西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0参数选型
1 引言
挖泥船监控系统是大型挖泥船的重要组成部分，具有控制设备多、作业流程复杂等特点。工作环境恶劣，粉尘、潮气、盐雾、高温、振动等干扰比较严重。
可编程控制器(PLC)相对于传统的继电器控制方式，可适应恶劣的工业环境，可靠性高;硬件系统可采用模块化结构，易于扩展，具有网络通讯功能;控制功能大部分由软件实现，程序编制容易、修改方便。
2 系统简介
2.1 原系统构成
海狸4602号是一艘全液压驱动、非自航的大型挖泥工程船舶。船上布置有液压工作机械20台，其中绞刀系统有液压马达6台;绞刀架起落系统有液压油马达2台，紧定油缸1只;横移系统有液压油马达4台抛锚系统有液压油马达2只;定位桩油缸2只;甲板吊系统有液压油马达2台;绞盘液压油马达1只。由一台卡特柴油机驱动的6台VICKERS双联叶片泵构成该船的液压动力泵站，另有一台小型的应急柴油机驱动1台应急油泵构成应急泵站。所有液压工作机械均采用电磁阀控制，由传统的继电器控制系统进行控制。
海狸4602号的动力部分由5台大型柴油机组成，其中1台1140马力的辅机除了驱动全船的液压泵站外，还驱动1台40KW的发电机进行对全船的供电。4台柴油机(4*863马力)分为2组，由2台相同的柴油机构成串联机组驱动泥浆泵。机组和泥浆泵中间经过一泥泵齿轮箱减速驱动。为保证柴油机和泥泵齿轮箱的安全运行。该船分别在机舱和操纵室内配置有柴油机冷却水位、冷却水温、柴油机润滑油压力、润滑油温度、齿轮箱润滑油压力、冷却水温度的报警系统以及紧急停车系统。这2套系统也由传统的继电器控制系统进行控制。
该船的控制系统经过20多年的使用，部分元器件已经老化，工作的稳定性差。引入PLC对挖泥船的监控系统进行改造有必要提上议事日程。
2.2 控制系统构成
结合海狸4602好挖泥船原有的设备状况，构建PLC监控网络对原控制系统进行改造，利用上位机监视全船设备的运行状态，并根据实际的工况条件，在挖泥过程中采用模糊控制算法，对绞刀速度、绞刀下放深度、横移速度、进桩距离等重要参数进行优控制，实现该船的自动挖泥。
改造后的挖泥船控制系统具有自动和手动2种控制方式，并实现通过上位机对全船设备的运行进行实时监测显示、故障报警和紧急停车的功能。
图1 系统构成原理框图
图1中Controllerbbbb为现场控制网络，其通讯波特率可达2Mbps，通讯距离可达1km，是目前PC与PLC、PLC与PLC之间通讯速率快的通讯系统,CLK单元通过端子板、CLK支持卡通过专用插件与双绞线连接，接线非常方便。CLK单元上内置了终端电阻，通过简单的开关设置就可以配备网络两端点所需的终端电阻。在数据链接上，Controllerbbbb控制网络除使用LR区外，还可以使用IR、CIO、DM和扩展DM区进行链接，每台PLC发送的字数可达1k，发送和接收的总字数可达8k，具有大容量数据链接的功能。但由于其通讯模块价格较高，以此构成的系统成本高。考虑本文的篇幅，暂时不介绍基于Controllerbbbb总线网络的远程实时组态监控系统。
整个监控系统由2台PLC组成现场控制网络，#1PLC负责对液压工作机械控制，它由基本控制单元和6块开关量I/O模块和1块A/D模块组成，完成自动挖泥过程以及对液压系统工作负荷的测量。#2PLC则由5块开关量I/O模块和2块A/D模块组成。主要用于动力部分和各类辅助机械运行参数的分析处理以及全船的故障报警。
2.3 控制系统工作原理
(1) 基本逻辑控制过程。
PLC逻辑控制流程见图2所示。PLC是按照重复扫描的方式执行它的操作，它使PLC中的用户程序逐行被解读，并按照操作信号发出的控制命令，实现对液压系统工作过程的控制。
(2) 系统硬件设计
a) 2台PLC均采用OMRON C200型PLC。
CPU单元、输入、输出单元均使用24VDC电源。继电器输出单元C200H-OC225的大通断能力:2A，24V.在实船控制系统中，出于安全可靠方面的考虑，不用PLC的I/O模块直接驱动负载，而是在PLC的输出端设置插件式的半导体负荷驱动板。该驱动板具有无触点开关的优点，本身设置有短路保护环节，带有指示灯熔断器，便于及时维护。
b)操作台和控制柜的布置仍然尊重旧有的工作习惯，基本按照原有的位置进行布置。#1PLC放在驾驶室操作台内，#2PLC放在机舱的报警箱内，以减少输入信号到PLC输入单元的线缆长度。驾驶室操作台实现挖泥操作的所有动作，包括自动挖泥和对绞刀、横移、桥架、抛锚、定位桩的单独控制。具有对机舱和舱面设备的远程控制功能.机舱控制柜主要负责舱内设备的安全报警，包括5台柴油机、液压系统以及辅助设备的运行参数的监控。
c)系统监测与状态显示部分除了沿用过去直观的指针式真空、压力表之外。还在液压系统中设置18个压力传感器，既可以通过数字式仪表对液压系统和柴油机润滑系统的工作压力进行测量监视。也可以采集绞刀、横移、桥架、抛锚、定位桩等装置的工作负荷，将模拟量送PLC的A/D模块进行转换，经过数值计算和信号处理之后，一部分作为开关量信号输出用作液压装置的保护。一部分可以上传至上位机，显示挖泥工作状态。
d)PLC设备的供电。PLC允许供电电源电压的变化幅度为-15%~+10%V，瞬时电源故障时间应不大于10ms。在实际工作中对PLC采取两路供电，提高供电的可靠性。一路由交流220V经稳压电源送PLC电源模块，一路作为应急供电措施，用24V蓄电池组作电源，保证应急状态下控制系统能够操作。
(3) 系统软件设计
a) 自动挖泥程序设计
绞吸式挖泥船的的挖泥过程是指绞刀的垂向及水平给量与横移速度所形成的合适的切削过程。为此需要控制绞刀在三维空间的准确位置和绞刀的转速。从而要求具有能使垂向、水平给量相当稳定，绞刀切削泥土正常并相应前移的四种自动控制功能。即桥架绞车控制，绞刀转速控制、横移绞车控制、定位桩前移控制。
考虑到海狸4602号挖泥船现有设备的局限性，比如定位桩部分不是采用的定位桩台车装置。在程序设计过程中，在尽可能提高挖泥作业自动化水平，简化操作的也充分考虑到系统所应具备的灵活性，以适应复杂多变的施工环境。特别是在遭遇风浪、潮汐、塌方、水下障碍物等意外情况时，仍然离不开人工操作。为了尽量避免误操作给设备运行带来的损坏，在程序设计中加了更多安全联锁保护环节。比如定位桩的下落操作中，为防止定位桩在下落过程中突然提桩，导致定位桩巨大的惯量冲击破坏液压缸装置，在程序中通过设置延时程序取代以往的在定位桩系统的液控单向阀中加装节流螺钉的做法。再比如对横移的启动和停止，也通过程序设置为加减速模式，防止人工操作过程中高速启动和停止对液压系统和缆绳的冲击以及对船体稳定性的影响。所有液压系统的过载保护也在程序中进行互锁，使液压系统在电气和机械上具有双重保护。
整个系统可以在手动工作和自动控制工作方式下操作。上述工作方式的转换由“自动/手动”转换开关来实现。手动方式下，可以对绞刀、横移、桥架、定位桩、抛锚等系统进行单独操作，即在特殊情况下，可以完全由人工进行挖泥操作。
自动方式下，将挖泥操作分为三大块。分别为绞刀自动、横移自动、进桩自动。绞刀自动部分负责将绞刀头调到预定挖泥模式的起始点，实现对绞刀垂直给量的位置控制和绞刀切削厚度控制。横移自动部分主要是根据挖泥过程中的状态参数的反馈量，对横移速度进行控制，保证各种驱动装置不超过负荷，泥浆正常稳定地输送。进桩自动部分则是根据开挖泥层的土质状况，控制绞刀合适的水平进给量。自动挖泥的程序流程见图3。
b) 报警监测程序设计
在挖泥作业过程中，保证设备的安全及正常运转是整个工程成败的基础。#2PLC完成对机舱设备、液压系统、泥泵系统运行参数的采集。实现柴油机润滑油的油压、油温、冷却水水位、水温的极限报警和柴油机飞车状态下的停车保护和紧急停车保护。实现齿轮箱润滑油油压、油温的极限报警和紧急脱泵保护。实现液压系统液
压油位过低和油温过高报警。实现泥泵堵死、吸泥口堵死报警和管道内泥浆浓度过高，流速低于临界流速的堵管报警和泥浆浓度过低的低效率报警。
3 结束语
本系统采用高性价比的C200Hα型PC构成的挖泥船监控系统，成本低廉，可靠性高，可操作性强，自动化水平的提高在很大程度上降低了挖泥作业人员的劳动强度。使系统具有了较强的系统自诊断功能，方便运行维护人员排除故障。该系统的成功改造为国内老龄挖泥船舶以及其它工程船舶的技术改造提供了典型范例，特别是将PLC技术应用到老龄船舶技改领域，从而提高船舶自动化程度有重要的现实意义。
前 言
随着硫化机自动控制水平的不断提高，硫化机的温度压力数据采集记录方法经历了圆盘记录仪、打点式记录仪、智能化无纸记录仪乃至目前较先进的上位机监控系统。上位机监控系统界面友好、控制安全可靠、精度高、数据存储量大，已越来越受用户青睐。笔者采用电阻式触摸平板电脑作为上位机，把现场数据通过传感器采集经PLC处理后送入上位机，组成一个监控系统。
1、监控系统构成
整个监控系统由A／D模块、D／A模块、CPU、传感器、电气转换器、平板电脑组成，如图1所示。
上位机对数据进行分析、存盘、综合处理、打印、报警、图形显示、人机对话，并可通过数据传送对PLC进行控制。
2、监控软件的设计
2．1窗体设计
在软件的编程过程中，人机界面（MM，）非常重要，因为它直接与操作员产生信息交流，友好的人机界面要求能真实再现控制设备的状态以及准确的采集所需参数的数据，这主要依靠VB6.0的控件组合及原代码完成。整个人机界面包括硫化状态画面（主画面）、实时曲线画面、数据查看画面、历史曲线画面、工艺编辑画面、报警画面、口令画面、开关状态画面，各画面间可以相互切换。当然也可根据用产习惯编辑不同的人机界面，具有很好的灵活性。
主画面如图2所示，它实时采集硫化机温度压力信号，并将其保存在以日期为名称的数据库里。显示每锅轮胎硫化的时间、步序参数数据，产量、胶囊计数、本机目前的信息也一目了然，棒图控件能动态表明每条轮胎的硫化进程，并有百分数提醒操作员。如果某一阀门打开，主画面中相应阀门名称的颜色变化，管路里就会有液体流动的动画，形象再现了阀门状态的变化，这可以在picture控件中应用API函数实现。清零菜单可分别对左右计数和产量进行清零。单击通讯按钮通过串口与PLC通信，进行数据交换，数据采集频率可在Timer控件中设定。主画面为监控系统的窗口，基本上所有操作员需要了解的数据都集中在这里，其画面的友好程度及功能的完整性直接影响人机界面成功与否。
实时曲线画面实时跟踪硫化机的温度压力参数，可分为圆盘型和直线型。圆盘型尊重原有圆盘记录仪的习惯，以为单位，实时记录每一时间的数值，在实时数据与上一时间数据间画圆弧，这样能准确显示数值的变化情况。直线型以一小时（一般轮胎硫化时间在一小时内）为单位显示，如果采集完一个小时数据，则实时曲线以采集频率从右向左漂移，这时在Picture控件右端显示当前数值对应的曲线，这种动态漂移效果可由bbbbbbSAPI函数实现。这两种曲线方式各有千秋，前者可以直观了解当天所有轮胎的曲线情况，但上位机的显示屏显示数据，图形就显得小，分辨率不高。者清晰度高，但只能显示当前一段时间的映线，如果需要更长时间的曲线，得从历史画面中查看。一般来讲，两者兼顾应用，相得益彰。
每天采集的数据都存放在当天的数据库里，要查看哪天的曲线只要打开该天的数据库就可以画出该天的历史曲线。
工艺编辑画面：所有需要修改的参数都集中在工艺编辑画面里，步序、分步时间、阀门状态、PID参数、延时设定、硫化规格、机号都可修改。该画面功能多，操作较为复杂，但主要还是围绕数据库做文章。建立一个数据库与Treeview控件联接，数据库中包括各种工艺号，每个工艺号为一个表（Table）。单击表名，该表的内容显示在Datagrid控件中，可以通过键盘修改表的内容。
其它画面不再详述。
2．2 上位机与PLC间的通信
在上位机链接通信中，上位机多是以主态同PLC进行通信，命令一般从上位机发至PLC，任何数据都能从PLC发送至上位机。两者间的通信通过上位机的串口与连接实现，并遵循RS-232协议，其命令格式为：
响应码为：
用V 86．0编写通信程序时，要用通讯控件（Mscomm）。将通讯控件调入后，还需编通信代码，如PLC采集的内温、内压、外温、外压存芯正数据区DMOOOONDM0003，主画面的内温、内压、外温、外压分别显示在Label1（0）～Label 1（3）中。则在VB6.0下建立的通信代码如下：
Private Sub Timer 1-Timer（）
bbbb l. MSComm l. CommPort=1使用COM l端口
bbbb l. MSComm l. Settings=9600,e,7,2设置通信条件
bbbb l. MSComm l. Port Open=True打开串口
R$=@ 00RD00000004读PLCDM0000-DM 0003的内容
RD$=R$+fcs（R$）
bbbb 1. MSComm 1.In Buffer Count=0
bbbb 1. MSComm 1.Output=RD$+Chr$（13）发送命令
Do
Dummy=Do Everts（1）
Loop Until bbbb 1. MSComm 1. In Buffer Count>=27
Inbbbbbb$=bbbb1. MSComm 1. bbbbb接受数据
Label 1（0）. caption=MID$（inbbbbbb$,8,4）
Label 1（1）. caption=MID$（inbbbbbb$,12,4）
Label 1（2）. caption=MID$（inbbbbbb$,16,4）
Label 1（3）. caption=MID$（inbbbbbb$,20,4）
From1. MSComm 1. Port Open=Faise
End Sub
数据是以帧为单位发送的，每次接受一帧时计算FCS并将结果与包含在帧中的FCS比较使之能检查帧中的数据错误。FCS是转换成2个ASCⅡ字符的8位数据，这8位数据是对帧开始数据直到此帧正文结束的数据进行异或运算的结果。VB6.0下的FCS函数代码如下：
Function fcs（O$）
Dim B％，I％，Ⅱ％，FF$
B％=0
Ⅱ％=Len（O$）
For I％= I TO Ⅱ％
B％=B％×or Asc（Mid（O$，I％，1））
Next I％
FF$二He×$（B％）
1f Len（FF$）=1 Then
FF$=0+FF$
End If
Fcs=FF$+＊
End Function
3、结束语
本例已成功地应用于硫化机自动控制系统中，从实际运行情况，状态良好。当然，它有待不断完善，使之画面更丰富，功能更强大。
钢丝绳式格栅除污机是一种自动化程度较高的污水处理设备，用于拦截和清除污水中粗大的漂浮物。黄石市磁湖污水处理厂2003年投入使用了三台此种设备，其核心控制系统选用日本三菱公司生产的FX1N-40MR型可编程控制器（I/O输入28点，输出18点），辅以接近开关（感应距为5mm和l0mm）和FDU81型液位差计作为信号采集装置。3年的实践证明，PLC控制安全可靠，满足了污水处理工艺自动化的要求。
一、设备简介
格栅除污机主要由驱动装置、差动机构、卸渣机构、清污抓斗、导轨、栅体框架、维修平台及电控装置组成。这种机型每台有三根钢丝绳索，缠绕在同一个卷筒上，其中两侧钢丝绳牵引抓斗沿导轨上下滑动，由一台2.2kW升降电机驱动；中间一根钢丝绳控制抓斗的开闭，由另一台0.75kW启闭电机驱动，抓斗的升降和齿耙开闭分别由两个相互独立的电机驱动，设备主要结构见图1。抓斗的上下限位、钢丝绳松绳、断绳及开、闭耙到位均设有成对的接近开关，与PLC控制器一起实现自动除渣的动作。即抓斗下行一开耙一闭耙一上行一卸渣一运行计时一停机计时一下行。
二、PLC控制过程
控制原理如图2、图3所示。
1．抓斗下行。开机前抓斗位于起始位置，提升到位接近开关接通，常开点X6闭合。选择手动或自动开关，即常开点X15或X16闭合，按下启动按钮，常开点X20闭合，则辅助继电器M392接通，升降电机启动，抓斗下行。
2．开耙。定时器T0接通开始计时，延时2s后T0常开点闭合，M393接通，启闭电机启动，抓斗开耙。开耙到位后，开耙到位接近开关接通，常闭点X7断开，启闭电机停止运转。
3．闭耙。抓斗下行至池底，闭耙到位接近开关接通，则常开点X4闭合，M0接通，升降电机停止运转，常开点M0闭合，M394得电，启闭电机启动，抓斗闭耙。闭耙到位时，闭耙到位接近开关接通，常开点X5闭合，M1接通，启闭电机停止运转。
4．抓斗上行。闭耙到位后，常开点M1闭合，M395得电，升降电机开始运转，抓斗上行，提升到位，常开点X6闭合，M2接通，升降电机停止运转。
5．卸渣。抓斗上行到位后延时3s，通过本机差动机构和卸渣机构自行将废渣排至小车外运，运行计时器和停机计时器工作，至此一个工作循环结束。
三、PLC控制特点与功能
1．实现一系列准确的清捞动作。格栅除污机是间断运行的，通过PLC内部计时器，严格控制除污机运行时间、停机时间和卸渣时间，所有输出信号均可送至中央控制室，实现远程控制，方便值班人员夜间操作。
2．松绳保护。抓斗上行、下行过程中，当遇到障碍物时，出现松绳但耙没下放到位的现象，这是一种非正常状态（耙未到达池底）。本机PLC内部设置了一计数器C0记下松绳次数，即记录指定时间内出现这种状态的次数，如达到设定值，则常开点C0闭合，M104工作，输出报警信号和控制相应输出继电器，见图4，提请操作人员查看现场，采取措施排除障碍物。
3．开、闭耙保护。当抓斗开耙、闭耙过程中出现障碍时，开耙、闭耙到位开关不能按时接通。此时PLC设置了T1、T2，见图4，限时7s若不能完成开耙、闭耙动作，则输出故障信号，并控制相应继电输出，保证了除污机的安全运行。
4．根据液位差灵活控制运行。当拦截残渣数量较多时，格栅除污机前后液位出现较大的高度差，此时在停机状态，也必须开机，在自动工作状态，格栅除污机运行还受液位差控制器及定时时间的控制，见图2。即当设备处在间歇停止状态时，栅体前后的液位差达到一定的设定值或保持间断工作的定时时间到，X22闭合，M3接通，M392工作，设备即投入工作，可根据实际情况灵活运行操作。
5．过载保护。当设备发生机械过载或电机过载等故障时，X2和X10闭合，M100得电，报警并控制相应继电输出。在每一动作程序均设有常闭点X17，急停按钮启动后，所有常闭点X17断开，相应电机停止运转，见图4。
四、安装及使用注意事项
1．PLC要求环境温度在0~55℃为宜，安装时不能将其放在发热量大的元器件下面，四周通风散热的空间应足够大。如果周围环境超过55℃，则应安装电风扇强迫通风。
2．为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线。接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开，若达不到这种要求，则必须做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。
3．对电源的要求。PLC供电电源为50Hz、220(1±10%)V的交流电。对于电源线来的干扰，应安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器，再接入PLC。若现场电源质量满足不了上述要求，则需设置一个精度较高的稳压电源。
4．PLC在使用中会因外界干扰、后备电池电量耗尽和硬件等因素，使其内部的程序丢失。一旦发生此类情况，若不能及时将原程序重新装入，则将造成设备的全面瘫痪，这就需要做好程序的备份。
五、结语
PLC应用于钢丝绳式格栅除污机的自动控制，实现了抓斗下行、开耙、闭耙、提升、卸渣五个机械动作，按照预期设定的时间运行，直至限制各个动作的接近开关接到信号为止。运行实践证明，与传统继电器控制相比，PLC节省了大量时间继电器、计数器、步进控制开关等设备，提高了自动控制的准确性和可靠性，保障了被控设备的运行安全，实现了良好的经济效益和社会效益。