基于PLC的船舶安全报警系统设计_蒋向东
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3 软件系统设计
下位机 PLC 中 软 件 的 作 用 是 把 船 舶 上 的 数 字 信号以及模拟信号进行采样，然后 CPU 对这些物 理量进行控制，开关信号和模拟信号分开进行分
析和处理，对运行状态进行检测并传输给 PC 机等 上位机。一旦装置的工作参数发生变化就立即报 警，利用监控报警系统输出的声和光来提醒和故 障指示，并且把报警数据在上位机的界面上显示 出来。另外，把报 警 的 信 息 进 行 归 类 并 分 别 传 输 给远程报警系统。软件开发使用模块化的编程思 路，把许多功能的子程序放在各个的功能块 FB 和 FC 里，然后从组织模 块 的 OB 里 根 据 需 要 调 用 相 应的功能块，采样到的数据和分析处理后的数据 依照规定的次序放在 PLC 的数据块 DB 里，软件系 统如图 3 所示。
通常情况下，船舶安全报警系统如图 1 所示。 其构成主要包括用于各种仪器或装置的传感器，集 中控制室里的关键操控箱以及显示器，船舶驾驶平 台、乘客活动场所、轮机长和轮机技术员卧室附属 的远程安全报警系、报表打印等。整个系统的控制 核心是安全报警控制器，控制器的性能很大程度上 决定了安全报警系统的响应速度［2］。
硬件系统包括传感器信号检测层、控制设备层 及人机交互层 3 个层次。传感器信号检测层的构成 包括各种传感器、扩散的 I /O 接口和本地的 I /O 接 口等，其主要担任检测船舶所有监控对象的物理量， 本地的 I /O 接口可以和传感器进行连接，扩散的 I / O 接口经 Profibus － DP 网络把所有采集到的物理量 全部一起传输给 PLC 控制器。控制设备层由 PLC 的 各种控制模块构成，其担任把所有检测到的物理量 传输到中央处理器单元中的任务，然后中央处理器 单元再把传递过来的信息进行归类处理，并执行存 储操作和报警任务。PLC 控制器把分析的结果经过 MPI 网络传输给集中控制平台上的显示器上以及所
摘 要： 为保证船舶安全航行，船舶一般都配备有安全报警系统。随着计算机技术、网络技术和控制技术的
发展，船舶报警系统向着信息化、网络化和智能化的方向发展。本文结合当前船舶安全报警系统的实际应用需求，以
PLC 为核心控制器设计了一套完整的船舶安全报警系统。本文首先对系统硬件和软件的结构和功能进行简单介绍，
第 37 卷第 5 期 2015 年 5 月
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 37，No． 5 May，2015
基于 PLC 的船舶安全报警系统设计
蒋向东1 ，魏 伟2
（ 1． 重庆安全技术职业学院 信息工程系，重庆 404020； 2． 中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081）
结果显示在屏幕上，给船舶驾驶员对动力仪器的 实施和管理给予帮助。如果正在工作的设备出现 问题，船舱监控报警系统能自动发出声音及光报 警信号，而且是把报警信息储存起来。近年，由 于科学技术不断进步，新建造的船舶自动化程度 非常高，用于监控和报警的控制系统需要让报警
收稿日期： 2014 － 12 － 21； 修回日期： 2015 － 01 － 26 作者简介： 蒋向东（ 1970 － ） ，男，硕士，副教授，研究方向为计算机网络技术、信息安全及物联网。
有工作人员及乘客的人身安全。所以，在设计船舶 安全系统的硬件时，硬件系统中各种元器必须严格 进行选型，保证其运行的可靠性。综合考虑，此系 统的稳定性、快速性以及准确性，本文选择性能比 较优越的西门子 PLC，型号为 S7 － 300 为主控制器， 它可以利用传感器对现场参数和设备运行状态进行 检测，然后进行状况判断，一旦发生非正常的情况， 就立马启动报警。船舶安全报警装置的硬件框架如 图 2 所示。
·206·
舰船科学技术
第 37 卷
有远程的信息报警显示，把可视化的数据分析结果 反馈给所有操控人员［3］。
模拟传感 器 位 于 船 舶 安 全 报 警 系 统 的 最 底 层， 担任检测和监视现场的各种物理量。因为船舶上需 要监控的目标物理量有很多种，所以就需要很多种 模拟传感器。例如用来监控油温的温度传感器，用 来监控冷却水温的温度传感器，用来检测油压的压 力传感器，用来监控主发电机中转子速度和位置的 传感器，以及用来监控饮用水舱液位和液体货物舱 液位的液位传感器。
Key words： vessels； security alarm； PLC； configuring system
0引言
船舶安全报警系统是非常关键的自动化控制 系统，能够保证 船 舶 在 安 全 状 态 下 进 行 航 行。 它 可以实时并准确地监控船舶上所有机电设备以及 整艘船舶装置的运行情况与工作参数，并把监控
第5 期
蒋向东： 基于 PLC 的船舶安全报警系统设计
·205·
信号传输至驾驶舱、乘客船舱及轮机技术人员的 卧室。所以，船舶 舱 室 监 控 报 警 系 统 不 仅 减 少 了 轮机工作人员的工作量，此外还有效帮助改善轮 机管理人员办事的工作效率。由于科技的不断进 步，国际标准对船舶自动化的程度有了更苛刻的 需求［1］。
Design of vessels security alert system based on PLC
JIANG Xiang-dong1 ，WEI Wei2 （ 1． Chongqing Vocational Insitute of Safety Technology，Department of Information Engineering， Chongqing 404020，China； 2． China Institute of Marine Technology and Economy，Beijing 100081，China）
PLC 的供电电源可以把输进来的 220 V 市电进 行电源转换后给其他模块提供工作电压。PLC 对供 电电源有很高要求，比如稳定的隔离性能、短路预 防性能以及发生开路后的保护性能，而且必须既要 能够用作 PLC 内部的供电模块，还要能够给负载提 供电能。CPU 为 PLC 的中央处理器单元，1 个 PLC 最少应该包含 1 个 CPU 内核。内核的主要组成包括 计算中心、控制中心、信息储存中心、数据总线以 及控制总线等。一旦内核进行工作，内核按照程序 自动执行监控，同时扫描所有输入接口，不停地查 看相应的标志位，进行对所有现场信息和通讯中的 交换数据进行采样，运行用户设计的软件，并把所 有输出寄存器中的状态全部进行刷新操作，实施编 程器的输入信号以及显示屏的刷新，对 PLC 进行自 检等。
Abstract： In order to ensure the safety navigation of the ship，ship are generally equipped with a complete set of security alarm system． With the development of computer technology，network technology and control technology，the alarm system is towarding the development of informationization，networking and intelligent direction． This article combined the current practical application of the ship security alarm system，designed a complete set of ship security alert system using PLC as the core controller． This article first introduced the structure and function of the system hardware and software，and then designed each of the module in the hardware configuration，network configuration and control program of the ship security alarm system based on PLC，finally completed the design of the man － machine interface of the security alarm system．
2 硬件系统设计
船舶安全报警系统能够保证船舶在海上航行时， 不会发生危险事故，保障船舶的安全以及船舱内所
驾驶台 公共场所 轮机长 大管轮 二管轮 三管轮
显示单元
打印记录
延伸报警 控制单元
主电源 应急电源
安全报警控制器
各种传感器
报警器 控制单元
报警器
图 1 船舶安全报警系统的组成 Fig. 1 Composition of vessels security alarm system
延伸报 延伸报 集控台 驾驶台 延伸报 延伸报 警单元 警单元 显示屏 显示屏 警单元 警单元
MPI
西门子 本地 S7-300PLC I/O Profibus-DP 分布式 I/O 分布式 I/O 分布式 I/O 分布式 I/O
各种传感器
图 2 硬件框架 Fig. 2 Hardware framework
PLC 的存储器有 2 种，系统存储器用来存放系 统程序，用户存储器用来存放用户程序和运行的中 间参数。I /O 接口与传感器直接相连，并把现场的 物理量信息传递进来，PLC 把采样的物理量和开关 量转换 成 PLC 可 以 识 别 的 模 拟 信 号 和 数 字 信 号， PLC 对输入信号进行分析和处理后，把数字信号再 转换成模拟信号并进行输出。船舶安全报警系统监 控需要输入点数和输出点数和需要的 I /O 接口数量 相等，但是 PLC 能够扩展的最大 I / O 接口数与 PLC 本身的资源配置能力相关。
上位机人机交互 延伸报警单元
数据处理
报警处理
声光报警
数据采集
数字量
模拟量
图 3 软件系统 Fig. 3 Software system
然后针对基于 PLC 的机船安全报警系统各模块的硬件组态、网络组态和控制程序进行了详细的设计，最后完成了安
全报警系统人机交互界面的设计。
关键词： 船舶； 安全报警； PLC； WINCC 组态系统
中图分类号： U675． 82
文献标识码： A
文章编号： 1672 － 7649（ 2015） 05 － 0204 － 05 doi： 10.Βιβλιοθήκη Baidu3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2015. 05. 047
目前，国内 正 在 建 造 或 者 已 经 建 造 的 船 舶 里， 绝大多数的船舱监控报警系统由国外企业制造，国 内自主开发的系统非常少，因此技术和发达国家有 非常大的差距，所以对船舶安全报警系统进行研究 非常有价值。
1 船舶安全报警系统组成
船舶安 全 报 警 系 统 的 监 控 对 象 有 许 多， 然 而 监控对象的一些特性参数主要包含有数字信号以 及模拟物理信号。数字量就是有且仅有 2 种情况 的数字，一般可 以 用 开 关 的 通 与 断 进 行 表 示， 并 且通常以 0 与 1 进行描述。在船舶安全报警系统 里，数字信号可以表示机电仪器的启动与制动情 况，以及正常工 作 情 况 与 故 障 情 况。 模 拟 信 号 为 持续改变的物理量，此系统里主要包含温度信号、 液位信号、压力 信 号 以 及 转 速 信 号 等。 一 旦 模 拟 信号超过了检测的接线，报警系统会立即进行报 警。此外，系统的供电电源必须能够持 续 供 电， 一旦主电源发生故障，就需要运行应急电源装置， 应急电源可以使用蓄电池组串并联提供的高压进 行逆变，也可以由升压电路把蓄电池提供的低压 进行升压后 再 逆 变。 目 前， 最 常 用 的 应 急 电 源 由 备用发电机进行供电。
下位机 PLC 中 软 件 的 作 用 是 把 船 舶 上 的 数 字 信号以及模拟信号进行采样，然后 CPU 对这些物 理量进行控制，开关信号和模拟信号分开进行分
析和处理，对运行状态进行检测并传输给 PC 机等 上位机。一旦装置的工作参数发生变化就立即报 警，利用监控报警系统输出的声和光来提醒和故 障指示，并且把报警数据在上位机的界面上显示 出来。另外，把报 警 的 信 息 进 行 归 类 并 分 别 传 输 给远程报警系统。软件开发使用模块化的编程思 路，把许多功能的子程序放在各个的功能块 FB 和 FC 里，然后从组织模 块 的 OB 里 根 据 需 要 调 用 相 应的功能块，采样到的数据和分析处理后的数据 依照规定的次序放在 PLC 的数据块 DB 里，软件系 统如图 3 所示。
通常情况下，船舶安全报警系统如图 1 所示。 其构成主要包括用于各种仪器或装置的传感器，集 中控制室里的关键操控箱以及显示器，船舶驾驶平 台、乘客活动场所、轮机长和轮机技术员卧室附属 的远程安全报警系、报表打印等。整个系统的控制 核心是安全报警控制器，控制器的性能很大程度上 决定了安全报警系统的响应速度［2］。
硬件系统包括传感器信号检测层、控制设备层 及人机交互层 3 个层次。传感器信号检测层的构成 包括各种传感器、扩散的 I /O 接口和本地的 I /O 接 口等，其主要担任检测船舶所有监控对象的物理量， 本地的 I /O 接口可以和传感器进行连接，扩散的 I / O 接口经 Profibus － DP 网络把所有采集到的物理量 全部一起传输给 PLC 控制器。控制设备层由 PLC 的 各种控制模块构成，其担任把所有检测到的物理量 传输到中央处理器单元中的任务，然后中央处理器 单元再把传递过来的信息进行归类处理，并执行存 储操作和报警任务。PLC 控制器把分析的结果经过 MPI 网络传输给集中控制平台上的显示器上以及所
摘 要： 为保证船舶安全航行，船舶一般都配备有安全报警系统。随着计算机技术、网络技术和控制技术的
发展，船舶报警系统向着信息化、网络化和智能化的方向发展。本文结合当前船舶安全报警系统的实际应用需求，以
PLC 为核心控制器设计了一套完整的船舶安全报警系统。本文首先对系统硬件和软件的结构和功能进行简单介绍，
第 37 卷第 5 期 2015 年 5 月
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 37，No． 5 May，2015
基于 PLC 的船舶安全报警系统设计
蒋向东1 ，魏 伟2
（ 1． 重庆安全技术职业学院 信息工程系，重庆 404020； 2． 中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081）
结果显示在屏幕上，给船舶驾驶员对动力仪器的 实施和管理给予帮助。如果正在工作的设备出现 问题，船舱监控报警系统能自动发出声音及光报 警信号，而且是把报警信息储存起来。近年，由 于科学技术不断进步，新建造的船舶自动化程度 非常高，用于监控和报警的控制系统需要让报警
收稿日期： 2014 － 12 － 21； 修回日期： 2015 － 01 － 26 作者简介： 蒋向东（ 1970 － ） ，男，硕士，副教授，研究方向为计算机网络技术、信息安全及物联网。
有工作人员及乘客的人身安全。所以，在设计船舶 安全系统的硬件时，硬件系统中各种元器必须严格 进行选型，保证其运行的可靠性。综合考虑，此系 统的稳定性、快速性以及准确性，本文选择性能比 较优越的西门子 PLC，型号为 S7 － 300 为主控制器， 它可以利用传感器对现场参数和设备运行状态进行 检测，然后进行状况判断，一旦发生非正常的情况， 就立马启动报警。船舶安全报警装置的硬件框架如 图 2 所示。
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舰船科学技术
第 37 卷
有远程的信息报警显示，把可视化的数据分析结果 反馈给所有操控人员［3］。
模拟传感 器 位 于 船 舶 安 全 报 警 系 统 的 最 底 层， 担任检测和监视现场的各种物理量。因为船舶上需 要监控的目标物理量有很多种，所以就需要很多种 模拟传感器。例如用来监控油温的温度传感器，用 来监控冷却水温的温度传感器，用来检测油压的压 力传感器，用来监控主发电机中转子速度和位置的 传感器，以及用来监控饮用水舱液位和液体货物舱 液位的液位传感器。
Key words： vessels； security alarm； PLC； configuring system
0引言
船舶安全报警系统是非常关键的自动化控制 系统，能够保证 船 舶 在 安 全 状 态 下 进 行 航 行。 它 可以实时并准确地监控船舶上所有机电设备以及 整艘船舶装置的运行情况与工作参数，并把监控
第5 期
蒋向东： 基于 PLC 的船舶安全报警系统设计
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信号传输至驾驶舱、乘客船舱及轮机技术人员的 卧室。所以，船舶 舱 室 监 控 报 警 系 统 不 仅 减 少 了 轮机工作人员的工作量，此外还有效帮助改善轮 机管理人员办事的工作效率。由于科技的不断进 步，国际标准对船舶自动化的程度有了更苛刻的 需求［1］。
Design of vessels security alert system based on PLC
JIANG Xiang-dong1 ，WEI Wei2 （ 1． Chongqing Vocational Insitute of Safety Technology，Department of Information Engineering， Chongqing 404020，China； 2． China Institute of Marine Technology and Economy，Beijing 100081，China）
PLC 的供电电源可以把输进来的 220 V 市电进 行电源转换后给其他模块提供工作电压。PLC 对供 电电源有很高要求，比如稳定的隔离性能、短路预 防性能以及发生开路后的保护性能，而且必须既要 能够用作 PLC 内部的供电模块，还要能够给负载提 供电能。CPU 为 PLC 的中央处理器单元，1 个 PLC 最少应该包含 1 个 CPU 内核。内核的主要组成包括 计算中心、控制中心、信息储存中心、数据总线以 及控制总线等。一旦内核进行工作，内核按照程序 自动执行监控，同时扫描所有输入接口，不停地查 看相应的标志位，进行对所有现场信息和通讯中的 交换数据进行采样，运行用户设计的软件，并把所 有输出寄存器中的状态全部进行刷新操作，实施编 程器的输入信号以及显示屏的刷新，对 PLC 进行自 检等。
Abstract： In order to ensure the safety navigation of the ship，ship are generally equipped with a complete set of security alarm system． With the development of computer technology，network technology and control technology，the alarm system is towarding the development of informationization，networking and intelligent direction． This article combined the current practical application of the ship security alarm system，designed a complete set of ship security alert system using PLC as the core controller． This article first introduced the structure and function of the system hardware and software，and then designed each of the module in the hardware configuration，network configuration and control program of the ship security alarm system based on PLC，finally completed the design of the man － machine interface of the security alarm system．
2 硬件系统设计
船舶安全报警系统能够保证船舶在海上航行时， 不会发生危险事故，保障船舶的安全以及船舱内所
驾驶台 公共场所 轮机长 大管轮 二管轮 三管轮
显示单元
打印记录
延伸报警 控制单元
主电源 应急电源
安全报警控制器
各种传感器
报警器 控制单元
报警器
图 1 船舶安全报警系统的组成 Fig. 1 Composition of vessels security alarm system
延伸报 延伸报 集控台 驾驶台 延伸报 延伸报 警单元 警单元 显示屏 显示屏 警单元 警单元
MPI
西门子 本地 S7-300PLC I/O Profibus-DP 分布式 I/O 分布式 I/O 分布式 I/O 分布式 I/O
各种传感器
图 2 硬件框架 Fig. 2 Hardware framework
PLC 的存储器有 2 种，系统存储器用来存放系 统程序，用户存储器用来存放用户程序和运行的中 间参数。I /O 接口与传感器直接相连，并把现场的 物理量信息传递进来，PLC 把采样的物理量和开关 量转换 成 PLC 可 以 识 别 的 模 拟 信 号 和 数 字 信 号， PLC 对输入信号进行分析和处理后，把数字信号再 转换成模拟信号并进行输出。船舶安全报警系统监 控需要输入点数和输出点数和需要的 I /O 接口数量 相等，但是 PLC 能够扩展的最大 I / O 接口数与 PLC 本身的资源配置能力相关。
上位机人机交互 延伸报警单元
数据处理
报警处理
声光报警
数据采集
数字量
模拟量
图 3 软件系统 Fig. 3 Software system
然后针对基于 PLC 的机船安全报警系统各模块的硬件组态、网络组态和控制程序进行了详细的设计，最后完成了安
全报警系统人机交互界面的设计。
关键词： 船舶； 安全报警； PLC； WINCC 组态系统
中图分类号： U675． 82
文献标识码： A
文章编号： 1672 － 7649（ 2015） 05 － 0204 － 05 doi： 10.Βιβλιοθήκη Baidu3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2015. 05. 047
目前，国内 正 在 建 造 或 者 已 经 建 造 的 船 舶 里， 绝大多数的船舱监控报警系统由国外企业制造，国 内自主开发的系统非常少，因此技术和发达国家有 非常大的差距，所以对船舶安全报警系统进行研究 非常有价值。
1 船舶安全报警系统组成
船舶安 全 报 警 系 统 的 监 控 对 象 有 许 多， 然 而 监控对象的一些特性参数主要包含有数字信号以 及模拟物理信号。数字量就是有且仅有 2 种情况 的数字，一般可 以 用 开 关 的 通 与 断 进 行 表 示， 并 且通常以 0 与 1 进行描述。在船舶安全报警系统 里，数字信号可以表示机电仪器的启动与制动情 况，以及正常工 作 情 况 与 故 障 情 况。 模 拟 信 号 为 持续改变的物理量，此系统里主要包含温度信号、 液位信号、压力 信 号 以 及 转 速 信 号 等。 一 旦 模 拟 信号超过了检测的接线，报警系统会立即进行报 警。此外，系统的供电电源必须能够持 续 供 电， 一旦主电源发生故障，就需要运行应急电源装置， 应急电源可以使用蓄电池组串并联提供的高压进 行逆变，也可以由升压电路把蓄电池提供的低压 进行升压后 再 逆 变。 目 前， 最 常 用 的 应 急 电 源 由 备用发电机进行供电。