2018关于组态王的船舱综合监控系统设计方案
0 引言近年来随着船舶的大型化以及电子信息和自动控制技术的不断发展，船舶自动化程度越来越高，船舱监控也逐渐朝着数字化、智能化、网络化方向发展。由于船舶远离陆地的特殊工作条件，加之监控对象的点数众多、被控量形式庞杂、特定时间数据量大、工作条件恶劣(潮湿、高温、震动、噪声、电磁干扰) 等特点，这就对系统的可靠性、安全性和有效性提出了更高的要求和挑战。
北京亚控公司的组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，可用于快速构造和生成计算机的监控系统，能够在Windows平台上运行。基于组态王的船舱综合监控系统以西门子S7-300系列PLC为控制核心，配合组态软件王6.53来完成系统的数据采集、参数显示、超限报警、和PID控制等任务。不仅可靠性高、操作简单、实时性好、人机界面直观大方，同时开发周期短，系统便于现场维护人员更改、扩充、升级等。
1. 系统原理及硬件设计
监控系统主要由信号采集、上位机监控、输出执行三个模块组成。系统结构。
1.1 信号采集模块
船舶在运行过程中工况复杂, 需要采集的信号众多，如对机舱中主辅机和各舱的油温、水温、压力、油烟浓度、液位等数据进行实时采集。系统所选用的传感器均带有变送器模块，由工作现场所送出的信号都是4-20mA电流信号，考虑到防护和防爆等级的要求，信号经由危险区输入到安全区时必须经过光电安全隔离栅之后才可以送达PLC中。
西门子S7-300系列PLC负责信号的转换控制以及传送功能。在系统运行过程中PLC循环扫描输入点,读入模拟量输入信号并将监测数据与报警限比较,若超限,则输出报警信号并与上位机进行通信。
1.2 上位机监控模块
上位机选用两台装有组态王6.53 的研华ISA/PCI 总线一体化的工控机。为了确保系统的可靠性及数据的不间断采集，如图2 所示，上位机采用双机热备的连接方式。主机和从机通过TCP/IP 网络连接，正常情况下主机处于工作状态，从机处于监视状态，从机通过网络从主机获取实时数据和报警信息，一旦主机发生异常，从机会在很短时间内取代主机，完全实现主机的功能，完成数据的热备份。当主机修复重启后，从机又会自动把主机丢失的历史数据和实时数据拷贝给主机，之后重新处于监控状态。
1.3 输出执行模块
当船舱温度或液位不满足系统要求时，上位机会通过PID算法来控制电磁阀的关闭和泵站的启停来调节环境参数，从而真正实现了智能化监控设计的要求。当采集信号超限时，警灯和蜂鸣器会发出声光报警。由于油舱属于重点监控部位，在集控室需要安装温度巡检仪，以此来实时监控8个油舱的温度，实现温度的检测、显示和报警功能。
2. PLC 控制软件设计
根据检测信号的不同,由PLC来完成各种不同的信号控制、信号的传送和闭锁功能,并把数据送给上位计算机来显示各种所需参数。借助于PLC 强大的逻辑控制功能,避免了人工操作可能的失误,保证系统的可靠性。PLC 采用模块化编程,通过组织块(OB) 、功能块( FB、FC) 、数字块(DB) 等模块之间的调用,可以实现复杂的控制算法,而程序结构简洁明了。
PLC控制单元主要实现以下功能:
(1) PLC 和上位机进行可靠的通信,组成一个完整的现场自动监控系统, 并将采集的数据送到上位机显示。组态王通过上位机中的MPI网卡(如cp5611)和PLC上的通讯单元（通讯模块）建立通讯连接，从而达到操控PLC设备的目的。
(2) PLC需要对各个船舱环境参数信号的采集与处理，当某路电流信号超出4-20mA范围时，应及时发出传感器故障报警以备维护人员及时检修。
(3) PLC要对电磁阀门以及泵站动作进行PID闭环控制，对各参数状态进行实时监控与调节。
3．组态王软件设计
3.1 软件功能要求
监控软件以控制和实时监测现场用电设备各个参数为中心，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的特点，应具备以下功能：
(1)强大的界面显示组态功能。组态软件需要支持Windows环境，拥有丰富的图形控件和工况图库，使用户可随意绘制各种工业界面，使界面生动、直观。为操作员及时提供系统运行的状态、异常报警等信息，用变化大小、改变颜色方法，增强画面的动态显示效果。
(2)实时处理系统对主回路实施多功能的电气逻辑互锁等管理，根据检测到的现场信号产生开关量输出信号，可以实现数据采集处理与报警处理等功能。
(3)良好的开放性。开放性是指组态软件能与各种通信协议互联，支持多种硬件设备。
系统向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。既适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以远程通信与测控。
(4)周密的系统安全防范。软件应提供一套完善的安全机制，严格规定各类操作的权限，对于不同的操作者赋予不同的操作权限，保证整个系统安全可靠运行。
3.2 监控界面设计
在上位机组态王中共设计了7幅界面, 如图3所示为主界面，程序初始化后首先进入软操作台界面,此界面可完成所有的操作功能，每个界面下方都有一排带有缩略图的按钮,点击按钮即可进入缩略图所代表的界面,实现各画面之间的相互切换。
温度与信息浏览画面主要是描述了压载舱、油水舱的温度和液位。可燃气体浏览界面描述了水舱的烟油浓度，在参数显示同时增加了传感器故障报警，能够实时的了解油舱液位和温度状况，对其他操作提供参数辅助。
参数设定，涉及到了相对应舱室液位的参数设置以及油舱温度上限报警值的设置，需管理员级别的用户才有权限设置相应的参数。液位设置中有两个参数，比重和盲区。由于海水由于地域季节比重不同，故导致液位有偏差所以加入了比重修正。同时由于液位计安装方式的不同，液位计总存在测量盲区这个时候就需要在测量值的基础上进行补偿。
报警界面描述了在此系统中报警信息内容和当前正在报警中的信息和历史中发生的报警信息。当报警发生时，可以对发生的报警进行消音和报警确认操作。消音按钮进行消音处理，如要确认报警请按报警确认按钮进行操作。历史报表界面主要是用于历史数据的查询。
在开始时间上输入要查询时间的起点时间及结束时间，即可查询到相应的历史数据。
进入上面的操作界面此操作需要最高级别用户登陆才可以修改，不可进行修改任意操作，否则数据显示就将发生错误。
4. 结语
组态王软件是一种集网络技术、数据库技术、总线技术和COM 技术于一体的大型应用软件系统。系统图形界面友好、操作简捷直观，数据采集准确可靠，运行安全稳定。组态王6.5和PLC在自动化监控系统中的完美结合弥补了传统监控软件开发工作量大、通用性差、开发周期长等诸多缺点。并且价格只有国外同类产品的1/8～1/3，降低了工程成本，具有较高的性价比。本系统已经在多个船舶监控工程中应用，取得了良好的效果。工程的成功运行同时也是对国产软件组态王的又一次肯定。
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