基于Elecworks的S7-1200/1500船舶泵浦管理系统的应用

　　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。

　　关键词：ElecworksTM船舶泵浦S7-1200/1500PLC自动控制

　　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S7-1200/1500PLC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S7-1200/1500PLC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AutoCAD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。

　　AutoCAD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S7-1500PLC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S7-1500PLC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SIMATICS7-1500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S7-400PLC，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1Elecworks™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，S7-1500PLC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:

　　[1]张桂臣.现代船舶电站[M].大连:大连海事大学出版社,2012.

　　[2]郑华耀.船舶电气设备及系统[M].大连:大连海事大学出版社,2011.

　　[3]西门子PLC控制器SIMATICS7-1500[J].自动化博览,2013,(3):17.

　　[4]王瑞云.基于PLC控制的船用泵组的自动切换系统分析[J].船海工程,2012,41(6).

　　[5]西门子推出新一代面向中高端应用的高性能PLC控制器[J].自动化博览,2013,(8):66-66.

　　[6]王宁.PLC在船用泵组合启动控制系统中的应用[J].科技信息:学术研究,2007,(26):297-298.

　　[7]刘长青.S7-1500PLC项目设计与实践[M].机械工业出版社,2016.

　　[8]王时军.零基础轻松学会西门子S7-1200[M].机械工业出版社,2014.

　　[9]徐昭,吴志良.基于S7-1200PLC的船舶电站并车装置的设计与实现[J].船电技术,2014,(11):13-15.

　　[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 No.7 2017.7