文:李云逸(上海海事大学商船学院,上海, 201306)
摘 要:针对现代船舶泵浦自动控制的要求以及特点,设计高性能的泵浦管理系统。在重点论述 PLC 控制 单元中,选用西门子公司最新的 S7-1200/1500PLC 作为核心控制器。并以 Elecworks 作为制图软件,完成对 泵浦管理系统原理图与 S7-1200/1500PLC 图纸的设计。该系统可以更好的实现泵浦故障时主备用泵的自动 切换与顺序起动,提高泵浦系统自动控制的准确度及诊断能力,使其更加安全可靠。
0 引言
Elecworks™ 是一款新型的设计软件,普遍 使用于在工业电气自动化的项目设计中。其在绘 制原理图之前可呈现项目的设计思路,掌握项目 的整体规划。Elecworks™操作简捷,设计时不用 掌握任何特殊快捷命令。同时拥有更加智能化的工具菜单指导用户设计,无论项目大小,允许多 个电气工作者同时设计于同一项目。 目前, 在 Elecworks™的各版本中没有西门子 S7-1200/1500 PLC 的符号与设备型号, 通过 Elecworks™设计 可使用户在以后的设计中快速简单的插入西门子 S7-1200/1500PLC,自动生成 PLC 图纸,缩短用 户的设计时间。西门子 S7-1200/1500 PLC 在系统 性能方面具有显著的提高,功能强大,拥有快速 的信号处理能力。船舶电气设备的控制中,泵浦 的控制管理是主要内容之一,目前泵浦的自动控 制系统仍多采用继电接触器控制或者其他低端 PLC 控制,不仅维修不方便,而且可靠性差。而 西门子 S7-1200/1500PLC 的联网能力更强,诊断能力和安全性更高,不仅可节约成本,提高生产 效率,而且安全可靠,维护简单方便[7]。
1 Elecworks™的优势及其 PLC 的设计
Elecworks™将设计师从重复的劳动中解放 出来,让设计师更加专注于设计与创新。原理图 的设计首次采用智能布线方式,以及国际标准符 号库帮助设计师更高效的绘制图纸。其中包括自 动生成 PLC 图纸与清单表,例如端子表,接线表, 设备清单,电缆表,图纸清单等。一键式自动生 成 PLC 图纸,利用宏方式生成回路。同时还支持 多人协同设计同一项目,并且图纸数据可以实现 实时更新。根据工程的需要,图纸的不同结构, 灵活的选择设计 PLC 的范式,通过关联宏的自动 生成 PLC 图纸,或通过动态插入的范式设计 PLC 图纸,节约大量的设计时间。
与传统 Auto CAD 画图软件相比, Elecworks™实现企业的标准化、模块化、集成化, 适应全球信息化的发展。
1) 标准化。包括标准的设计流程,设计规范, 标准的符号库,准确的设备库,让电脑智能提示 减少错误率,实现多语言自动转换。
2)模块化,集成化。可以与 ERP 集成,进行 部门沟通,与 PDM,PLM 集成进行图纸管理。 同时还可与与机械、结构方面集成,实现机电一 体化。
Auto CAD 在绘制 PLC 过程中流程混乱,在 绘制 PLC 时没有 I/O 表,根据工程的进展要求, 不断添加 I/O 地址及说明,容易出现错误。同时 图纸结构中包含大量的 PLC 图纸,回路结构相 似,但却需要花费大量的时间绘制。
Elecworks™ 设 计 S7-1200/1500PLC 的 流 程 图 如 图 1 。 设 计 PLC 时 , 一 方 面 需 注 意 的 是 Elecworks™ 设 备 管 理 器 中 , 部 件 栏 必 须 填 写 S7-1200/1500 的供货号,并且用户根据需要可在 回路端子中添加多个数字量或者模拟量的输入/ 输 出 回 路 。 另 一 方 面 Elecworks™ 可 以 直 接 从 “PLC 输入/输出清单”中复制地址及说明到 I/O 管 理器中,并且每个回路可选择关联相应的宏,极 大的节约了设计时间。最后将设计好的 PLC 建立 为宏,在以后的设计中以便随时调用。
2 西门子 S7-1200/1500PLC 的特点
西门子 S7-1500 PLC 模块尺寸相比于 S7-300 稍大,机架类似于 S7-300,前连接器安装时具有 接线位置,并提供专门的电源元件和屏蔽支架及 线卡,使接线更方便,可靠性更高;特别是是 CPU 上配置有 LED 显示屏,可方便显示 CPU 状态和 故障信息等。其功能强大,集可编程逻辑控制器、 通信模块、博途编程软件、工控组态软件、触摸 屏等于一体。在系统性能方面,西门子 S7-1500 PLC 性能强大以及拥有快速的信号处理能力,大 大缩短了响应时间,加强控制能力。并且设计有 高速背板总线,具有高波特率和高效的传输协议 [8]。位指令的最快运行时间可缩短到 10 纳秒之 内。S7-1500 所有 CPU 集成 1-3 个 PROFINET 接
口,可实现低成本快速组态现场级通信和公司网 络通信,而 S7-300/400PLC 只有个别型号 CPU 才 集成有 PROFINET 接口。模块集成有自我诊断功 能,在博途软件中不需要编程,当有故障产生时, 该功能可迅速的判断受影响的通道,最大限能的 减少停机时间,这是 S7-1200/1500PLC 所独有的 功能。
在现场工艺方面,以 SIMATIC S7-1500 西门 子 PLC 为例,标准化的运动控制功能使其与众不 同。Profidrive 是基于 Profibus 与 Prifinet 两种通 讯方式的驱动技术,也是自动化控制应用中的一 种协议框架,Profidrive 可以实现用户对驱动的控 制 更 方 便 , 更 快 捷 。 在 S7-1500 中 模 拟 量 和 Profidrive 兼容驱动不需要其它模块就可以实现 直接连接,支持速度和定位轴,以及编码器[3]。 TRACE 功能不仅使用户程序和运动控制应用诊 断的精准性更高,同时还使驱动装置的性能更稳 定。 此外,西门子 S7-1500 还支持所有 CPU 变 量的 TRACE 功能,提高了调试效率的同时优化 了驱动和控制器的性能。为了实现对控制器快速 高效的调节,用户可以使用 Trace 功能,对程序 和动作应用进行实时诊断,从而优化驱动[3]。
在工业信息安全方面,为帮助用户确保应用 安全,访问保护功能可以防止对未经授权应用的 配置修改,还能通过给不同等级的用户分配相应 的授权级别来实现保护功能,专有的数据校验机 制可识别修改过的工程数据,从而实现例如保护 通过未授权操作传输到控制器的数据等功能[5]。
相对于设计人员 S7-1500PLC 的组态和编程 效 率 更 高 , 信 息 采 集 和 查 看 更 方 便 。 由 于S7-1500PLC 是无缝集成到 TIA 博途软件中,无 论是硬件组态、网络连接和上位组态,还是软件 编程,其操作均简单快捷。而 S7-300/400PLC 专 用 组 态 编 程 软 件 为 STEP7 , 上 位 组 态 软 件 为 WinCC,相对于 TIA 博途软件,其操作显得繁琐。 对于 S7-1500,可通过 PLC 上 CPU 显示屏、TIA 博途和人机界面设备实时查看 CPU 状态、过程变 量和故障信息等。而对于 S7-300 与 S7-400 PLC, 由于 CPU 模块没有显示屏,各种状态信息的查看 也没有 S7-1500PLC 方便。
图 1 Elecworks™设计 S7-1200/1500PLC 的流程图
3 船舶泵浦管理的 S7-1200/1500 系统
随着船舶电气技术和计算机技术的日益发 展与成熟,现代船舶的主要泵,分油机等设备大 多 采 用 PLC 作 为 控 制 系 统 的 核 心 。 而 西 门 子 S7-1200/1500PLC 在船舶泵浦管理中可以发挥更 大的作用。现代船舶船用泵浦管理系统主要包括 泵浦的自动控制,自动切换,分级投入(顺序启 动)以及分级卸载。在现代化无人机舱中重要的 泵浦除了机旁操作以外,主要的遥控操作与自动 运行方式位于集控室的主控制台或主配电屏的计 算机液晶控制触摸屏、以及组合起动屏上[4]。当 正在自动运行的泵出现故障时,运行泵的备用泵 可以自动起动并且自动切换;各组泵依据 PLC 事 先设定好的起动顺序重新自动起动。船用泵浦管 理系统的流程图如图 2 所示。
3.1 大功率负荷投入管理(重载询问功能)
在船舶工况下偶然使用大功率负荷,如压载 泵、消防泵之类的大功率负荷投入管理,只需在 发电机运行机组台数的管理程序基础上增加几条 指令即可。纳入重载询问功能控制的电动机有允 许起动信号指示灯,该指示灯亮,说明电站功率 裕量够用,该电动机可以启动[1]。
重载询问功能是指大功率负载投入电网时,
PMS 首先分析电站容量是否满足启动条件[9]。 当在大功率负荷泵启动箱上按下启动按钮,
这一启动信号不是送入控制箱内的控制电路,而 是送入 PMS 的(重载启动询问信号只是一对触 点)。PMS 计算当前电网总负荷加上准备投入运 行的大功率负荷,若不超过运行发电机组的最大 负荷率,则大功率负荷立即启动运行;若当前负 荷超过发电运行机组所能承载的最大负荷率,则 备用发电机组立即启动,待备用机组投入电网运 行且负荷分配后,才由 PMS 发出允许启动这一大 功率负荷指令和指示,此后大功率负载可以启动 并投入运行,这可避免在网发电机过载[1]。
3.2 泵浦组合起动屏
船舶大部分泵的起动控制采用新颖的组合 起动屏形式,并且每个起动屏安装一台电动机的 起动控制单元及其元器件[10]。组合起动屏中配置 了一个特殊的 PLC 控制单元,S7-1500 PLC 采用 新型的背板总线技术使安装在屏内的起动控制单 元能与计算机控制系统建立通信联系,可以在触 摸屏上实现对泵起停控制。PLC 的输入/输出电路 可接收泵浦的液位信号及压力控制信号[6]。
3.3 泵的自动切换和顺序启动
3.3.1 泵的自动切换
当泵浦系统出现故障以后,PLC 可以根据压 力或者液位信号的变化自动切换备用泵。
在三种情况下备用泵将会自动切换起动:运 行泵电动机过载、突然失电以及运行泵出口压力 下降。1)当运行泵电动机过载时,热过载继电器 的常闭触点断开,PLC 接收到电机过载的信号, 立即停止运行泵,PLC 根据设计程序起动备用泵。 2)正在运行的泵突然失电停止运行,备用泵自动 启动,当电源恢复后原运行泵成为备用泵[4]。3) 运行泵的出口压力下降:在运行泵正常工作期间, 泵的出口压力由压力继电器监测,当出口压力低于设定值时,压力继电器断开[2]。在泵的运行期 间由于某种原因泵的出口压力下降到设定值以 下,并持续两秒以上时,压力继电器将出口压力 降低信号传送至 PLC 控制屏,此时运行泵立即停 止并起动备用泵。
3.3.2 泵的顺序启动
当由于特殊原因使电网失电后,导致所有泵 浦停止运行,当电网恢复供电以后,为了限制每 次起动的电流值,防止起动时电网的瞬时压降过 大或恢复时间过长,因此按照泵浦的重要性排好 先后次序,按照其启动电流大小分组,然后按程 序逐级启动,防止电网超负荷[2]。
图 2 船用泵浦管理系统的流程图
4 结论
船舶机舱环境复杂,机舱设备长期处于高温, 噪 声 , 振 动 等 恶 劣 条 件 下 工 作 。 采 用 基 于 Elecworks™的 S7-1200/1500PLC 泵浦管理系统可 实现对机舱泵浦的优化控制,此系统不仅有效的 避免因外界环境干扰所造成泵浦的误操作,还大 大 提 高 控 制 系 统 的 可 靠 性 。 更 加 智 能 化 的 Elecworks™不仅缩短了工程师设计图纸所花费 的时间,而且支持 CAD 用户查看图纸。同时泵 浦的自动控制与切换,分级投入与卸载功能与传 统的控制系统相比较其稳定性得到很大改善,其 独有的自诊断能力使泵浦管理系统更加强大,而 且也节省了整个控制箱的空间,其维护也更加方便。
参考文献:
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[10] 张辰, 俞万能. 基于 PLC 的船舶空气源热泵供热水 控制系统研发[J]. 船电技术, 2016, (03):14-17.
发表于【船电技术|应用研究 Vol.37 No.7 2017.7】