基于PLC技术的舰船机电设备控制系统_刘海生.pdf

基于基于 PLC 技术的舰船机电设备控制系统技术的舰船机电设备控制系统刘海生1,2，王天杰1,2(1.河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北 唐山 063000；2.唐山学院 机电工程学院，河北 唐山 063000)摘 要:提升舰船机电设备的控制响应效率，降低控制偏差，设计基于 PLC 技术的舰船机电设备控制系统。该系统依据数据采集模块获取舰船机电设备运行数据，由通信模块的 CAN 现场总线和有线通信协议，向控制模块中传送采集的相关数据；控制模块接收并存储传输的数据，以 PLC 可编程控制器为核心，结合动态矩阵控制方法，完成舰船机电设备的一体化控制，控制指令通过 PLC 输出端子进行发送，各个机电设备则依据控制指令进行控制，并且将控制结果通过人机交互界面进行展示。测试结果显示，该系统的控制指令执行时间均低于 0.8s/条，控制结果的偏离程度均在 0.052 以下，能够精准完成舰船航行速度的控制。关键词：PLC 技术；舰船机电设备；控制系统；有线通信协议；一体化控制；动态矩阵控制中图分类号：TH39 文献标识码：A文章编号：1672 7649(2023)12 0099 04 doi：10.3404/j.issn.1672 7619.2023.12.018Design of ship electromechanical equipment control system based on PLC technologyLIU Hai-sheng1,2,WANG Tian-jie1,2(1.Key Lab of Intelligent Equipment Digital Design and Process Simulation,Tangshan 063000,China;2.Tangshan University Mechanical and Electrical Engineering College,Tangshan 063000,China)Abstract:To improve the control response efficiency of ship electromechanical equipment,reduce the control devi-ation,design the ship electromechanical equipment control system based on PLC technology.After the system obtains theoperation data of the ship electromechanical equipment according to the data acquisition module,it transmits the collecteddata to the control module through the CAN field bus and wired communication protocol of the communication module.After receiving and storing the transmitted data,the control module takes PLC programmable controller as the core and com-bines dynamic matrix control method to complete the integrated control of the ship electromechanical equipment.The con-trol instructions are sent through the PLC output terminal,and each electromechanical equipment is controlled according tothe control instructions,and the control results are displayed through the human-computer interaction interface.The test res-ults show that the control command execution time of the system is lower than 0.8s/piece,and the deviation degree of thecontrol results is lower than 0.052,which can accurately control the sailing speed of the ship.Key words:PLC technology；ship electromechanical equipment；control system；wired communication protocol；integrated control；dynamic matrix control 0 引言由于机电设备种类以及机电设备数量较多，各个种类设备的控制方法也存在明显差异1。与此同时，海上环境复杂多变，存在诸多的突发情况和干扰因素，因此，导致舰船机电设备控制效果较差2。控制过程中，会发生一定的协调控制误差、驱动系统的执行效率较差，并且远程控制的时效性不理想等情况。因此，在进行机电设备控制时，如何保证机电设备的控制效果和响应效率3，则是舰船机电设备控制过程中的重要内容。为实现机电设备的有效控制，文献 4以设备的协同分群控制为目标，提出基于蚁群算法的相关控制方法，该方法通过寻优求解获取全局最优解，得出最佳控制结果。但是该方法在控制过程中，舰船在发生明显阶跃的情况下，控制结果的偏差较大。文献 5 以实现机电设备的稳定控制为目标，设计观测器摩擦补偿控制器，依据该控制器观测机电系统内的不确定因素，设计相关的控制律，完成机电系统第 45 卷 第 12 期舰 船 科 学 技 术Vol.45,No.122023 年 6 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYJun.,2023 收稿日期:2023 01 16作者简介:刘海生(1971 )，男，硕士，副教授，研究方向为机电系统动力学行为及失效分析、计算机仿真。高精度控制。但是该方法在应用过程中，对于控制指令的响应时间存在延时情况，降低设备的执行效率。PLC 技术也称为可编程逻辑控制器，其属于一种数字运算的电子系统，该控制器内部设有微处理器以及可编程存储器，能够依据应用需求存储相关逻辑运算以及控制等指令6，并可通过数字模拟输入或者输出的方式，实现机电设备的控制。因此，本文为实现机电设备的一体化控制，设计基于 PLC 技术的舰船机电设备控制系统。1 舰船机电设备控制系统 1.1 系统总体架构本文设计基于 PLC 技术的舰船机电设备控制系统实现舰船机电设备的一体化控制，以此保证机电设备的协调控制效果，降低各个设备的控制响应误差。该系统属于闭环体系，该系统整体分为 3 个模块，分别是数据采集模块、通信模块以及控制模块，采集模块是利用多源传感器采集舰船机电设备的运行状态数据，并通过通信模块将采集的数据传送至控制模块中，控制模块利用 PLC 控制器实现机电设备的协调控制，该系统的整体架构如图 1 所示。图 1 基于 PLC 技术的舰船机电设备控制系统架构Fig.1 Architecture of ship electromechanical equipment controlsystem based on PLC technology 1)数据采集模块该模块的主要作用是利用多源传感器获取舰船机电设备运行信息，包含驱动输出信息、设备运行状态、按键信号、开关信息以及阶跃响应数据等；并且该模块中设有暂存数据库，以此保证数据采集的完整性。2)通信模块该模块主要包含 CAN 现场总线、有线通信协议、CAN 通信板卡、综合处理单元等多个部分组成。以此，保证不同状态下的信息传输需求，确保信息传输的实时性，以此提升舰船机电设备的控制的实时性。3)控制模块该模块主要由 PLC 可编程控制器、通信端口、人机界面等部分组成，通过 PLC 可编程控制器实现舰船机电设备的一体化协调控制，控制指令则通过 PLC 输出端子进行发送，各个机电设备则依据控制指令进行控制，并且将控制结果通过人机交互界面进行展示。其中人机界面和 PLC 可编程控制器之间的连接通过PLC 端口完成。1.2 通信模块结构设计系统进行舰船机电设备控制过程中，信息混合控制指令的传输均需依据通信模块完成，因此，通信模块的通信效果，对于舰船机电设备的控制效果存在一定影响。为保证较好的通信效果，以现场总线技术为核心，设计通信模块，其结构如图 2 所示。现场总线技术具有较好的自我修复能力、均衡能力，能够在链路发生异常或者损坏的情况下，进行自我修复，并自主选择最佳的数据传输链路，同时可在极短时间内完成传感器采集数据的备份和传输，保证数据的传出效率。舰船航行过程中，机电设备产生的数据量较大，因此，在设计通信模块过程中，为满足设备的控制需求以及信息交互各个载体的差异，主要设计有线和无线 2 种通信类型；并且现场总线在设计过程中，为保证不同传感器采集信息的传输效果，设计不同的通信协议机制，以此满足舰船机电设备运行信息的传输和交互需求。除此之外，保证控制指令传输的实时性可可靠性。图 2 通信模块结构Fig.2 Communication module structure 1.3 控制模块结构设计 1.3.1 控制模块结构PLC 可编程控制器能够保证各项数据的可靠性和实时性，具有好的动态分析和控制效果。同时，能够高效完成舰船机电设备海量数据的运算。可结合实际控制需求，在控制器内部署不同设备的控制律以控制方法，实现不同机电设备的控制。因此，本文为实现舰船机电设备的一体化协调控制，控制模块以 PLC 可编程控制器为核心，完成舰船机电设备控制，控制模块结构如图 3 所示。控制模块是以 PLC 可编程控制器为核心，其包含微处理器、数字和模拟单位、通信接口、控制指令集、输入输出单元等多个部分组成，以此保证舰船机电设备控制效果。1.3.2 基于动态矩阵的机电设备控制方法控制模块为实现舰船机电设备的一体化控制效 100 舰 船 科 学 技 术第 45 卷ai=a(iT)Ti=1,2,.,n(a1,a2,.,aN)N(a1,a2,.,aN)NM?y0果，在 PLC 可编程控制器的微处理器内部署动态矩阵控制方法，该方法具有较好的阶跃控制效果。在进行机电设备控制前，需依据采集的机电设备单位阶跃响应数据为基础，对其阶跃状态进行预测。如果采集的舰船机电设备阶跃采样值用表示，其中，表示采样周期，表示机电设备。当机电设备的运行状态不断稳定时，其阶跃响应结果则会在数个采样周期后逐渐稳定；依据采集的机电设备阶跃响应数据构建有限集合，表示采样周期数量，将定义为动态矩阵控制方法的模型参数，为该方法的时域。舰船机电设备在运行过程中，运行参数之间会存在一定比例的叠加，因此通过预测后可获取机电设备一体化输出结果的预测；如果机电设备一体化控制增量数量用表示，初始预测值用表示，则机电设备在未来时刻的输出结果计算公式为：?yM(t+i|t)=?y0(t+i|t)+min(M,i)j=1ai j+1(t+j1)。(1)tt+i|tt+it(.)式中：为时刻；为第个设备在 时刻下的预测值；为控制形式。为提升舰船机电设备的一体化控制效果，本文对机电设备一体化运行输出预测模型进行优化，其公式为：minJ(t)=rp(t)?yPM(t)2Q+M(t)2R，(2)|Q=diag(q1,q2,.,qp)，R=diag(r1,r2,.,rp)。(3)rp(t)pQR式中：为机电设备一体化运行的期望输出结果；为未来时刻；为误差权矩阵；为控制权矩阵。M依据式(2)计算控制增量数量为时，