摘要：文中采用FX2N 系列可编程逻辑控制器构建了船舶机舱监测报警系统，提出了一种开关量输入输出接口，模拟量输入接口灵活扩展的方法，并设计了扩展接口电路。在此基础上，开发了系统数据采集和处理软件，在VB6.0 的环境下，设计了监控界面。该系统已实际应用于船舶机舱的监测与报警。
关键词：数据采集；集中控制；监测报警；扩展接口电路；PLC
0 引言
船舶机舱监测报警系统是船舶自动化的重要组成部分[1]，随着计算机技术，特别是近半个世纪以来微型计算机技术的飞速发展，使得微型计算机在船舶机舱自动化方面的应用越来越广泛[2-3]。在自动化机舱中，设备的运行状态、运行参数及故障报警状态都能通过监测报警系统集中在集控室中，以便轮机员正确处理。
基于PLC 的船舶机舱监测报警系统具有组成简单、组态灵活、价格低廉、开发周期短等优越性[4]。利用PLC 接口可以灵活扩展的特点[5]，针对不同类型或规模的机舱报警系统可实现系统的冗余度最低。船舱机舱综合监测报警系统必须具有对主机、辅机及其他动力装置的各种运行参数，包括温度、压力、液位、流量、转速等进行数据采集，实时监测，报警等综合性功能。这些被监测量不仅数量庞大，而且控制要求又不尽相同。基于PLC 的机舱监测报警系统可较好地处理这些运行参数。
船舶机舱报警信息主要为开关量和模拟量[6-7]。本系统采用FX2N系列可编程控制器，开发了开关量输入输出接口扩展电路板和模拟量输入接口扩展电路板，并且提出了数据采集和处理技术的实时处理方法。
1 船舶机舱监测报警系统构建
系统由PLC、上位机、开关量输入输出接口扩展电路、模拟量输入接口扩展电路、模拟量输出接口电路、传感器、打印机、灯板、仪表显示设备及声光报警设备等组成。其中，PLC 采用FX2N 系列基本功能模块FX2N-48MT，模拟量输入模块采用FX2N-4AD， 模拟量输出模块采用FX2N-4DA，PLC 与上位机的通讯是通过RS232 技术和串口通讯特殊功能模块FX2N-232-BD 实现的，延伸报警系统采用TCP/IP 技术连接到上位机。图1 为船舶机舱监测报警系统构成框图。
图1 船舶机舱监测报警系统构成框图
开关量输入输出接口扩展和模拟量输入接口扩展方法主要是用来满足不同规模的船舶机舱报警系统报警信息容量，由于FX2N 系列PLC 小型机能力有限，不能满足这个要求，经过对其接口进行扩展的方法，可以满足不同型号船舶机舱监测报警系统的需要。
2 系统数据采集方法
PLC 的数据采集信号主要由模拟量信号，开关量信号组成。下面主要从模拟量数据采集和开关量数据采集的硬件组成讨论其工作原理。
2.1 系统开关量输入接口的扩展
系统开关量输入采用矩阵输入法。电路由4块接口板组成，每块接口板都有16路输入采集信号和1路选通信号。系统开关量输入接口扩展原理图如图2所示。
图2 系统开关量输入接口扩展原理图
输入信号通过FX2N-48MT 中X10～X27的16 个输入接口实现，数据选通信号通过Y4～Y7的4 个输出接口实现。当选通信号Y4被选通时,接口板1 的16 路数据采集信号传输给PLC；当Y5～Y7任意一个被选通时，对应接口板的16路数据采集信号传输给PLC。由此，实现了64 点开关量输入接口的扩展。
2.2 系统模拟量输入接口的扩展
系统模拟量输入采用分时同步采集法。模拟量信号对于PLC主要使用的是电流、电压信号。本系统采用抗干扰能力较强的4～20 mA电流信号作为模拟量输入信号，并使用FX2N系列PLC的模拟量输入模块FX2N-4AD采集模拟量信号。分别对CH1～CH4输入通道进行扩展，每个扩展板都有8路模拟量输入信号和3路数据选通信号。从而实现4×8=32点的模拟量输入接口的扩展。系统模拟量输人接口扩展原理图如图3所示。
图3 系统模拟量输人接口扩展原理图
下面我们通过模拟量输入接口扩展电路图具体说明其工作原理，如图4所示。
图4 系统模拟量输人接口扩展电路图
扩展电路采用74151八选一数据选择器芯片，模拟量采集输入电流为标准4～20 mA电流信号。电阻R1=250 Ω，C1为隔离电容，根据欧姆定律4～20 mA电流信号转换成1～5 V的电压信号。D0～D7分别代表8个从现场采集的模拟量输入通道。
当Y0～Y2=000时，74151数据选择器的D0模拟量输入通道被选通，将采集的数据读入FX2N-4AD的CH1通道的缓冲存储器BFM#5中；当Y0～Y2=001时，D6被选通，将采集的数据读入到CH3通道的缓冲存储器BFM#7中，其他通道工作方式以此类推。这样，就实现了1个模拟量数据采集通道，扩展为8个模拟量数据采集通道的方法。
2.3 系统报警灯板开关量输出接口的扩展方法
系统报警灯板开关量输出接口扩展,采用12片DM74ALS273N八D触发器芯片，采用FX2N-48MT中Y10～Y17(8路数据输出信号)，Y20～Y33(12路数据选通信号)的20个输出接口实现了12×8=96点开关量输出接口的扩展。当Y20～Y33中的任意一个被选通时，Y10～Y17的8路开关量输出数据到灯板显示。
3 数据采集和处理的软件实现
3.1 系统开关量数据采集
系统开关量数据采集，利用信号扫描原理，设计了一种基于组扫描输入的采集方法，在每个扫描周期，只有一组开关量信号依次送入PLC的输入端，并通过控制扫描周期来改变输出接口Y4～Y7的状态，从而选择不同组的开关量信号送入PLC的输入端，在下次扫描数据来临前，将上一次扫描进来的开关量信号状态转移到相应的辅助继电器K4M10V1中保存，数据进行实时采集，达到开关量数据采集的扩展。其中V0、V1是变址寄存器，用来修改操作对象的元件号，K4M10V1是首地址以M10开头的一组辅助继电器。图5为开关量数据采集流程图。
程序开始时，数据初始化，n=0。把n的状态传输给变址寄存器V0,变址寄存器V1=n×20。当n=0时，Y4被选通，读入接口板1的16路数据，并存到M10～M25中，程序循环执行，当n>3时，程序返回。
图5 开关量数据采集流程图
3.2 系统模拟量数据采集流程
模拟量数据采集采用循环扫描的方法，通过控制扫描周期来改变输出接口Y0～Y2的状态，并对数据进行实时采集，达到模拟量数据采集的扩展。采用74151的D0～D7输入口作为数据采集口。首先对FX2N-4AD进行设置，校对BFM#30中的识别码K2010，判断其是否为FX2N-4AD模块，其次初始化通道m=0，并设置通道工作方式为H0000，将其写入FX2N-4AD的BFM#0，建立模拟量输入通道CH1、CH2、CH3、CH4，预设范围是(-10～+10 V)。模拟量数据采集流程图如图6所示。
图6 模拟量数据采集流程图
设置变量m，并把m的值存入Z0中同时把m赋给K1Y0，m×4的值存入Z1中。Z0、Z1为变址寄存器，用来修改操作对象数据寄存器(D0、D1、D2、D3)和选通数据(Y0～Y2)的编号。当Y0～Y2=000时，74151数据选择器的D0端被选通，进入数据采集部分，对应与扩展电路1～4的8路模拟量输入信号的D0端均被选通，并存入BFM#5～BFM#8中，PLC主单元读入BFM#5～BFM#8的数据并保存在相应的数据寄存器D0、D1、D2，D3中，程序反复执行，当m>7时，返回。
4 监控界面的设计
本系统在VB6.0的环境下设计机舱监测报警系统的人机界面，实现PLC与上位机的串口通信[8-9]，通过对各个参数的设置，使各个参数可以直接在操作界面上进行修改，无需改变参数的原始设置，这将大大提高工作效率，使操作更为简单方便。
船舶机舱监测报警系统主机(温度)界面如图7所示。
图7 船舶机舱监测报警系统主机(温度)界面
主机(温度)界面将各个监测点进行分类，主要是以列表的形式来表现。在上面所示的图中包含了温度模拟量的监测点。每个监测点都会有单独的一个报警灯，正常时为绿色的，报警时则为红色，每一栏还会显示当前的监测值，模拟量的监测点还会有上限值和下限值的显示。在操作界面的右边有按钮，包括温度显示、返回、应答、报警记录、试灯等，可以实现在各个页面之间的切换。这样的布局使界面简洁明了，使操作员能更快更方便地找到产生报警的监测点。
5 结论
本文通过对船舶机舱监测报警系统的研究，根据船舶机舱自动化规范中有关机舱监测报警系统的要求，设计了基于FX2N系列PLC的船舶机舱监测报警系统，构建了系统，开发了开关量输入输出接口和模拟量输入接口扩展电路，对数据采集和处理的软件进行了设计，最后在VB6.0的环境下设计了监控界面并实现了与上位机的串口通信。本文设计的基于PLC开关量,模拟量输入接口扩展和数据采集方法，能有效解决工业现场中存在的大量开关量，模拟量信号输入问题，该方法可以减少PLC的输入点数，降低控制系统设计成本，系统结构稳定，扩展性、灵活性好，具有一定的使用价值和推广意义。本系统的设计思想还可以成功应用到其他工业控制领域,如船舶电力推进，船舶电站等。
