摘 要：介紹了PLC應用于某艦艇減搖鰭系統數字化改造。建立了以PLC為核心的數字控制系統，在不增加任何輸入信號的情況下，實現原有控制系統的各項功能。此數字控制系統與以數字閥為核心的數字液壓隨動系統結合，簡化了減搖鰭系統結構，提高了系統可靠性。改造后的數字化減搖鰭系統已在某型艦艇上成功投入使用。 關鍵詞：減搖鰭;PLC;數字閥 1 引言 　　減搖鰭裝置是一種最常用的主動式橫搖減搖裝置，一般分為固定式和收放式兩種。固定式減搖鰭的鰭從兩弦伸出船體，安裝于水線下的一定深度處，如圖1所示。減搖鰭減搖效果取決的因素很多，其中控制系統的性能優劣是其關鍵因素之一。 　　可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是將計算機技術、通信技術和自動控制技術結合在一起的自動控制設備，具有可靠性高、體積小、功耗低、抗干擾能力強等諸多優點。PLC在減搖鰭控制系統中應用，可保證其在溫度和濕度都較高、空間較小、工作環境惡劣的機艙里穩定、可靠、長時間連續地工作。 2 減搖鰭裝置工作原理 　　減搖鰭裝置作為一個自動控制裝置，它可以分成三部分：鰭機械組合體，驅動鰭的隨動系統和控制系統部分。當艦船在風浪中航行產生橫搖時，控制系統通過角速度陀螺儀采得艦船橫搖的信息，通過一系列的運算處理后得到鰭角控制信號，經放大后送到電液隨動系統，電液隨動系統根據鰭角控制信號驅動鰭按指定動作運行。船體兩邊的鰭在液壓驅動力和水動力的共同作用下，產生穩定力矩來平衡波浪對艦船產生的擾動力矩，以達到減搖的目的。該穩定力矩和波浪的擾動力矩大小盡量相同，方向卻正好相反，稱之為平衡力矩。減搖鰭裝置工作原理框圖如圖2所示。 3 減搖鰭控制系統結構和程序設計 　　3.1 減搖鰭控制系統結構 　　以某型艦艇上減搖鰭系統為例，改造前其控制系統是采用多塊模擬電路板來實現對艦船橫搖信息和其他輔助信息的采集、運算和處理，然后再將得到的鰭角控制信號經放大后送給電液隨動系統，這樣的控制系統不僅十分復雜，而且體積大、可靠性不高。隨著計算機技術的飛速發展，在繼電器控制和計算機控制基礎上開發的工業控制裝置PLC可以很好地解決這些問題。在對減搖鰭控制系統進行數字化改造中，我們選用的是松下FP∑型PLC，具體型號是FPG-C32T，這型PLC主機的輸入輸出點分別為16點，程序容量為12000步，運算速度是0.4μs/步，工作環境溫度可達55℃，而且擁有4路高速輸入輸出通道和易于實現多PLC間的高速通信等優點。另外，所選用的A/D模塊也是與之配套的松下FPG-P11，FPG-P11和FPG-C32T之間有專用軟硬的接口，安裝和使用都十分方便。 　　在改造后的減搖鰭控制系統中，以PLC為核心的一套輸入輸出系統，可以完全取代原系統中的控制器部分，其功能結構圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 PLC功能結構圖[/align] 　　PLC通過專用的A/D模塊得到陀螺儀輸出的橫搖信號和艦船計程儀輸出的航速信號，經過PID控制算法運算處理后，得到鰭角控制信號，經放大后送到電液隨動系統。與此同時，PLC還要不斷采集系統起停開關信號、兩鰭當前位置信息和油源機組的各種信息，包括油溫、油位、電磁閥和濾油器工作狀態以及其他故障信息等。PLC可以根據這些信息，通過軟件控制實現在系統工作異常情況下自動報警、自動歸零停機或直接停機等應急措施。 　　考慮到艦艇機艙工作空間小、工作環境惡劣，現場調試十分困難，我們在改造后的控制系統中裝有可方便實現輸入輸出的觸摸屏，其型號為松下GT01。這型觸摸屏可以直接與PLC連接，很容易和PLC進行高速通信，讀取或改寫PLC相應寄存器中的數據，不僅可以很方便地在線修改各種調試參數，以數字的形式顯示減搖鰭的實時鰭角，而且還可以實現減搖鰭單邊單步、雙邊單步和雙邊多步運行，這十分有利于現場調試和系統的后期維護，使得整個減搖鰭控制系統變得更加靈活。 　　另外，根據平衡力矩產生的原理，為了使減搖鰭在各種航速下（大于15節）都能穩定運行，就必須使減搖鰭鰭角能隨航速的增加而減小，以使減搖鰭產生的最大平衡力矩不變，這種作用稱為航速靈敏度調節。原有系統采用模擬電路實現航速靈敏度調節，改造后的控制系統中PLC直接根據PID運算結果和當前航速進行計算，運算結果快速、精確。 　　隨著數字液壓技術的日益成熟，它在實際工程上的應用也越來越廣。我們針對減搖鰭的數字化改造，不僅僅局限于減搖鰭控制系統，而且對減搖鰭原有的電液隨動系統進行了數字化改造。我們采用數字閥取代原有的伺服閥，信號從控制系統到液壓隨動系統不再需要進行D/A變換，PLC輸出的脈沖信號可以直接作為數字液壓系統的驅動信號。這樣，減搖鰭的液壓隨動系統和數字控制系統有機地結合起來，使得整個控制系變得更加簡單、可靠，控制更加精確、靈活，并且方便維修與保養。整個系統結構圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 減搖鰭系統結構圖[/align] 　　改造后的系統還可以通過編碼器直接向PLC反饋鰭角信號，PLC根據給定的驅動脈沖信號和鰭角反饋脈沖信號的比較，可以判斷出鰭是否運行正常。如果出現鰭角超調或者其它原因引起的鰭運行速度異常等情況，控制系統可以作出迅速反應，采取相應的應急措施使系統恢復正常或報警停機。 　　3.2 程序設計 　　通常PLC不采用計算機的編程語言，而采用梯形圖語言或助記符語言。梯形圖與繼電器線路圖在形式上很相似，簡單直觀，且PLC程序執行也是從上而下循環掃描，所以梯形圖語言是應用較多的一種編程語言。 　　經數字化改造后，減搖鰭系統的控制程序主要是循環查詢各輸入信號的狀態，根據輸入的數據、各開關量的狀態及其邏輯關系執行相關操作。在減搖鰭系統中，系統進入正常減搖工作狀態后，PLC每一次循環都需要采集陀螺儀和計程儀的最新輸出，掃描啟動/停止，手動/自動、工作/歸零、航速檔自動/手動、油溫/油位、濾油器和電磁閥等開關量的狀態，從高速輸入通道接受編碼器脈沖并立即更新寄存器數據，然后根據各種輸入數據和各開關量的不同狀態進行邏輯判斷和運算處理，通過輸出觸點輸出控制開關量，通過高速輸出通道輸出控制脈沖。程序流程圖如圖5所示。 [align=center] 圖5 程序流程圖[/align] 　　為了保證艦艇航行的安全和保護減搖鰭自身的軟硬件系統，減搖鰭的兩套機械組合體分別安裝有限位觸點，觸點觸發后液壓系統可自動卸壓，以保護減搖鰭機械本體。除此之外，改造后的減搖鰭系統在軟件上也對其設有保護。PLC根據每次計算出來的鰭角控制信號設置軟限位位置，如果鰭反饋位置超出，軟限位立即觸發。減搖鰭一旦遇到故障，特別是軟限位觸發后，系統將會立即進入歸零子程序，迅速使兩鰭停止運行并反向運動至零點，以免損傷減搖鰭機械本體。當確認兩邊的鰭都已經回到零點，系統自動啟動減搖程序，盡量減小軟限位觸發對系統正常工作的影響。另外，由于艦艇機艙內對減搖鰭控制系統的干擾信號較多，控制程序中特地加入故障信號延時，盡量避免虛假故障對系統造成不必要的工作中斷，以提高系統減搖效果，增強系統可靠性。 4 結束語 　　這套經數字化改造后的減搖鰭系統已在某型艦艇上安裝，經調試達到了預期減搖果，現已投入使用。實踐證明，PLC作為數字化改造后減搖鰭控制系統的核心，擔負信號采集、邏輯判斷、運算處理和控制輸出等一系列的任務，使原有的控制系統得到很大的簡化。特別是將數字控制系統與以數字閥為核心的數字液壓隨動系統結合起來使用后，不僅使整個系統結構得到簡化，控制更加精確，而且大大提高了系統的可靠性和靈活性。 參考文獻： 　　[1]金鴻章，李國斌.船舶特種裝置控制系統[M].北京：國防工業出版社，1995 　　[2]汪曉光，孫曉英.可編程序控制器原理及應用（第2版）.北京：機械工業出版社，2001 　　[3][日]松下電工株式會社編.FP-FP∑編程手冊，2002