基于CP340通訊模塊的船舶機艙監控系統設計與應用

分類：技術教程日期：2009-06-03 17:08:26 來源：西門子(中國)自動化與驅動集團

摘要： 本文描述了基于西門子通訊模塊CP-340的PLC與MAN B&M柴油主機通訊的船舶自動監控系統設計與應用。通過西門子可編程控制器S7-300及CP-340通訊模塊，并基于RS-422現場總線協議對船舶柴油機的滑油壓、油溫、淡水壓力、燃氣溫度等模擬量和水位、油艙高位等開關報警量進行監控，并顯示在機艙控制臺的各儀表和顯示器上，實現了船舶機艙的自動監控。經在大中型船舶機艙中的實際應用表明，該監控系統功能完善、性能優良、可靠性高，完全能夠滿足船舶航行的要求標準。

關鍵詞： 船舶柴油機;PLC（S7-300）; 通訊模塊（CP-340）;現場總線（RS-422）

引言

　　隨著自動化技術的不斷發展，并在各行業中獲得廣泛的應用，造船業的自動化集成度也有了很大的提高。其中船舶動力設備的自動控制是最常見的、最基本的，也是最需要的。為了保證船舶動力設備安全可靠的運行，以及減少人為因素的錯誤判斷和人力的極大浪費，設計了基于CP-340通訊模塊的船舶機艙監控系統，并將該系統應用于實際船舶項目中。通過該系統對船舶動力設備參數的實時檢測，可以實時顯示設備各重要的運行參數和狀態。當檢測到設備的運行狀態出現故障時，系統就會自動報警并記錄故障;同時調節設備的運行參數，使其回到正常軌道上來，實現對遠程設備的控制。

　　可編程邏輯控制器（PLC）以其運行可靠、集成度高、可操作性強而在工業控制中得到廣泛應用，而且各個PLC生產廠家提供了多種通訊模塊，如工業以太網Ethernet模塊，點到點串行通訊CP模塊等。因此可以利用PLC的通訊模塊實現可編程控制器與船舶柴油機系統的實時數據存儲區通訊，讀取數據存儲區的設備運行參數，并通過現場總線形式將讀取的數據傳送到PLC的存儲器中，按照通訊格式進行數據處理和顯示。在設計中采用了Siemens公司的點到點串行通訊模塊CP-340，通過RS-422網絡協議讀取數據，并在機艙監控臺上進行實時顯示、報警、控制等操作。

1 系統結構及特點

　　● 西門子可編程序控制器S7-300;

　　● CP-340點到點串行通訊模塊;

　　● 西門子PLC信號模塊（SM）;

　　● 機艙監控臺顯示面板;

　　● 延伸報警模塊;

　　● 打印輸出設備;

圖1 機艙監控臺內PLC控制系統示意圖

　　圖1 所示是機艙監控臺內PLC控制系統示意圖。根據實際需求，船舶主機及柴油發電機組采用的是丹麥MAN B&W公司的Diesel A/S系列產品。與傳統的柴油機數據采集方式相比，該系列柴油機將設備的參數都實時的存放于柴油機系統控制柜的4個數據存儲區中，通過通訊接口，PLC、PC機等外圍設備可以從中實時的讀取設備運行參數，掌握設備的運行情況。另外，MAN B&W柴油機系統還自帶安全保護控制柜，用于保護柴油主機的安全運行。這里將西門子S7-300作為上位機，CP-340作為串行通訊模塊，柴油機系統為下位機。

　　該系統的核心是裝于機艙監控臺內部的西門子S7-300 PLC及CP-340通訊模塊。通過總線的方式將運行和報警信息在機艙監控臺面板及延伸報警板上實時顯示出來。

　　MAN B&M 柴油機系統控制柜的通訊接口支持多種傳輸協議，如RS-232、RS-422和RS-485方式。由于柴油機系統的大多參數都是通過其中的一個或幾個接口與一臺或幾臺外圍設備通訊，這就大大方便了硬件連接。RS-422總線和RS-485電路原理基本相同，都是以差動方式發送和接受，不需要數字地線。RS-232是單端輸入輸出，全雙工工作時至少需要數字地線、發送線和接收線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。RS-422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發互不影響，而RS-485只能半雙工工作，收發不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。RS-422和RS-485在19kpbs下能傳輸1200米。在本系統中，采用的是RS-422總線方式。

2 系統硬件

　　S7-300是模塊化小型PLC系統，具有軟件豐富、可靠性高、網絡通訊能力強、CPU處理速度快、集成功能強等特點，能滿足中等性能要求的應用。由于SIMATIC S7-300可編程控制器是模塊化結構設計，各種模塊之間可以方便的進行擴展。

　　CP-340通訊處理器是Siemens公司提供的點到點連接的串行通訊模塊，其通過背板總線與PLC的CPU相連。它可以在SIMATIC S7-300和ET200M中使用，該通訊模塊提供了三種不同形式的傳輸接口： a、RS-232C（V.24） b、20mA（TTY） c、RS-422/RS-485（X.27）。

　　該模塊可以實現ASCII碼、3964（R）和打印機驅動三種通訊協議，通過集成在STEP 7中的參數化工具可進行簡單的參數化，對其設置主要包括通訊方式（波特率、數據位數、停止位數和奇偶校驗）、接收幀結束方式、接口方式（485 Or 422）等。

　　整個機艙監控系統共有84個設備參數，其中71個開關量，13個模擬量。

　　廢氣鍋爐綜合故障、應急配電板DC24V失電、1號左燃油艙高位等40個開關量均直接接入PLC的數字量輸入模塊，通過傳感器將信號實時的讀入PLC的輸入映像區。泵艙高位、進渦輪增壓器前排氣溫度高、主機應急控制電源故障等31個開關量通過CP-340通訊模塊采集數據。所有模擬量如燃油進機壓力、滑油進主軸承壓力、汽缸冷卻高溫淡水出口溫度等也由CP-340通訊模塊完成數據采集的。所有通過CP-340讀取的源數據均從柴油機數據存儲區中取得。

　　各重要參數在該種總線柴油機中都具備相應的數據存儲區，只是存放地址以及在通訊數據中的LRC校驗碼有所不同，因此，利用CP-340模塊，可以從數據存儲區實時讀取各重要設備參數，進行顯示控制。

3 軟件設計

　　SIMATIC S7采用STEP7軟件，S7-300 PLC采用了模塊化的編程思想。STEP7標準版配置了3種基本的編程語言：語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）。

　　硬件組態（Configuring）是軟件設計的基礎，也是最重要的一步。根據系統的輸入、輸出信號的性質和點數，以及對控制系統的功能要求，確定系統的硬件配置。這一步在STEP7軟件的SIMATIC Manager（管理器）的HW Config（硬件組態）窗口中，通過選擇窗口右邊的硬件目錄窗口中的模塊，并拖放到與實際模塊相同的槽位中建立的，生成一個與實際的硬件系統完全相同的系統，所有模塊的參數都是由編程軟件來設置的，完全取消了過去用來設置參數的硬件DIP開關。硬件組態確定了PLC輸入/輸出變量的地址，為設計用戶程序打下了基礎。硬件組態包括：系統組態、CPU的參數設置和模塊的參數設置。

　　丹麥MAN B&W公司的Diesel A/S系列柴油機控制柜的通訊接口采用的是標準的MODBUS ASCII協議，作為下位機（Slave）通信。它的通信電路接口標準是5線制RS-422接口（Rx+、Rx-、Tx+、Tx-、GND）。MODBUS ASCII協議讀取命令的所有數據字節都在協議轉換時轉換為2位十六進制的ASCII格式，或一個字轉化為4位ASCII字符。數據通訊消息幀有如下格式：

　　[:][SLAVE][FCT][DATA][CHECKSUM][CR][LF];

　　包括1位開始位，2位從機地址位、2位功能碼、2n位數據位、2位LRC校驗位、1位數據停止位以及1位結束符。但在PLC發送請求和接收數據時的[DATA]位有所不同，發送請求的數據頭包含要讀取的數據存儲地址，而接收到的數據頭包含的是接收的數據位數。

　　當柴油機接收到來自PLC的發送請求命令時，先根據數據的起始地址計算出LRC校驗碼，然后再與接收到的LRC校驗碼相比較，如果一致，則向PLC發送數據，否則不作響應。

　　對于西門子S7-300與MAN B&M柴油機通訊，對CP-340通訊模塊參數設置如下：

　　a、接收幀結束方式;

　　b、通訊方式：9600 baud，8 data bits，1 stop bit，no parity;

　　c、接口方式：RS-422，其余的設置為默認方式。

　　CP340有4個專用功能塊：發送功能塊FB3，接收功能塊FB2，讀RS-232C接口信號狀態功能塊FC5和接口信號狀態設置功能塊FC6。本系統中主要采用FB2和FB3接收、發送功能塊。

　　首先要對CP-340起始地址，發送數據的背景數據塊號、開始發送的字節號、字節長度、出錯處理等屬性進行設置，然后在主程序中循環中斷調用這些命令，實現模塊化的通訊目的。其中，我們可以通過對 DONE，ERROR，STATUS等屬性的設置，來監控數據交換的狀態。最后，從數據存儲區（DB塊）中取出接收到的設備運行參數數據，進行字節處理后，通過PLC的模擬量、數字量輸出模塊（SM）將實時數據顯示到機艙監控臺上來。圖2（a）（b）就是CP-340發送與接收數據的簡單例子（本系統的程序設計采用功能塊圖（FBD）語言實現）。因此只需要一個發送數據DB塊。對于不同的參數，只需要變換相應的地址和校驗碼即可。而接收數據的DB塊，只需要定義成BYTE類型的數組，并且長度不小于39字節就可以了，對于每次從柴油機中讀取的數據則放入到不同的DB塊中。