船模螺旋槳控制系統的設計與實現

王守博，　丁　佳

(中海網絡科技股份有限公司, 自動化事業部, 上海 200135)

船模螺旋槳控制系統的設計與實現

王守博，丁佳

(中海網絡科技股份有限公司, 自動化事業部, 上海 200135)

摘要:船模螺旋槳控制系統是為實船動力定位系統進行船模水池試驗提供的動力驅動控制系統。為了滿足測試環境、控制精度和響應速度的要求，船模螺旋槳控制系統采用西門子新推出的S7—1200 PLC控制器和V80伺服驅動器組合。通過測試和驗證，該控制系統滿足實船動力定位系統船模測試的控制要求，達到了預期目標，取得了良好的效果。此外，結合項目詳細說明了如何應用S7—1200PLC進行控制系統的設計。

關鍵詞:螺旋槳；動力定位；S7—1200 PLC控制器；V80驅動器

1系統概述

船模水池試驗是模擬實船運行的有效手段，而船模螺旋槳控制系統是專為船舶(海上浮動吊裝平臺)動力定位系統進行船模水池試驗提供的動力驅動控制系統。為縮短船舶動力定位系統的研制和調試時間，在模擬海上風、浪、流的試驗水池中控制與實船/船模等比例的船模螺旋槳驅動系統，研究動力定位控制系統的控制方法和算法，完成實船動力定位系統的測試任務。船模結構示意圖見圖1。

2關鍵技術及其解決

在海洋工程平臺和科學考察船中，動力定位系統定位的穩定性和準確性對于海洋工程平臺作業和科學考察船精確采集實驗數據而言具有重要影響，而實船動力定位系統的最終實現是通過控制船上的4個方位螺旋槳的動作來完成的。因此，在模擬試驗水池中，船模螺旋漿控制系統應根據海風、波浪、海流的變化，以及實船動力定位系統發出的命令，快速、準確控制船模上4個方位螺旋槳的動作，確保實船動力定位系統測試的有效性。

2.1控制的實時性

當船模受到風、浪、流改變的影響時，螺旋槳的實時響應非常重要?？刂葡到y接收來自實船動力定位系統的相關命令，通過驅動螺旋槳輸出。響應時間取決于通信的速率和控制器的指令執行時間。實船動力定位系統與PLC控制器采用PROFINET通信，數據傳輸速率達到10/100 Mbit/s；S7—1200 PLC控制器控制時，指令運行快，布爾運算執行速度為0.08 μs/指令；V80電機驅動器具有45 ms的脈沖濾波常數，從脈沖指令結束到伺服電機定位完成僅需約150 ms，滿足實時高動態響應的要求。

圖1　浮吊平臺幾何相似船模結構示意圖

2.2控制的精度問題

實船動力定位系統的精度取決于4個螺旋槳的方向和速度的控制精度，螺旋槳的變速和變向通過控制伺服電機驅動實現。在控制螺旋槳轉速電機時，S7—1200PLC控制器的高頻脈沖串(PTO)輸出的最大頻率可達100 KHz，設定驅動器的指令脈沖分辨率為1 000 P/R，在額定的電機轉速下控制精度為1.5 r/min，可以滿足速度控制誤差<3 r/min的要求；在控制螺旋槳轉向電機時：螺旋槳電機配置一個10:1的減速機連接到螺旋槳轉向控制器，在設定驅動器的指令脈沖分辨率為1 000 P/R的情形下，S7—1200PLC控制器輸出10 000個脈沖，螺旋槳旋轉一圈，其控制精度理論上達到 ±0.036°，可以滿足<0.1°的控制要求。

2.3船模試驗的環境

受設備尺寸及其重量的限制，部分設備不能安裝在船模上；船模在水上運動，控制設備和試驗操作臺固定安裝在岸上，無法直接控制船模螺旋槳和直接采集試驗數據。因此，優先選擇體積小、重量輕的控制器件。把裝有控制驅動系統的控制箱水平橫臥在船模的底板上，整體處于船模甲板以下；岸上也配置有控制箱和1個上位機。操作人員在岸上進行控制，2個操作箱之間通過網線連通，控制指令和采集信號通過以太網對船上的設備進行控制和數據采集傳輸，最大程度地減小了岸上與船模之間的電纜連接，而且網線比較細，可以在進行風力和水流模擬干擾船模測試時降低對測量的影響。

3控制系統的設計

控制系統由計算機(與動力定位系統計算機共有)、S7—1200 PLC 控制器和V80驅動器電機組成。

總體布局分岸上和船模上2部分：岸上為測試工程師站，配置定位控制計算機、S7—1200 PLC 控制器和交換機；船模上為控制驅動部分，配置4個S7—1200 PLC、4套動力驅動器和交換機，每套驅動器控制2臺伺服電機，分別控制螺旋槳的轉速和轉向。船模上部分和岸上部分通過以太網交換數據?？刂葡到y架構圖見圖2。

3.1動力系統的設計

SINAMICS V80驅動器電機組合是專門為經濟型應用設計的驅動產品，尺寸為120 mm×35 mm×120 mm(高×寬×深),書本型安裝形式。其與伺服電機之間實現閉環控制，通過脈沖輸入接口直接接收高頻脈沖序列，進行速度和位置控制。根據船模螺旋槳驅動要求，方向控制精度可以達到0.1°,速度控制誤差<3 r/min，起動時間可以控制在0.5 s，選擇這款伺服控制系統與高速脈沖輸出的PLC配套，性價比高，同時其緊湊型結構也滿足船模上安裝尺寸的限制要求。圖3為伺服控制器與伺服電機外形，表1為驅動部分選型配置。

圖2　船模動力定位螺旋槳控制系統架構圖

圖3　SINAMICS V80伺服控制器和電機外形圖

序號元件名稱廠家單位功能型號1V80驅動器西門子個驅動控制器6SL3210-5CB11-1AA02V80伺服電機西門子個運行電機1FL4032-0AF21-0AA03V80電機動力、控制及編碼器電纜西門子套連接驅動器和伺服電機自制

3.2控制系統

考慮到船模上安裝尺寸的限制，控制系統采用與控制驅動器配套的西門子SIMATIC 控制器系列的新產品S7—1200 PLC。其尺寸只有120 mm×35 mm×120 mm(高×寬×深),是一款節省空間的模塊化結構產品，適合于邏輯控制和網絡功能的小型自動化系統，是控制系統的較佳選擇?？刂破鞯呐渲靡姳?。

該系統集成了PROFINET 網絡接口，用于編程、HMI 通信和PLC 間的通信。此外，其還通過開放的以太網協議支持與第三方設備(計算機)的通信。該接口帶有一個具有自動交叉網線(auto-cross-over)功能的RJ45連接器，提供10/100 Mbit/s的數據傳輸速率，支持TCP/IP native、ISO-on-TCP 和S7 通信協議，PLC控制器外形見圖4。

圖4　PLC控制器外形

船?？刂葡涞?個PLC主要用于控制4個螺旋槳，需與驅動控制器的高速脈沖信號接口配套。因此，選擇6ES7 214-1AE30-0XB0這款CPU。該CPU供電電源為24 V直流電；數字量輸入信號為24 V直流高電平，晶閘管輸出24 V直流信號電壓。該CPU集成了2個高速脈沖輸出端，當組態成PTO時，將輸出最高頻率為100 kHz的50%占空比高速脈沖，用于驅動螺旋槳的方向伺服電機和速度伺服電機。

表2　控制器部分選型配置

3.3PLC 與V80驅動控制器接線的連接

PLC對V80伺服控制器的脈沖控制采用集電極開路控制方式，采用方向符號加脈沖列輸入(SIGN+PULS信號)，見圖5。

圖5　集電極信號控制形式

為了保證V80控制器的安全，脈沖信號的回路電流需限制在7～15 mA。解決的辦法在PLC輸出與V80控制器輸入之間串聯一個阻值為2.2 kΩ的電阻,這樣可把電流限制在10.9 mA。

V80控制器的4個狀態輸出信號(報警、剎車OK、定位完成和零點信號)需要送給PLC采集。V80控制器的輸出采用的是光電隔離的NPN型三極管輸出，這些信號連接到S7—1200 PLC時，需要把PLC 的公共點M 接24 V直流電，只有這樣，S7—1200 PLC才能正確接收 V80控制器輸出的狀態信號。S7—1200 PLC與V80伺服控制器的接線見圖6。

4軟件實現

S7—1200 PLC的編程軟件工具是西門子博圖軟件TIA PROTALV12版本，與Step7編程軟件不同的是，博圖軟件采用了更形象化的圖形組態和模塊化的控制指令方式，支持西門子全系列自動化控制器產品，實現組態與編程。

4.1通信的建立

在運行博圖軟件后，首先創建一個新的項目，在設備和網絡項中添加新設備。圖7為PLC網絡連接圖，按實際CPU類型添加了5個PLC控制器，各PLC之間通過PROFINET創建連接，分配同一網段下的IP地址，子網掩碼統一設定為255.255.255.0。

圖6　PLC與V80接線圖

圖7　PLC網絡連接圖

4.2通信功能的實現

PLC與第三方設備通信時，需要約定好交換數據的格式和長度，在每個PLC中建立2個數據塊，分別為發送數據緩存區和接收數據緩存區。為每個PLC控制器分配一個站號，用于識別數據的來源。通信數據格式定義見表3。

功能碼定義規則為03：讀取控制狀態字； 04：寫入控制命令； 05：保留； 06：保留； 07：保留； 08：回路檢測。

PLC通信通過選擇通信指令集中的開放式用戶通信TSEND-C 和TRCV-C 指令來實現。

連接參數可通過組態該指令中的連接參數填入，也可以直接在梯形圖指令塊的輸入輸出端填入，前一種方式更加形象、直觀。

4.3電機的驅動控制

S7—1200 PLC控制器發出高頻脈沖序列輸出到V80驅動器的脈沖輸入接口，V80驅動器驅動電機運行，電機連接編碼器，在驅動器和電機之間構成了閉環控制，S7—1200 PLC控制器通過讀取驅動器的狀態信號，實現對驅動的閉環控制。電機驅動控制原理見圖8。

表3　通信數據表

在編寫PLC程序時，首先創建一個新的控制對象，并選擇相應的脈沖發生器，對伺服電機的使能和就緒反饋信號、電機的機械物理特性、動態運行速度和加速度及尋參方式等進行工藝參數設定，在編程中調用該運動控制對象。

以螺旋槳轉速控制為例，PLC控制該電機運行為速度模式，在控制對象的工藝參數中設定最大速度和最小速度、加速度和減速度等(見圖9)。在對程序功能塊MC_MoveVelocity進行編程時，填寫控制對象的背景數據塊、使能和速度設定值，其速度的提升和下降按照工藝參數中加速度和減速度的設定來控制，其最高速和最低速也限制在工藝參數設置的范圍內。工藝參數設置和PLC程序控制指令配合實現對控制對象的操控。

圖8　電機驅動控制原理圖

圖9工藝參數和控制指令

圖10　PLC程序邏輯框圖

4.4控制實現

螺旋槳的控制是由實船動力定位系統計算機發出命令，通過網絡傳送給PLC控制器，PLC控制器發出高頻脈沖信號到驅動器，驅動電機運轉來實現。網絡傳送通信的實時性確保了命令執行的有效性；螺旋槳位置信號的準確采集確保了控制的精度。這是一個測試平臺，工作狀態非連續，每次PLC通電后，對螺旋槳位置數據進行記憶恢復，使操作人員不用每次電后都要進行零點校正工作。PLC程序主要執行定位數據檢測和邏輯控制，其邏輯框圖見圖10。

系統通電進行初始化，在螺旋槳電機驅動器狀態檢測正常后，進行螺旋槳位置值數據恢復，PLC與實船動力定位系統計算機通信全部完成后，系統進入運行控制狀態。實船動力定位系統計算機通過以太網網絡分別向4個PLC發送螺旋槳轉速和轉向的指令，PLC 根據指令去控制伺服電機運行，并把運行狀態信號反饋給實船動力定位系統計算機，最后把當前螺旋槳位置數據存儲到寄存器中，確保螺旋槳位置信號不丟失。

5結語

該船模螺旋漿控制系統自投入使用以來，運行穩定、可靠，數據采集實時、準確，控制動作及時、到位，圓滿完成了平臺動力定位的模型研究任務，項目的成功經驗對類似項目的硬件選型和軟件編程具有指導意義。由于系統在空間布置上的局限性，控制器和驅動器在選型上對外形尺寸及質量有更加嚴格的要求。在項目預算允許的情況下，該系統也有進一步優化的方案：水中船模和岸上實船模擬控制系統的以太網通信方式由網線連接改為無線傳輸，船模用電改由UPS電源提供，這樣可使船模受外界干擾的因素減少到最少。

參考文獻：

[1]張春. 深入淺出西門子S7—1200 PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

收稿日期：2014-11-10

作者簡介：王守博(1974—)，男，山東德州人，工程師，主要從事工業電氣自動化設計。

文章編號：1674-5949(2015)01-037-07

中圖分類號：TP273；TP311.52

文獻標志碼：A

Design and Implementation of Ship Model Propeller Control System

WangShoubo,DingJia

(China Shipping Network Technology co., Ltd, Industrial Automation Division,

Shanghai 200135， China)

Abstract:The ship model propeller control system is designed for testing ship dynamic positioning system in the laboratory environment. The control system consists of a combination of S7—1200 PLC controller and V80 servo drives which features high control accuracy and quick response. The tests prove that the control system satisfies the ship model testing requirements of the ship dynamic positioning system. The design technique of the system with S7—1200 PLC controller is described through the process of the development of the system.

Key words:propeller; dynamic positioning; S7—1200 PLC controller; V80 driver