基于PLC的记录船舶轨迹航标的机电一体化设计

徐兰英，庞 李，冯思晨

（广东技术师范大学 机电学院，广东 广州 510405）

近年来，海上失事的船只数量逐渐增多，例如风浪的作用使得船舶会进行不规则运动，这种运动是对船舶航行造成影响、导致船舶出现安全问题的主要因素，随着我国海上航运规模的不断扩大，有关航道的管理和安全问题逐渐显现出来。针对这些问题，研究人员提出了多个解决措施，例如：使用多功能航标灯，使用智能数字航道图替代传统航道图，利用AIS 动态数据分析航道安全性，采用视频监控技术对航道进行安全监控，以及利用无人机进行航道巡逻等，航道的安全性及便利性在这些措施的实施下都有所提升，但由于使用的技术和所展现的功能均比较单一，尚未形成一个整体，也就不能实现对航道的全面监控，更不能实现同智能交通系统或智慧城市系统的对接。文献［1］的方案虽形成了系统，功能也较强大，但还是不够成熟。选择PLC 控制方案，人们能够实现远程监控的自动化，通过与计算机控制系统的结合，它可以操作PLC 的串行通信和计算机的远距离通讯功能，通过记录型航标灯的定位装置来确定该海域的位置，通过图像识别来识别船只所经过的区域，至于船只未记录成功的区域则称为可疑的失事海域，可大大减少搜索范围加快救援速度，以保障人们的生命财产安全。

1 智能航道与相关技术的发展

随着航道信息化建设的快速发展，以长江为例的“智能航道”建设已经从数字化向智能化转变。其中涉及船舶、港口、航道保障系统等多个因素，通过集成和深度挖掘，融合传感器、人工智能、自动控制等技术可以自动获取航道的相关要素信息，以实现航道规划建设的科学化和维修管理的现代化。

多种传感器信息融合技术的实现如图1 所示。对多传感器发送的信息进行分步处理是信息融合技术的主要工作模式，它实现了对信息的抽象和综合分析，从而提高了决策的准确性［2］。对重叠或同类数据应集中整理，不必要的数据应按一定规则排除。该系统根据距离、波浪和水深等传感器的特性，获取综合特征向量，从而推断航道的通过条件。

图1 多种传感器信息融合图

2 系统工作原理与构成

主机控制系统是实现主机航标灯远程控制的关键，现代制造技术要求主机控制系统具有良好的可靠性和稳定性，因此我们采用PLC 控制，并且在数据信号输入和导航信号数据输出两个关键环节大量重新设计并使用了新型的电光耦和直流自动继电器。PLC 配置有标准的I/O 模块，同时配置A/D 以及D/A 模块，通过这些模块可以实现对航标灯主服务器状况的监控［3］。

本文主要研究一种应用航标灯的记录系统，涉及航标系统领域。该记录系统包括主服务器、与主服务器通信连接的至少3 个航标灯，航标灯沿航道方向间隔布置，且均设有处理器、图像识别模块、无线通信模块和存储器。图像识别模块用于采集航标灯周围的海域和过往船只的图像，存储器用于存储经过船只的图像信息，处理器用于控制无线通信模块向主服务器发出第一记录信号。

主服务器用于接收第一记录信号并控制相邻航标灯开始工作，设计的模块功能如图2 所示，若相邻航标灯在设定时间内识别到同一经过船只的图像信息，则向主服务器发出第二记录信号；若相邻航标灯在设定时间内未识别到同一经过船只的图像信息，则向主服务器发出预警信号。

图2 总体结构设计图

3 系统总体设计

3.1 系统结构设计

控制系统由图像识别部分及可编程逻辑控制器两部分组成，图像识别数据采集组成部分主要为自动图像处理器、图像识别采集接口控制模块、无线通信器件接口控制模块和图像数据处理存储器。根据上述工作原理，结合实际选用菱PLC-FX3U 系列可以同时使用3 个通讯口，模块上使用软元件的监控、调试，限时。根据选用的PLC 我们想出了两个方案：第1 个方案PLC 直接连接主服务器并且分出3个控制器，即连接至少3 个次服务器，行程中间阶段的系列航标灯以及接近目的地的系列航标灯实施功能如图3a 所示；第2 个方案不分主次服务器，只设置一个服务器，用来连接全部阶段的系列航标灯，实施功能如图3b 所示。方案一中有多个服务器，便于排出故障，可增加容错率，出故障时可以随机通过各个服务器运作时的反馈，缩小排查故障的范围，方案二需要全部流程运营一遍才能排查出故障，并且方案二容易产生相互干扰，对比之下我们选用方案一。

图3 方案设计图

3.2 功能结构设计

该系统具有以下功能：1）实时参数显示：工控机处理和分析传感器所收集的数据，并保存在数据库服务器中，将收集的图像参数及时地显示在工业控制计算机终端监控上。2）历史数据查询：实时采集的数据将会存储在数据库系统中，通过选择开始和结束时间以及相应的传感器，它能取出任何采集模块和任何时间段的历史数据。3）实现未记录报警提示：当规定时间内有船只没有完成记录时，可以向监管人员提示参数报警，便于监管人员及时发现未完成记录的原因。系统的功能结构图如图4 所示。

图4 功能结构图

3.3 硬件模块设计

控制模块由PLC 和可编程终端组成，其中PLC 为控制核心，由存储器、电源、CPU、输入和输出单元、编程器、智能I/O、通信接口等组成，PLC 的工作模式为循环扫描，具体为输入、样本采集、程序执行和刷新输出。监控模块由位置传感器、嵌入式监控设备和BDS 接收机组成，该装置由数据采集单元、通信控制单元和电源单元组成。主要的系统元器件如表1 所示。

表1 主要的系统元器件明细表

3.4 监测平台设计

船舶导航监控平台的软件模块是PLC 监测平台的软件模块。监测平台模块主要利用上位机将监测结果呈现给用户。监测分为两个模块：用户管理单元和数据分析单元，具体架构如图5 所示。

图5 监测平台架构

4 仿真模拟设计

4.1 模拟条件设计

PLC 控制的船舶航标灯自动监测器是系统的主要功能，算法可根据文献［4］实现，通过相关实验测试进行设计验证。模拟船舶从港口A 行驶至港口B［5］，船舶的出发港和到达港如图6 所示，获取6 个航标灯的信号作为测试范围内的监测［6］。设置记录的航标灯距离测试船只在1 km 以内，不用担心重复目标的情况，具体如图7 所示。

图6 船舶航行的出发港口与到达港口

图7 船只与航标灯的距离

4.2 控制主机设计

为了验证PLC 技术船行航标灯实时记录其他船舶特征航行的实际监控应用实现能力，以船行航标灯自动控制系统主机作为实时监测控制平台,利用左侧移动显示器的屏幕实时监控不同航道航行轨迹内的各个航标灯节点并进行实时记录,利用右侧移动显示器的屏幕实时监测其他船舶船体特征航行信息［7］，具体如图8 所示。

图8 航标灯控制主机

控制电路分为监控模式和自动模式。功能中的KA1 和KA2 是控制记录终止继电器，其具体功能是KA1 控制KM1 终止记录，KA2 控制KM6 终止记录；KM1 至KM6 为接触器，用于控制信标灯摄像头的操作；控制航标时间的继电器为KT1 至KT3；SB1 为主控制开关，即重启开关；SB2 是监控模式下的记录终止开关；SB3 是自动模式的启动开关；SB4 是手动启动KM3 并按下KM4 按钮，即信标灯上的摄像头开始工作。当船只经过时，摄像头会将信号收集到服务器，然后将其传输到存储模块。当信标灯开始记录时，船舶的航行路线将显示在显示屏上，如图9 所示。

图9 船舶航行路线

4.3 系统控制流程设计

打开电源并按下启动按钮，系统将开始自检，检查系统是否出错，如果出错，则发出警示提醒；如果正常，数码管将立刻显示通过航标灯的当前船舶编号。假设从港口A 出发至航标灯1，则KM1 闭合，数码管会显示代表1 的数字，如果航标灯2 的数码管没有亮，则表示船舶停止，如果航标灯2 亮了，表示船舶到达航标灯2，以此类推，如果航标灯2 亮了一段时间在航标灯3 还没有亮时就灭了，表示船舶重新回到航标灯1 的位置，若在此阶段没有动作，则可能发生事故，需要联系该船只，若在记录过程中按下SB2 则终止记录。当航标灯6 的数码管工作时，即船舶停在B 港口，然后关闭KA1 和KA2，数码管将显示代表停止的数字，系统工作完成［8］。图10 为主程序的系统流程图。

图10 主程序系统流程图

5 PLC 设计

嵌入式PLC 系统集成了PLC 驱动技术和嵌入式软件技术，可以借助系统软件进行编程，充分发挥PLC 驱动控制系统在系统硬件上的功能。图11 显示了嵌入式PLC 系统的经典结构，其主要包括应用层和控制层。其中，硬件应用层在整个嵌入式PLC 控制系统中起着非常基础的作用。结合核心系统应用层的控制指令集，控制外部设备［9］。嵌入式PLC 系统中最重要的部件是控制层，控制将在循环调用程序的作用下进行，以完成输入和输出参数的快速刷新。在应用层开发了嵌入式PLC 系统和应用程序，并用标准化编程语言设计了相应的程序。

图11 嵌入式PLC 系统典型结构

5.1 端子接线图设计

通过对控制电路的研究，我们将选用微型机。微型PLC 控制系统多采用整体式结构，因此，可选择三菱PLC 型号为FX3U-32MR/ES-A。监控人员所收到的报警信息由控制系统中的远程监测模块发出并及时通知救援。图12 为系统终端接线图，系统的控制、采集、分析、储存、决策等功能将由工业控制计算机实现，并能实时监测设备的运行状态［10］。各种传感器实时发出的模拟信号将由PLC 负责收集，并将其转换为数字信号发送到工业控制计算机。同时接收工业控制计算机设定的参数和指令，该系统选用RS-232 进行串口通信。

图12 系统终端接线图

5.2 梯形图设计

根据设计的控制电路和终端接线图，可以设计梯形图，如图13 所示。根据PLC 的通信时间，检测PLC 与其他控制模块之间的程序是否正常执行。如果出现了超时，PLC 有可能崩溃，为了防止其崩溃，它将自动执行错误复位、重启系统或发出报警提示动作，对于PLC 的性能有很大的要求是因为主程序的执行时间和程序较为复杂。本系统程序包含多个高低压综合保护单元和智能仪表，数据量大，因此本程序执行时间设定为0.25 s［11］。

图13 PLC 梯形图

5.3 PLC 控制系统仿真测试

通过三菱PLC 编程软件GX works2 完成了信标灯控制系统的软件设计，软件测试界面如图14 所示。在硬件系统的基础上，完成了信标灯控制系统的功能测试，此时按下SB3 按钮将启动自运行状态一直循环至按下SB1 总停止按钮或按下SB2 终止记录按钮为止。根据软件给出的错误检测，显示ERR 未亮，所以该程序可执行，无错误。对航标灯未按时记录情况进行模拟测试，控制系统可及时反馈到工控机上，提醒或警示监管者，通过对该系统的分析与研究能提高船舶航行的安全性。

图14 PLC 软件测试界面

5.4 PLC 语句表

通过三菱PLC 编程软件GX works2 完成对梯形图的测试后将PLC 语句表也输出，如表2 所示。

表2 PLC 指令表

6 结语

本文通过PLC 技术，设计了一种基于PLC 的导航信标灯系统。该系统以PLC 为控制核心，通过信标灯获取船舶的实时航行路线，可监控船舶航行，努力保护海洋环境，实时监控海上情况，实现船舶的安全航行。