设计一套以PLC控制系统替代原有线路板和继电器的船舶侧推器控制系统。
关键词：船舶 侧推器 PLC 控制系统
船舶侧推器一般分为艏侧推和尾侧推，主要用于侧推器的驱动动力装置一般采用大功率低压电机或经过升压变压器升压后驱动中压电机的运转，来驱动一个可变距桨叶。通过调节变距桨的桨叶角，即改变螺距的大小来达到控制侧推力的方向和大小。而螺距的控制器一般安装在变距桨桨壳的内部，具体实现的方法是从操作指令到液压机构全部采用电气信号的传输方式，然后通过电-液信息变换以控制所要求的螺距角度值。
1 侧推系统组态图：(见图1)
根据系统的要求，该系统必须具备以下几个基本功能：
1.1桨叶螺距的控制
根据操作者所给出的螺距指令，以及与实际螺距测量的值进行比较，如果差值的绝对值高于某数值时，这时先启动快速电磁阀控制螺距，使螺距迅速变化；当指令值与螺距值差值的绝对值小于最大螺距值的5%时，启动慢速电磁阀使螺距值缓慢增加或减少以最终使螺距值等于指令值。同时将实际的螺距值经过采样处理后送至各个控制台进行显示。在系统异常时能进行手动应急控制。
由于控制系统的滞后特性，防止因指令值与螺距值的差值过小而频繁调节慢速电磁阀造成系统的振荡和减少电磁阀的寿命，故将最大螺距的1%作为其死区调节范围，因此在指令值与螺距值差值的绝对值大于最大螺距值的1%时才调节慢速电磁阀的动作。
1.2操控地点的切换
在侧推器马达启动完毕且正常之后，控制系统这时准许将控制权进行转移，而且只能由集控室转移到驾驶台，然后由驾驶台确认后再由驾驶台控制或进行再次的转移，例如由驾驶台转向侧翼等。要求在转换时螺距值必须为零位，否则将不允许转移，防止在转移控制权过程中产生意外。
1.3系统的安全保护
由于侧推系统直接关系到船舶的机动性和安全性，所以在系统中必须增加许多的安全保护措施，具体如下：
●驱动电机的启动条件
●驱动电机的过流保护，在过载时发出声光报警同时马上降低螺距值至零位或某个固定的螺距值
●在油柜液位低下时发出声光报警
●在侧推器液压伺服系统压力异常时发出声光报警
●系统异常时发出声光报警
●出现紧急情况时能立即停止该系统
●在系统异常时能进行手动应急控制
2使用基于PLC的船舶侧推器控制系统的硬件组态
2.1 相对于传统的继电器控制系统，使用PLC具有以下的优点：
●控制程序简单，对于小型PLC而言，几乎不需要进行任何专门的计算机知识，特别适合现场工程技术人员使用。
●控制系统构成简单，通用性强。用户硬件设计方面，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存储器中的控制程序即可。
●抗干扰能力强、可靠性高。PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使PLC的平均无故障工作时间MTBF通常在20000小时以上，这是一般的其他电气设备做不到的。
●能直接进行模拟量处理。这是有别于继电器控制的最大优点。用PLC进行模拟量控制的优点是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可以控制。这个优点是别的控制系统所不具备的，或实现起来不如PLC方便。
●使用PLC还易于操作维护，设计施工调试周期短，具有通讯功能，便于与其他系统和触摸屏等结合构建友好的人机界面。
2.2 PLC 选型及地址分配表
侧推器控制系统需要有14个开关量输入点、22个开关量输出点、2个模拟量输入点、1个模拟量输出点，因此CPU模块选用常用的西门子S7-200系列CPU224XP，扩展模块选用EM222 8DO数字量输出模块两块。
2.3 侧推器控制系统电气图：（见图2）
其中 S1为驱动电机主开关辅助触头，当电机得电运行时闭合； S2为手动控制按钮，当手动操作时直接通过按钮控制D55和D57固态继电器直接驱动电磁阀线圈；FS1为液压油液位开关，当重力油柜液位低下时断开报警；PS1为液压油压力开关，当液压油泵运行正常后，油压低下时断开报警； F1 为驱动电机过载继电器，可以为电流过载信号，也可以是线圈温度过高报警信号，断开时报警；S3 为液压泵运行信号，当液压泵运行时闭合； Q0.0-0.3 为控制信号切换继电器，当某控制信号转移到该控制台时，该继电器闭合，这是将该控制台的指令信号送入AIW2； AIW0 为螺距反馈信号输入，范围为-10V/+10V，螺距在零位是为0V； AIW2 为指令信号输入，范围为-10V/+10V，控制台的手柄在零位是为0V； D1 为系统故障继电器，PLC正常工作时通电闭合，异常时释放； H5 为螺距零位指示灯，当螺距接近或为零时灯被点亮；D55-D58为固态继电器，直接驱动电磁阀线圈，以控制螺距的变化；H5为驱动电机允许启动指示灯，当驱动电机只有满足逻辑时，灯被点亮；D2为启动驱动电机继电器，当驱动电机允许启动且启动按钮按下后被置为输出；AQW0 为螺距值指示输出，范围为0-20mA，螺距在零位时为10mA，在左舷最大螺距时为0mA，在右舷最大螺距时为20mA，各个螺距指示表位首尾串联。
2.4 侧推器控制系统应用程序设计：
2.4.1驱动电机的启动逻辑（见图3）
驱动电机启动逻辑必须满足以下全部条件：
●重力油柜液位必须高于报警值
●液压泵必须已经正常运行
●螺距值必须在零位，使驱动电机的启动电流为最小
●集控室控制手柄必须在零位，防止在启动的过程中螺距突然动作造成电机过电流
●从电网至侧推器的主开关必须合闸之后才允许启动
使用复位优先RS触发器能在停止按钮按下或过载继电器动作后，立即置位Q2.7以达到立即停车的目的。
2.4.2 侧推器桨叶螺距控制（见图4）
在程序的初始化阶段对VW0和VW2进行初始化设置，将死区值（全螺距的1%）作为其电磁阀的一个动作阙值，当差值高于VW0时，即指令值与螺距值相差超过1%时才动作慢速调节电磁阀。而只有差值高于VW2快速电磁阀动作值（全螺距的5%）时，才动作快速调节电磁阀。在执行了AC0>AC1；(AC0-AC1)=AC2后或AC0 2.4.3 操控地点的切换控制（见图5） 对于操控地点的切换，主要流程是期望得到操控权的地点先提出请求后，等待现在所在操控地点的确认后，方可进行切换。 3 系统综述 ●本系统设计使用PLC的应用程序来控制逻辑与模拟量处理，不仅适合新造船使用PLC设计系统，由于CPU模块输入电压范围特别宽AC85-264V频率范围47-63Hz因此更特别适用于旧船技术改造和升级原有继电器和线路板控制系统。 ●可靠性能特别高，对模拟量的输入部分能采用多次测量取平均值，这样在系统的运行中能有效避免干扰信号的影响。对开关量信号进行光电隔离能有效防止共模电压影响，而且对开关量输入信号也能进行输入滤波。在实际的船舶工程改造中已有实际使用案例。 ●在改造中具有硬件电路简单，线路布置少，中间继电器仅仅只有3只，这样安装改造周期短，在航修时也能根据不同的需要完成侧推器的技术改造任务。 参考文献（略）