基于CP340通讯模块的船舶机舱监控系统设计与应用

分类：技术教程日期：2009-06-03 17:08:26 来源：西门子(中国)自动化与驱动集团

摘要： 本文描述了基于西门子通讯模块CP-340的PLC与MAN B&M柴油主机通讯的船舶自动监控系统设计与应用。通过西门子可编程控制器S7-300及CP-340通讯模块，并基于RS-422现场总线协议对船舶柴油机的滑油压、油温、淡水压力、燃气温度等模拟量和水位、油舱高位等开关报警量进行监控，并显示在机舱控制台的各仪表和显示器上，实现了船舶机舱的自动监控。经在大中型船舶机舱中的实际应用表明，该监控系统功能完善、性能优良、可靠性高，完全能够满足船舶航行的要求标准。

关键词： 船舶柴油机;PLC（S7-300）; 通讯模块（CP-340）;现场总线（RS-422）

引言

　　随着自动化技术的不断发展，并在各行业中获得广泛的应用，造船业的自动化集成度也有了很大的提高。其中船舶动力设备的自动控制是最常见的、最基本的，也是最需要的。为了保证船舶动力设备安全可靠的运行，以及减少人为因素的错误判断和人力的极大浪费，设计了基于CP-340通讯模块的船舶机舱监控系统，并将该系统应用于实际船舶项目中。通过该系统对船舶动力设备参数的实时检测，可以实时显示设备各重要的运行参数和状态。当检测到设备的运行状态出现故障时，系统就会自动报警并记录故障;同时调节设备的运行参数，使其回到正常轨道上来，实现对远程设备的控制。

　　可编程逻辑控制器（PLC）以其运行可靠、集成度高、可操作性强而在工业控制中得到广泛应用，而且各个PLC生产厂家提供了多种通讯模块，如工业以太网Ethernet模块，点到点串行通讯CP模块等。因此可以利用PLC的通讯模块实现可编程控制器与船舶柴油机系统的实时数据存储区通讯，读取数据存储区的设备运行参数，并通过现场总线形式将读取的数据传送到PLC的存储器中，按照通讯格式进行数据处理和显示。在设计中采用了Siemens公司的点到点串行通讯模块CP-340，通过RS-422网络协议读取数据，并在机舱监控台上进行实时显示、报警、控制等操作。

1 系统结构及特点

　　● 西门子可编程序控制器S7-300;

　　● CP-340点到点串行通讯模块;

　　● 西门子PLC信号模块（SM）;

　　● 机舱监控台显示面板;

　　● 延伸报警模块;

　　● 打印输出设备;

图1 机舱监控台内PLC控制系统示意图

　　图1 所示是机舱监控台内PLC控制系统示意图。根据实际需求，船舶主机及柴油发电机组采用的是丹麦MAN B&W公司的Diesel A/S系列产品。与传统的柴油机数据采集方式相比，该系列柴油机将设备的参数都实时的存放于柴油机系统控制柜的4个数据存储区中，通过通讯接口，PLC、PC机等外围设备可以从中实时的读取设备运行参数，掌握设备的运行情况。另外，MAN B&W柴油机系统还自带安全保护控制柜，用于保护柴油主机的安全运行。这里将西门子S7-300作为上位机，CP-340作为串行通讯模块，柴油机系统为下位机。

　　该系统的核心是装于机舱监控台内部的西门子S7-300 PLC及CP-340通讯模块。通过总线的方式将运行和报警信息在机舱监控台面板及延伸报警板上实时显示出来。

　　MAN B&M 柴油机系统控制柜的通讯接口支持多种传输协议，如RS-232、RS-422和RS-485方式。由于柴油机系统的大多参数都是通过其中的一个或几个接口与一台或几台外围设备通讯，这就大大方便了硬件连接。RS-422总线和RS-485电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。RS-232是单端输入输出，全双工工作时至少需要数字地线、发送线和接收线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完成同步等功能。RS-422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而RS-485只能半双工工作，收发不能同时进行，但它只需要一对双绞线。RS-422和RS-485在19kpbs下能传输1200米。在本系统中，采用的是RS-422总线方式。

2 系统硬件

　　S7-300是模块化小型PLC系统，具有软件丰富、可靠性高、网络通讯能力强、CPU处理速度快、集成功能强等特点，能满足中等性能要求的应用。由于SIMATIC S7-300可编程控制器是模块化结构设计，各种模块之间可以方便的进行扩展。

　　CP-340通讯处理器是Siemens公司提供的点到点连接的串行通讯模块，其通过背板总线与PLC的CPU相连。它可以在SIMATIC S7-300和ET200M中使用，该通讯模块提供了三种不同形式的传输接口： a、RS-232C（V.24） b、20mA（TTY） c、RS-422/RS-485（X.27）。

　　该模块可以实现ASCII码、3964（R）和打印机驱动三种通讯协议，通过集成在STEP 7中的参数化工具可进行简单的参数化，对其设置主要包括通讯方式（波特率、数据位数、停止位数和奇偶校验）、接收帧结束方式、接口方式（485 Or 422）等。

　　整个机舱监控系统共有84个设备参数，其中71个开关量，13个模拟量。

　　废气锅炉综合故障、应急配电板DC24V失电、1号左燃油舱高位等40个开关量均直接接入PLC的数字量输入模块，通过传感器将信号实时的读入PLC的输入映像区。泵舱高位、进涡轮增压器前排气温度高、主机应急控制电源故障等31个开关量通过CP-340通讯模块采集数据。所有模拟量如燃油进机压力、滑油进主轴承压力、汽缸冷却高温淡水出口温度等也由CP-340通讯模块完成数据采集的。所有通过CP-340读取的源数据均从柴油机数据存储区中取得。

　　各重要参数在该种总线柴油机中都具备相应的数据存储区，只是存放地址以及在通讯数据中的LRC校验码有所不同，因此，利用CP-340模块，可以从数据存储区实时读取各重要设备参数，进行显示控制。

3 软件设计

　　SIMATIC S7采用STEP7软件，S7-300 PLC采用了模块化的编程思想。STEP7标准版配置了3种基本的编程语言：语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）。

　　硬件组态（Configuring）是软件设计的基础，也是最重要的一步。根据系统的输入、输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定系统的硬件配置。这一步在STEP7软件的SIMATIC Manager（管理器）的HW Config（硬件组态）窗口中，通过选择窗口右边的硬件目录窗口中的模块，并拖放到与实际模块相同的槽位中建立的，生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，所有模块的参数都是由编程软件来设置的，完全取消了过去用来设置参数的硬件DIP开关。硬件组态确定了PLC输入/输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础。硬件组态包括：系统组态、CPU的参数设置和模块的参数设置。

　　丹麦MAN B&W公司的Diesel A/S系列柴油机控制柜的通讯接口采用的是标准的MODBUS ASCII协议，作为下位机（Slave）通信。它的通信电路接口标准是5线制RS-422接口（Rx+、Rx-、Tx+、Tx-、GND）。MODBUS ASCII协议读取命令的所有数据字节都在协议转换时转换为2位十六进制的ASCII格式，或一个字转化为4位ASCII字符。数据通讯消息帧有如下格式：

　　[:][SLAVE][FCT][DATA][CHECKSUM][CR][LF];

　　包括1位开始位，2位从机地址位、2位功能码、2n位数据位、2位LRC校验位、1位数据停止位以及1位结束符。但在PLC发送请求和接收数据时的[DATA]位有所不同，发送请求的数据头包含要读取的数据存储地址，而接收到的数据头包含的是接收的数据位数。

　　当柴油机接收到来自PLC的发送请求命令时，先根据数据的起始地址计算出LRC校验码，然后再与接收到的LRC校验码相比较，如果一致，则向PLC发送数据，否则不作响应。

　　对于西门子S7-300与MAN B&M柴油机通讯，对CP-340通讯模块参数设置如下：

　　a、接收帧结束方式;

　　b、通讯方式：9600 baud，8 data bits，1 stop bit，no parity;

　　c、接口方式：RS-422，其余的设置为默认方式。

　　CP340有4个专用功能块：发送功能块FB3，接收功能块FB2，读RS-232C接口信号状态功能块FC5和接口信号状态设置功能块FC6。本系统中主要采用FB2和FB3接收、发送功能块。

　　首先要对CP-340起始地址，发送数据的背景数据块号、开始发送的字节号、字节长度、出错处理等属性进行设置，然后在主程序中循环中断调用这些命令，实现模块化的通讯目的。其中，我们可以通过对 DONE，ERROR，STATUS等属性的设置，来监控数据交换的状态。最后，从数据存储区（DB块）中取出接收到的设备运行参数数据，进行字节处理后，通过PLC的模拟量、数字量输出模块（SM）将实时数据显示到机舱监控台上来。图2（a）（b）就是CP-340发送与接收数据的简单例子（本系统的程序设计采用功能块图（FBD）语言实现）。因此只需要一个发送数据DB块。对于不同的参数，只需要变换相应的地址和校验码即可。而接收数据的DB块，只需要定义成BYTE类型的数组，并且长度不小于39字节就可以了，对于每次从柴油机中读取的数据则放入到不同的DB块中。