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    1 9th WORLD DREDGNG CoNGRESS 第十九届世界疏浚大会论文集 EC一79 绞吸挖泥船自动控制系统实现 戴文伯1 摘要:我们设计了一种疏浚自动控制系统平台,并且在"新海鸥"等轮进行了实船应用. 该系统具有灵活性,可以运用到耙吸或其他类型挖泥船.该系统包括四个重要部分: SCADA、AMS、DTIS和PLC系统.依据每个部分的特性,我们采用了不同的软件工程方法. 本文介绍了整个系统的架构和技术路线,实践表明系统设计良好,运行稳定. 关键词:疏浚船舶,SCADA,AMS,DTIS,自动控制 概述 当今几乎所有新造的挖泥船都安装了复杂的自动控制系统.自动控制系统虽然占船 舶造价总成本的比例并不高,但是有很高的投入产出比,可以显著地提高船舶功效,减 少人工成本并且有效防止机损事故. 本文介绍了一种自动控制系统的架构和开发平台,整个系统已经在绞吸船"新海鸥" 等轮成功运用.本系统的架构非常灵活,并非只为绞吸船而设计,通过适当的修改可以 很容易地移植到其他类型的疏浚船舶. 系统包括四个关键组成部分,数据采集与控制系统(SCADA,Supervisory Control and Data Acquisition),报警管理系统(AMS,Alarm Management System),疏浚航迹信息系统 (DTIS,Dredging Track Information System),和PLC系统(Programmable Logic Control System).每个子系统根据其要求和特点,采用了不同的软件工程方法进行设计和开发. 本文介绍了整个系统的功能,架构以及技术路线.实船应用表明,系统架构合理,性能 稳定. 绞吸船的控制对象 设计一个自动控制系统,其首要任务是定义控制范围和明确控制对象,深刻理解控 制对象的控制特性.绞吸船有很多工程施工设备,自动控制系统对其中的大多数设备均 进行控制. 概括地,有九种控制对象:横移绞车、抛锚绞车、水下泵及其驱动设备、舱内泵及 其驱动设备、绞刀头及其驱动设备、管系及闸阀、绞刀桥架及绞车、液压系统、柴油机. 自动控制系统监视和控制这些设备的各种工作参数,如速度、压力、温度真空、运 动姿态.控制系统实现联动和互锁,启动和停止的条件等控制逻辑. 系统概要 硬件系统 硬件系统包括传感器、PLC、计算机、按钮及指示灯、网络.在本自动控制系统的 设计中,包括了三层网络及其应用程序,即企业级网络、船舶级网络、现场控制网络. 1戴文伯,1975年生,现从事疏浚自动化系统开发工作.单位:上海达华测绘有限公司软件部,地址:上海浦东大道 2501号,电由B:bQb垒翌堕YQ!壁gg:!Q里; 443 1 9th WoRLD DREDGlNG CoNGRESS 第十九届世界疏浚大会论文集 企业级网络通过3G或GPRS和船舶网络连通.在船舶级,设计了一个基于光纤的环网, 所有的计算机和PLC运用TCP/IP协议互联.PLC与其从站和采集模块通过Profibu—dp 相连,组成所谓控制网.PLC从站实现底层的功能:采集传感器信号,通过控制网发送 给PLC的处理器,同时接受来自处理器的控制指令. 图0—1系统的网络层次结构 软件系统 软件系统包括数据采集与控制(SCADA),疏浚航迹信息系统(DTIS,Dredging Track Information System),报警管理系统(AMS,Alarm Management System),OPC(OLE for Process Contr01)模块,以及PLC软件. En.七.rp叶ism】_∞qm叶∽hi口1_aym_ con—r01_】_aym_ 1 9tb WORLD DREDGING CoNGRESS 第十九届世界琉浚大会论文集 固固 图0-1软件子系统之间的通信 所有的软件子系统通过OPC技术进行通信,OPC是开放的,成熟的通信技术,运用OPC通信技术使得整个系统更加开放、稳定. 系统设计的基本原则 安全 在自动控制系系统,特别是船舶的自动控制系统的设计中,首要的原则是安全.我 们设计了三种优先级的控制模式,以避免错误操作,即现场控制、遥控、自动控制,优 先级依次下降.在软件设计中,我们设计了一些层次模型,如用户界面层,逻辑实现层, 驱动层.每个层次都是内敛的,有自己的特定功能,同时也和其他各层交换信息.所有 的控制逻辑,如联动和互锁,都在PLC中予以实现.PLC和PC之间传递的参数及其传 递方式,都经过精心的设计,以确保在上位机系统故障的时候,PLC能够执行基本的控 制功能. 19"WORLD DREDGING CONGRESS 第十九目世界蘸瀣舍论立童 同刖固0-1软件的层次模型 稳定性 蕞于船舶电源往往不干净,电磁'f:扰复杂,为了提商叫络的稳定性和rⅡ靠性,提高 系统抗干扰的能力,伞船网络使用丁光纤环网作为基础通信时络.针对SCADA和AMS 系统界而丰富、信号最大的特点,奉系统采川了成熟稳定的纽态软件作为开发环境.运用OPC|土术作为通信方式,也町以提高系统通信的性能和稳定性.同时,对一些重要 的信号,如吃水、潮位、GPS信号,采用了,C余通信的手段接入SCADA系统,进一步 提高了系统的町靠性. 开放性 自动控制系统的技术不足成不变的,客』、也许会要求添加一些新功能或与第三方 拧制系统进行通信.如果换个,r发者,对丁开放性不好的系统而育,可能困难重重. 本系统采用OPC技术,可以有效地避免这种尴尬的局而.OPC定义r工业控制过程通 信的标准,诸如传感器、设备、控制器、软件系统、报警系统都遵循这个通信标准,一o!通信数据,如报警和事件.』力史数据.批处理数据的通信也依据OPC标准通信. DTIS 功能 DTIS(Dredging Track Information System)包括两个部分,疏浚规划软件和疏浚在 线监控软件.疏浚规划软件剧r为疏浚过程准备项目文件,如计划线、电子海图等. 疏渡在线监控软件用米从OPC驱动层接收GPS信弓、吃水信号、潮位信号,并且 将这衅信息以可视化的形式在海图上显示:当前的船位,疏渡点的深度,疏泼点的海床 剖面.通常,所有RS232/RS422信号由TCP仃P协议转换器共亨到网络,特殊情况下, 信号可以直接连接到DTIS计算机.DTIS设计成和儿他控制予系统相对独声,从而增加 了系统的复活性和稳定性. 通过改变DTlS系统的参数,DTIS可以将接收的GPS信号从WGS84坐标系转换到 Beijin954坐标系或其他坐标系.DTIS可以读取并处理AutoCAD的DXF格式的文件, 绘制诸如商线、唧、椭圆、弧线、长方形、多段线、多义线以及文本.DTIS同时支持 19"WORLD DREDGING CONGRESD 蕈十九E世界建瀣大舍诗立肇 多种文件格式,包括DIG文件、MTX j匕件、XYZ文件. 技术路线 DTIS处理许多复杂的计算,包括唑标转换、图形绘制、水深文什处理和通信,为 保证系统的性能和处理的速度,我们使用c¨语言来开发DTIS系统. 我们用c++语言开发了OneArea控件,作为DTIS的核心f{f;件,用于计算机罔形显 Ⅺi.OneAn!a是一个轻量级的控什,可以很容易地通过Intemet进彳:J=传输,足利-牲j m的瘦客户端,因此,用户i u在任何I,J以接入Internet的地力通过WEB罹示和操作DTIS. 水深文什(XYZ格式)或其他文件往往包含海量的数据.这啦数据·'川大量的计 算机资源.我们使J1|哈希表来存储平¨处理些L}JIfl】文件和数搬,实践证明,这样·叮以很 大地提高处理大文件的速度. DTlS运用OpenGL技术来显水三维的船舶和海眯剖而,增强了用户体验.这雌_二 维显示足实时更新的,即,如果绞川头的深度更新r,Ⅵ0海床的剖面也会实时更新. 在DTIS中,项目文件采用肇于目录的管州方式,所有DTIS设置文件、海图文件、 水深文件都可以导出为XML格式的文什,这使得项日的迁移变得很容易. SCADA和AMS 功能 依据系统设计的安令性原则.SCADA和AMS软仲不实现任何择制逻辑.SCADA 和AMS仅仅进行一衅高级计算和提供人机界面. 总体上,SCADA显示设备的状态信息,并发送指令到PLC;AMS显不和管理报警 信息.SCADA系统包含有菜单、过程画面、按钮,所有这些都被分类组织起来,用p 根容易找到.例如,用户可以很快在泵系统im】lnJ巾找到泥采转述信息.AMS管理令船 的报管信息,苴中此特定信息通过州络传送给通用报臀系统.AMS具有K域管理功 能,rⅡ以有选择地将小『一的报警发送到小同的区域.同时其n撤警优先级功能,当出耻 大量报警信息时,可以优先显不重要信息,减少川P的削断时间. 短时历史曲线足SCADA系统的~项新颖的功能,j{j r址不可以选择和调竹的一些 关键信息的历史趋势,如密度、绞川深度、绞刀转速、横移速度.通过观察这些曲线, 用户可以比较历史和当前信息,从而改进操作,提高产量. Zo.s3 .、>量S.j.i: 7 0 19t.woRLD DREDGlNG CoNGRE33 簟十九目世界畦漫大舍论文童 图0一l短时历史曲线 技术路线 SCADA和AMS运用所ll!f的组态软件丌发.【Ⅱ以竹约人量的开发时间,使开发人 员专注J.用户需求和疏浚过程的分析理解,而非编}$本身.运刚了成熟的,经广泛运用 和测试的组忐软件.还可以从底层保证了系统的稳定和高效. SCADA和AMS系统有两个服务器和许多客户端,}{有服务器和PLC丰|}|连通并采 集数据,并将来集的数捌处理后发送给客户端.为使系统更加安全稳定,我们对两台服 务器进行了配置,使之能相可热备份,即往仃何时候,当其-{· 台失效叫.另一台能够 正常『作. SCADA系统负责此高级的汁算功能,比如绞刀头的深度,木文给Jl{.种基于钢 丝绳长度的汁笄方法.通过安装存绞午l:的传感器,可以获得绞车放出的钢丝绳K度, 根据绳长羊¨安装位置之间的天系,uT以推算出当前绞刀又的深度. ㈠一} *一=÷吉n=}c^+ —L…一—生_ !!"WORLD OREDGING CONGRESS 奢十九属世界曩菠盎论文量 其中,D足绞刀头的深度. PLC系统 功能 PLC系统秆两个功能,采集传感器信号和实现控制逻辑.传感器将所谓物理状态转 换成电子信号并传输到PLc的粟架模块.PLc的处理器单元将这些信号依据控制逻辑 进行处理.发送控制指令给执行机构. PLC还实现一些高级的控制功能,如自动横移、自动绞川头深度控制、自动泥泵控 制. 技术路线 系统中有许多PLC和PLC从站.PLC之间以及PLC与SCADA/AMS服务器之间 通过以太网根连.所有的PLC从站通过Profibus.DP总线和其所属的PLC处理器相连. 划刿划 覃二二亡 . 里判里划墼J 到到到 到到则 田0-1PLC用培 闪为PLC的故障李远远低于计算机,所自关键的参数都存储在PLC中, 凿应急 的功能也由PLC实现. 结论 本文给出了~种疏浚船舶自动控$4系统的设计,该控制系统在"新海鸥"等轮进{亍了 应用.系统包括四个了系统,DTIS、SCADA、AMS手¨PLC系统.这些系统通过OPC 技术互联.所有的功能和参数都经精心的设计,以保i止系统的安全稳定.系统的设计架 构和技术方法可以运用到其他疏浚船舶的控制系统中. 参考文献 TIAN J.n-kng,GU Mlng,DING Shu-yo.,LIU Rui.xiang.ZHU Xiao.ruing Computer-aided Dredging Monitoring and Decision·making System of Cutter Suction Dredger,PO盯&WATERWAY EN{31NEERING2005(3) Ding Hongl'ai,Ni Fusheng Dynamic behavior and simulation system design of a curer suction dredger,JOURNALOF HOHAI UNIVERSITY(NATURAl,SCIENCES),2002 30(6) Lln Feng,SM Meixlang,Jin Itua.Work Condition Monitoring System for Cutle…Sucti Dredger, PORT&WATERWAYENGINEERING.2000fI 21 蔬一扩绞吸挖泥船自动控制系统实现 作者: 戴文伯 作者单位: 上海达华测绘有限公司软件部 上海浦东大道2501号 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7323155.aspx
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