PLC在减摇鳍数字化改造中的应用

摘 要：介绍了PLC应用于某舰艇减摇鳍系统数字化改造。建立了以PLC为核心的数字控制系统，在不增加任何输入信号的情况下，实现原有控制系统的各项功能。此数字控制系统与以数字阀为核心的数字液压随动系统结合，简化了减摇鳍系统结构，提高了系统可靠性。改造后的数字化减摇鳍系统已在某型舰艇上成功投入使用。

关键词：减摇鳍;PLC;数字阀

1 引言

　　减摇鳍装置是一种最常用的主动式横摇减摇装置，一般分为固定式和收放式两种。固定式减摇鳍的鳍从两弦伸出船体，安装于水线下的一定深度处，如图1所示。减摇鳍减摇效果取决的因素很多，其中控制系统的性能优劣是其关键因素之一。

　　可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是将计算机技术、通信技术和自动控制技术结合在一起的自动控制设备，具有可靠性高、体积小、功耗低、抗干扰能力强等诸多优点。PLC在减摇鳍控制系统中应用，可保证其在温度和湿度都较高、空间较小、工作环境恶劣的机舱里稳定、可靠、长时间连续地工作。

2 减摇鳍装置工作原理

　　减摇鳍装置作为一个自动控制装置，它可以分成三部分：鳍机械组合体，驱动鳍的随动系统和控制系统部分。当舰船在风浪中航行产生横摇时，控制系统通过角速度陀螺仪采得舰船横摇的信息，通过一系列的运算处理后得到鳍角控制信号，经放大后送到电液随动系统，电液随动系统根据鳍角控制信号驱动鳍按指定动作运行。船体两边的鳍在液压驱动力和水动力的共同作用下，产生稳定力矩来平衡波浪对舰船产生的扰动力矩，以达到减摇的目的。该稳定力矩和波浪的扰动力矩大小尽量相同，方向却正好相反，称之为平衡力矩。减摇鳍装置工作原理框图如图2所示。

3 减摇鳍控制系统结构和程序设计

　　3.1 减摇鳍控制系统结构

　　以某型舰艇上减摇鳍系统为例，改造前其控制系统是采用多块模拟电路板来实现对舰船横摇信息和其他辅助信息的采集、运算和处理，然后再将得到的鳍角控制信号经放大后送给电液随动系统，这样的控制系统不仅十分复杂，而且体积大、可靠性不高。随着计算机技术的飞速发展，在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业控制装置PLC可以很好地解决这些问题。在对减摇鳍控制系统进行数字化改造中，我们选用的是松下FP∑型PLC，具体型号是FPG-C32T，这型PLC主机的输入输出点分别为16点，程序容量为12000步，运算速度是0.4μs/步，工作环境温度可达55℃，而且拥有4路高速输入输出通道和易于实现多PLC间的高速通信等优点。另外，所选用的A/D模块也是与之配套的松下FPG-P11，FPG-P11和FPG-C32T之间有专用软硬的接口，安装和使用都十分方便。

　　在改造后的减摇鳍控制系统中，以PLC为核心的一套输入输出系统，可以完全取代原系统中的控制器部分，其功能结构图如图3所示。

　　PLC通过专用的A/D模块得到陀螺仪输出的横摇信号和舰船计程仪输出的航速信号，经过PID控制算法运算处理后，得到鳍角控制信号，经放大后送到电液随动系统。与此同时，PLC还要不断采集系统起停开关信号、两鳍当前位置信息和油源机组的各种信息，包括油温、油位、电磁阀和滤油器工作状态以及其他故障信息等。PLC可以根据这些信息，通过软件控制实现在系统工作异常情况下自动报警、自动归零停机或直接停机等应急措施。

　　考虑到舰艇机舱工作空间小、工作环境恶劣，现场调试十分困难，我们在改造后的控制系统中装有可方便实现输入输出的触摸屏，其型号为松下GT01。这型触摸屏可以直接与PLC连接，很容易和PLC进行高速通信，读取或改写PLC相应寄存器中的数据，不仅可以很方便地在线修改各种调试参数，以数字的形式显示减摇鳍的实时鳍角，而且还可以实现减摇鳍单边单步、双边单步和双边多步运行，这十分有利于现场调试和系统的后期维护，使得整个减摇鳍控制系统变得更加灵活。

　　另外，根据平衡力矩产生的原理，为了使减摇鳍在各种航速下（大于15节）都能稳定运行，就必须使减摇鳍鳍角能随航速的增加而减小，以使减摇鳍产生的最大平衡力矩不变，这种作用称为航速灵敏度调节。原有系统采用模拟电路实现航速灵敏度调节，改造后的控制系统中PLC直接根据PID运算结果和当前航速进行计算，运算结果快速、精确。

　　随着数字液压技术的日益成熟，它在实际工程上的应用也越来越广。我们针对减摇鳍的数字化改造，不仅仅局限于减摇鳍控制系统，而且对减摇鳍原有的电液随动系统进行了数字化改造。我们采用数字阀取代原有的伺服阀，信号从控制系统到液压随动系统不再需要进行D/A变换，PLC输出的脉冲信号可以直接作为数字液压系统的驱动信号。这样，减摇鳍的液压随动系统和数字控制系统有机地结合起来，使得整个控制系变得更加简单、可靠，控制更加精确、灵活，并且方便维修与保养。整个系统结构图如图4所示。

　　改造后的系统还可以通过编码器直接向PLC反馈鳍角信号，PLC根据给定的驱动脉冲信号和鳍角反馈脉冲信号的比较，可以判断出鳍是否运行正常。如果出现鳍角超调或者其它原因引起的鳍运行速度异常等情况，控制系统可以作出迅速反应，采取相应的应急措施使系统恢复正常或报警停机。

　　3.2 程序设计

　　通常PLC不采用计算机的编程语言，而采用梯形图语言或助记符语言。梯形图与继电器线路图在形式上很相似，简单直观，且PLC程序执行也是从上而下循环扫描，所以梯形图语言是应用较多的一种编程语言。

　　经数字化改造后，减摇鳍系统的控制程序主要是循环查询各输入信号的状态，根据输入的数据、各开关量的状态及其逻辑关系执行相关操作。在减摇鳍系统中，系统进入正常减摇工作状态后，PLC每一次循环都需要采集陀螺仪和计程仪的最新输出，扫描启动/停止，手动/自动、工作/归零、航速档自动/手动、油温/油位、滤油器和电磁阀等开关量的状态，从高速输入通道接受编码器脉冲并立即更新寄存器数据，然后根据各种输入数据和各开关量的不同状态进行逻辑判断和运算处理，通过输出触点输出控制开关量，通过高速输出通道输出控制脉冲。程序流程图如图5所示。

　　为了保证舰艇航行的安全和保护减摇鳍自身的软硬件系统，减摇鳍的两套机械组合体分别安装有限位触点，触点触发后液压系统可自动卸压，以保护减摇鳍机械本体。除此之外，改造后的减摇鳍系统在软件上也对其设有保护。PLC根据每次计算出来的鳍角控制信号设置软限位位置，如果鳍反馈位置超出，软限位立即触发。减摇鳍一旦遇到故障，特别是软限位触发后，系统将会立即进入归零子程序，迅速使两鳍停止运行并反向运动至零点，以免损伤减摇鳍机械本体。当确认两边的鳍都已经回到零点，系统自动启动减摇程序，尽量减小软限位触发对系统正常工作的影响。另外，由于舰艇机舱内对减摇鳍控制系统的干扰信号较多，控制程序中特地加入故障信号延时，尽量避免虚假故障对系统造成不必要的工作中断，以提高系统减摇效果，增强系统可靠性。

4 结束语

　　这套经数字化改造后的减摇鳍系统已在某型舰艇上安装，经调试达到了预期减摇果，现已投入使用。实践证明，PLC作为数字化改造后减摇鳍控制系统的核心，担负信号采集、逻辑判断、运算处理和控制输出等一系列的任务，使原有的控制系统得到很大的简化。特别是将数字控制系统与以数字阀为核心的数字液压随动系统结合起来使用后，不仅使整个系统结构得到简化，控制更加精确，而且大大提高了系统的可靠性和灵活性。

参考文献：

　　[1]金鸿章，李国斌.船舶特种装置控制系统[M].北京：国防工业出版社，1995

　　[2]汪晓光，孙晓英.可编程序控制器原理及应用（第2版）.北京：机械工业出版社，2001

　　[3][日]松下电工株式会社编.FP-FP∑编程手册，2002