作为RTU（数据采集模块）。由该CPU上的IO模块，采集供热站的现场数据，并由自带的串口和DTU连接。上位的力控在进入运行后，通过因特网的TCP/IP协议与各个分供热站的DTU进行通讯，采集每个供热站现场的开关量、模拟量。同时还可以通过对力控HMI（人机界面）上一些参数的设定来控制现场电动执行器或者一些阀门的启停或开度，来达到根据现场的实际情况调整供暖的温度。真正做到了在线的远程监控。 为了保证系统的稳定性和便利的管理方式，人性化的操作。该供热站系统的DTU全部采用自动呼叫，断线智能重新连接的方式。这样在现场一旦停电或出现电话线信号不稳定甚至断线的情况下，不需要现场再去重新对DTU进行重新的配置。节省了维护成本，大大提高了系统的自动化程度，并保证了该系统的稳定性。
2、工艺流程
PLC不仅要控制循环水泵的起、停，还要间接控制定压泵的起、停和报警输出。下面以一个供热站的结构为例进行说明，设P1、P2、P3为三台循环水泵，P4、P5为两台定压泵，P6为PLC的报警输出。两台定压水泵公用一台变频器，由变频器直接控制，两泵电器互锁。变频器的起、停控制分为手动和PLC控制。变频器输入有一路压力传感器信号（反馈量），一路电位器信号（参考量），三路开关量（起、停和复位）。有两路输出信号（故障报警和低于5 Hz运行）。手动控制设有两个停止按钮，一个为接触器的分断按钮，一个为变频器的软停车按钮。需要注意的是因为变频器的停车均设为软停车，所以手动停车时应该先按软停车按钮，软停车结束后再分断接触器（时间由实际情况定）。变频器的故障复位信号也设有手动和自动两路输入。每面柜有一套气候补偿器，其输入由外接传感器输入，输出控制电动调节阀，气候补偿器具有声光报警功能。 水流开关用于检测水泵启动后管路内是否有水流通过，若泵运行为两用一备则每台泵安装一个水流传感器、共计3个。或一用一备则两台泵共计安装一个水流传感器。具体工作过程为：PLC启动某台泵后，经过设定的延时，PLC将检测该泵的水流传感器输出信号，若该信号指示无水流动则PLC判定该水泵故障，产生故障报警信号、并通过dtu向中心控制软件发出信号，再由中心将该水泵断电并将该泵的备用泵投入运行。 当管路压力趋于设定值，变频器工作频率很低，此时水泵的转速非常低，水流开关亦有可能发出无水流信号，这种情况并非故障，PLC将通过检测变频器的低频输出信号来区别（低于5 Hz时变频器输出一路信号）。正常情况下水泵24小时进行自动切换，运行备用泵。
3、通信方式
(1) 现场发起通讯（下位为主，上位为从），如下图所示：
GPRS 通讯控制器 是控制中心与数据采集器（PLC）之间通讯的枢纽，所谓通讯方式以供热现场为“主”指的即是如此。定制的 GPRS 通讯控制器掌握着数据采集器（PLC）通讯协议的控制命令。定时上传数据前， GPRS 通讯控制器先从 PLC 中读取数据并存储，然后再向控制中心传输已取到的数据。 从控制中心发起通讯（上位为主，下位为从），如下图所示： 厦 门 才 茂 通 信 科 技 有 限 公 司 Xiamen CaiMore Technology Co,.Ltd 地址:厦门市前埔工业区 55 号思明光楼 4F 9 电话/bbb: +86-592-5975886 网址://www. 传真/FAX:+86-592-5975885
先由控制中心向数据采集器（ RTU ）发出“要数据的”请求，数据采集器（ RTU ）接到通讯请求后，再向控制中心传输数据。这种通讯方式：是将 GPRS 通讯模块看作是透明的。也既是“透传”方式。这种通讯方式，是控制中心上位软件掌握着数据采集器（ RTU ）通讯协议的控制命令。所谓通讯方式以控制中心为“主”指的即是如此
五、系统功能与特点
1、功能 该供暖监控系统（GPRS 远程监控）主要完成对工艺流程的监测、控制以及数据的处理、存储、分析以及报表打印等任务。 工艺流程显示显示各换热站工艺流程，包括温度、压力、流量、液位等工艺参数、所有设备运行状态以及各控制回路的详细参数等； 调节回路显示包括所有调节回路，可修改设定值、控制方式、调节参数等，并有实时趋势图便于进行PID 回路整定； 设定值显示包括所有必需参数的设定值、控制方式、调节参数以及其它联锁值、报警值等； 报表显示和打印 采用了DDE 技术，从而使用户能够直接使用Excel 编制报表，借助Excel 的强大功能，用户可以随心所欲地编制各种各样的报表；历史数据的存储与检索对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间较长为10 年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据； 控制在监控计算机上可以进行远程手动控制，使用鼠标、键盘控制PLC 来启动和停止现场的设备； 安全管理 对重要设备的操作、重要参数的修改均会自动，包括登录的操作员、对设备进行的操作 2、特点 (1) 先进性 本方案设计中不仅采用了先进的软、硬件，而且着眼于企业“管控一体化”的需求，贯彻了数字化、信息化环保的先进思想，使企业生产数据的进一步智能应用成为现实。该方案使控制系统**地成为企业 整个IT 架构的一部分。 本系统采用先进的计算机控制系统，主要用于城市热网的生产控制、运行操作、监视管理。控制系统配有可靠的硬件设备和功能强大、运行可靠、界面友好的系统软件、编程软件、控制软件。 (2) 高可靠性 ① 与传统的无线电台传输相比，GPRS 网的抗干扰能力更强，且通讯覆盖范围远远强于前者； ② 现场控制站PLC 对工艺过程的控制不会因监控计算机的瘫痪而受影响； ③ 现场控制站的PLC 能够在恶劣的环境中长期可靠运行，并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固、抗腐蚀、适应较宽的温度变化范围，平均无故障间隔时间（MTBF）15 年。 (3) 强大的功能 ① PLC 的编程语言符合IEC61131-3 标准，易学、易懂、易用； ② CPU 内置软PID，并提供了丰富的指令集及函数库，用户直接调用； ③ 组态软件图库丰富，网络功能强大，报警、报表、历史数据以及二次开发功能完善而易用。 (4) 优良的开放性 ① TCP/IP 协议是目前开放性较好的协议，可以轻松进行系统扩展； ② 组态软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供丰富的API 编程接口，方便接入全厂MIS 系统； ③ 同时也为世界各大厂商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron 等的设备提供了完善的驱动程序库，从而可以将其它系统轻松接入本系统。
（5）工程截图
生物滤池自动控制系统是BAF工艺自动化系统的核心控制环节，也是整个污水处理厂的主体工艺部分。
滤池状态分为正常工作、反冲洗、备用、故障等几种状态，滤池上的在线仪表主要是溶解氧检测仪表、流量计和滤池压差检测仪表。
1、正常工作控制
滤池在正常工作状态时，曝气阀及进水调节阀开启，其他阀门关闭，曝气运行，整个滤池自动运行。核心控制参数为滤速、出水溶解氧水平及运行周期控制。
为使滤池的进水水量适当，并平均分配给每个滤池，较完善的控制方法是控制自动调节阀门和流量计，根据每个滤池流量数据来控制进水支管上阀门的开启程度，使进水流量与预先设定的流量相同。
为保证生物活性，曝气生物滤池需要进行定时反冲洗，正常情况下一级滤池反冲洗周期在16-36h（本工艺暂定24h），二级滤池反冲洗周期在24-48h（本工艺暂定36h），运行人员可以根据实际情况及时调整PLC中设定的数据。当滤料间由于截留悬浮物的作用，导致滤床水头损失增大，此时采用压差计来测量滤池压差的大小，作为滤池反冲的重要判断指标，本工艺中当池底压差计的读数超 过 0.9Mpa 时，就要进行反冲洗。另外还可以采用电流值来控制，当风机电流值超过额定电流的10%时，进行反冲洗。
**顺序如下：电流值——压力值——周期值
还有一种请考虑，人为干预，产生一个反冲洗信号。
2、反冲洗控制
当滤池具备反冲洗条件时需停止正常工作，要排队才能进入反冲洗工况（根据提出反冲洗申请的先后顺序，注意一次只能反冲洗一个池子）。反冲洗程序为三段式冲洗：气冲洗、气水混合冲洗、水冲洗。
其工艺过程为：关闭进水调节阀——关闭曝气风机——关闭曝气风机出口阀门——开反冲洗排水闸门——开反冲洗进气阀——启动反冲洗鼓风机——开反冲洗进水阀——开反冲洗水泵——停反冲洗风机——关反冲洗进气阀——关反冲洗水泵——关反冲洗进水阀——关反冲洗排水闸门——开进水阀——开曝气进气阀——开曝气风机，此时滤池又开始正常工作。具体如下：
（1） 气洗阶段：关闭进水、曝气阀门，开启反冲洗进气阀门，启动反冲洗风机，进洗，目的是松动滤料层，使滤料层膨胀，气洗强度为12—18L/（m2·s），时间为3--5min。
（2） 气水联合反冲洗：启动反冲洗水泵，进水联合反冲洗，目的是将滤料上截留的悬浮物和老化的微生物冲洗出去，反冲洗水洗强度为（5—6L/m2·s），时间为5--8min。
（3） 水漂洗：关闭反冲洗风机和反冲洗进气阀门，进行水漂洗，目的是将滤料表面的悬浮物和老化的微生物膜冲洗出去，时间为3--5min。
3、备用状态
曝气生物滤池系统在设计时都会按照比较保守的数据，再加上污水厂进水水量的季节性变化也很大，因此经常会发生有滤池闲置备用的情况。这时，控制系统要根据每个滤池和设备闲置的时间的多少而安排滤池工作，让每个滤池和设备都能获得大致相同的检修时间。
提醒：对曝气器进行冲洗的周期大约为半年到一年的时间冲洗一次，一般是在滤池不工作，反冲洗进行前较合适。
4、故障状态
曝气生物滤池在运行中若出现故障或者每年一次的检修，要停电检修。要求单个滤池的检修不会影响其他滤池的正常运行。
工程简介
机床PLC数据采集及条码识别打印网络集成工程，客户有3000余套机床，机床的自动控制主要通过PLC实现，每台机床的控制分别由单个的PLC控制。PLC使用产品有KOYO公司的SN32DRB、SM16/24，B&R公司的PLC，SIEMENS公司的S7-300（PROFIBUS）等。主要为KOYO公司的SN32DRB、SM16/24。SN32DRB、SM16/24都有RSC232和RS485接口，RS232接口接文本显示器MD-02L。公司已布好有管理以太网网络。
客户需求
客户需要将这3000余套机床的PLC中某些寄存器中数据（数据包含机床号，生产人员工号，生产日期，产品的长度等。）读出并定期生成报表提送到某几个管理部门，便于日常生产的管理。**套工序中机床生产完产品后打印条形码（条形码数据包含机床号，生产人员工号，生产日期，产品的长度，产品的弹性度等。），并将信息读入产品管理系统。下一套工序机床用条形码识别器读出上个工序的条形码数据，并综合打印出这套工序产品的条形码。较后的产品条形码作为完整的产品条形码数据进入产品管理系统中。
网络特点
从传输距离和覆盖范围来看，该通信网络应属于工业级厂区生产控制网络。主要功能包括：信号采集、自动控制、信息管理等基本生产业务。以数据业务为主，而该通信网络所支持的业务则包括实时图像、监控数据及IP数据等，是一个全业务的网络。
从以上两点来看，该网络更接近于城域网。根据IEEE802局域网标准**的较初定义，城域网（MAN）是以光纤为通信媒体，能提供高速率（大于45Mbit/s），支持数据、话音和图形的综合业务传输，在跨度为50km—150km的城市覆盖范围内实现高速/宽带传输的数据通信网络。可以看出，机床PLC数据采集及条码识别打印网络通信网仅在覆盖范围上小于城域网。由于工程的特点决定了其通信系统适宜采用自建光缆的形式组建**网络，因而，在厂区内的网络可以用双绞线组成冗余度较高的环型网络。
因此，可以将该通信网看作是一个厂区网络，以承载数据业务为主，但又对业务的实时性有较高要求的**多业务区域网络。
网络结构
机床PLC数据采集及条码识别打印网络作为多种业务的传输与交换平台，承担着数据采集、自动控制及其它数据业务信号的汇接和传输任务。从拓扑结构上，整个网路是环型结构互连的准星型网络结构，如图所示。其中，控制中心是由七台KIEN6000-2S组成的冗余环网，作为网络的核心层；分别采用单模光缆与七个厂区各骨干节点相连接；使用双光纤备份链路，每个厂区都有一个KIEN 6000-2S和16个KIEN 1000–8TX组成的100M/S冗余工业环网，使用双绞线连接成环网。
0 引言
船舶自动操舵仪是保证船舶安全航行的重要设备,而舵机振荡出现的故障率较高。我国造船工业已具规模,每年生产艘数甚多的小型船舶,开发出性能可靠、价格合理的船舶自动操舵仪,完全可以得到推广和应用。针对船舶自动操舵仪出现的故障,分析了其控制单元的特点及工作原理,给出了通用的性价比高的技术解决方案。
1 常规自动舵控制单元分析
1)半导体分立元件自动舵。
半导体分立元件正常工作需要一定的条件,若超出其允许的范围,将不能正常工作,甚至造成*性的破坏。对于大功率管的功耗能力并不服从等功耗规律,其工作电压升高,其耗能功率相应减小。三极管在工作时,可能Uce并未超过BUceo,Pc也未达到Pcm,而三极管已被击穿损坏了。因此,使用半导体模拟元件要考虑di/dt、du/dt的影响,即使在其允许工作范围内也可能造成损坏。特别是外延型高频功率管,在使用中要防止二次击穿。元器件老化、特性飘移,引起性能下降、工作不稳定,故障率较高。
2)集成电路设计的自动舵。
集成电路与分立元器件组成的电路相比,具有体积小、功耗低、性能好、重量轻、可靠性高、等许多优点。但同样对电源电压、温度、湿度等外界因素变化敏感,其内部又存在固有噪声,这些将引起回路特性和参数变化,降低其稳定性和可靠性。其功能扩展困难,难以调试,不能在线修改和故障诊断,对制作工艺要求很高。故障分析和排除十分困难。
3)舵机振荡出现的几率较高。
印刷电路板P. C. B要设法电路振荡,常用RC校正网络,在电路中加入电容C,或利用R、C元件进行相位补偿,改变电路的高频特性,从而破坏自激条件。
舵机抖动严重影响舵机工作和船舶航行,其发生的可能原因有舵机自激、舵输入信号波动、电源自激、舵机与惯性传感器形成电路闭环等。舵机抖动较有可能来自于控制电路P. C. B中某个运算放大环节的自激,可能是由于线路增益异常、线路幅频或相频特性不正常,以及舵系统幅频或相频特性不正常引起的。
电液舵机多为阀控型,其转舵不灵敏,可能舵系中线不正,引起单面卡紧,也可能滚动轴承有损伤。配合间隙较大,舵系出现敲击。转舵不准确,舵叶实际位置与舵角机械指示的读数不吻合,偏差超过0. 5°[4]。舵机振荡严重,有明显跑舵现象,表明主油路锁闭不严,间隙较大。
许多国产自动操舵仪使用磁罗经检测船舶实际航向,精度低,可靠性差。由于磁罗经惯性和迟延较大、过冲,又存在磁差、自差和综合偶然误差,其0线与真北线间的差角是磁差与自差的代数和,因此磁罗经指向不稳定,不宜直接用于自动舵控制系统,磁罗经作为无源导航设备,仅适应用于随动和应急操舵。
陀螺电罗经也存在船速误差、冲击误差和综合偶然误差,在正常稳定工况下,一般<0. 5°~±1°,可以通过软件编程处理罗经差,满足自动舵控制的需要。GPS应用已经普及,而把GPS提供的航迹信号用于船舶航迹(航向)控制,实现的成本较高。
2 基于S7-200PLC设计自动舵的优点
在船舶操纵控制中,经典的PID舵对高频干扰过于敏感,引起频繁操舵,缺乏对船舶动态特性及海况变化的自适应能力[5]。而常规的自适应控制舵系统实现成本高,参数调整难度大,控制效果难以保证。
本系统使用STEP 7Micro/WIN V4. 0 SP4编程软件,有在线自整定PID控制功能和监控界面[6-7]。既可以生成模拟量输出PID控制算法,也支持开关量输出;既支持连续自动调节,也支持手动参与控制。利用PID指令向导,可以定义设定值的上、下限取值范围、增益、积分时间、微分时间、采样时间,可以*输入输出值的类型、范围,提供低限、高限及过程错误报警,生成PID初始化子程序和中断程序及手动/自动模式无扰动切换,还能自动分配地址,自动为参数表分配符号名,实现PID参数配方。
实际运行并调试PID自动舵参数时,其控制的效果就是看反馈是否跟随设定值,响应是否快速、稳定,能否抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。利用自整定控制界面PID-TUNE面板,能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线。通过查看DataBlock,以及SymbolTable相应的PID符号标签的内容,可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表[6-7],包括PB、Ti、Td、Ts等等。将此表的地址复制到Status Chart中,可在监控模式下在线修改PID参数,而不必停机再次做组态。
由于船舶的大惯性、大滞后和慢响应,会引起船舶围绕给定航线连续地振荡运动。船舶航线为Z字型,为了使船舶在给定航向转向点附近的航迹偏差较小,且减小在给定航线上的振荡幅度,实现光滑转换, PLC自动舵必须增加一些补偿功能[8]。
PLC自动舵除具备PID参数自整定功能外,航向整定、舵角设定值的大小功能数字显示,具有自动偏航报警功能(偏航角≥5°)、舵角比(GAIN)调节(能产生足够大的转船力矩)、限幅功能、反舵角(制动舵角)调节、压舵角调节、灵敏度/天气(DEAD BAND)调节(风平浪静时高,大风浪时低)、小舵角航向调节、游隙机构补偿功能,这些功能分别由S7-200PLC的子程序实现。
为了使船舶转向平稳,减小冲过头的幅度,使船舶在转向点附近航迹偏差小且减小在给定航线上的振荡,实现平滑转向。由于船上没安装旋回角速度传感器,追随性指数T和旋回性指数K开环测试不方便,在线辨识和参数估计又较难,因此根据驾驶员的经验来编程实现。变增益调节根据船速、偏舵角和船的惯性来综合考虑,追求转向均匀为控制目标。
图1所示为S7-200PLC设计的船舶自动舵框图。图中,Ⅰ-在触摸屏上进行整定和显示;Ⅱ-在触摸屏只进行显示;Ⅲ-操舵模式在触摸屏操作和显示,其它4个只进行显示;Ⅳ-通过增量式编码器把电罗经的实际航向采集到PLC,使用HSC指令;Ⅴ-舵令和实际舵角;Ⅵ-开关量输入;Ⅶ-开关量输出。随动操舵、应急操舵时,驾驶员能看到舵令表、实际舵角和实际航向。自动操舵时,只需实际航向和给定航向。
3 S7-200PLC船舶自动舵实现的功能
为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量、装载量、航速及各种天气、海况,在自动舵系统中,根据上述要求应进行适当的调节。1)灵敏度/天气调节。灵敏度是指系统开始投入工作时的较小偏航角。根据天气、海况而进行调节。在风浪静的情况下,灵敏度要调高一些;但在大风大浪的情况下,应适当降低自动操舵的灵敏度。
2)舵角比例调节。偏舵角与偏航角之比例关系。舵角比例过小,就不能产生足够的转船力矩,回转性能不好;过大,使船舶可能回转过头,稳定性差,还会降低船舶航速。要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,以获得一个合适的舵角比。
3)反舵角(制动舵角/稳舵角/纠偏舵角)调节。船舶在偏离正航向时,自动舵能使船舶恢复到原来的正航向上,船舶在恢复到原来的正航向过程中,作“S”形衰减振荡航行,为了使船舶尽快地恢复到正航向,必须具有微环节,以得到需要的反舵角。制动舵角根据机构游隙编程予以补偿,机械方面造成的振荡。
4)压舵角调节。为了纠正船舶由于受到单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航或单侧偏航,自动舵中应当设有自动压舵和人工压舵调节。
5)航向(小舵角)调节。在自动操舵运行中,可以通过航向调节改变船舶的给定航向,使船舶在新的航向上航行。
6)P、I、D参数自动调节。既可以手动调节,也可以自动整定,手动—自动切换无扰动。PID参数棒壮图、数字、过程曲线3种显示方式。
7)航向设定、舵角给定。分别通过模拟电位器送入PLC刻度化,在HMI上以棒状图、趋势图、模拟表显示。
8)限幅及允许偏航角设定。限幅与左右满舵相对应,保证舵机有效工作范围。实际航向与给定航向的允许偏差可以修改,如果太小容易引起频繁操舵,太大则在给定航线上的Z字型振荡幅度大。
自动舵控制回路结构如图2所示。
自动舵、随动舵和应急舵,可以通过HMI随机选择。使用时首先接通总电源开关给系统供电,然后启动舵机,将舵机油泵选择开关打到№1或№2,之后将操舵方式选择开关转换到相应的操舵方式上进行操舵。
1)应急舵。搬动应急操舵手柄进行左舵或右舵操作。此时舵角表将显示相应的实际舵角,船舶转向,电罗经显示船舶的实际航向。如果停止搬动应急手柄,则舵角表将停止在相应的舵角或自动回零。
2)随动舵。发出舵角指令后,不仅可使舵按*方向转动,而且在舵转到指令舵角后还能自动停止。使用时转动随动舵操舵手轮到某一位置,舵令表将同步指示该位置所对应的舵角,此时舵机将带动舵叶按照一定的速度转到舵令表所指示的舵角,舵角表将滞后于舵令表而按照实际舵叶的转动速度转到舵令表所指示的舵角(满舵时间≤28 s)。电罗经显示船舶的实际航向。
3)自动舵。在船舶长时间沿*航向航行时使用,它能在船因风、浪、流及螺旋桨的不对称作用等造成偏航时,靠罗经测知并自动发出信号,使操舵装置改变舵角,以使船舶能够自动地保持既定的航向航行。使用时首先设定航向,此航向应与船舶实际航向即电罗经的指示大体相一致,船舶在航行发生偏航时即通过自整定PID功能连续自动输出相应的舵角,使船舶航向恢复到设定的航向上来。
通过改变相应的参数(灵敏度、比例、积分、微分)可以改变自动舵的输出特性。
4 结论
半导体分立元件、集成电路设计的船舶自动舵,由于船上的工作环境恶劣,对十几年以上船龄的船舶来说,印刷电路板的寿命和可靠性大大降低,稳定性差,出现的故障率很高。而数字化、微机化设计的自动舵实现的成本高。但利用PLC实用新技术,提高船舶舵机的控制功能,将会取得良好的控制效果。PLC适应船舶恶劣环境,可靠性高,功能强,价格便宜,编程调试方便。PLC自动舵能适用于船舶不同的排水量、航速、天气、海况,实现PID的自整定功能和PID参数配方管理,使PLC自动舵在调节过程中具有良好的动态和静态特性。维修,操作管理方便,并且PLC能动态显示舵机状态,便于在线故障诊断。
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