Elecworks™-李云逸

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

摘  要：针对现代船舶泵浦自动控制的要求以及特点，设计高性能的泵浦管理系统。在重点论述 PLC 控制 单元中，选用西门子公司最新的 S7-1200/1500PLC 作为核心控制器。并以 Elecworks 作为制图软件，完成对 泵浦管理系统原理图与 S7-1200/1500PLC 图纸的设计。该系统可以更好的实现泵浦故障时主备用泵的自动 切换与顺序起动，提高泵浦系统自动控制的准确度及诊断能力，使其更加安全可靠。  关键词：ElecworksTM      船舶泵浦  S7-1200/1500PLC    自动控制

中图分类号：U664             文献标识码：A          文章编号：1003-4862（2017）07-0010-05

Application of S7-1200 / 1500 Ship Pump Management System Based on Elecworks

Li Yunyi

（Merchant Marine College of Shanghai Maritime University, Shanghai 201306,   China)

Abstract: Aimed at requirements and characteristics of modern ship pump automatic control, a high performance pump management system is designed, and the latest Siemens S7-1200 / 1500PLC as the core controller is selected in PLC control unit. The paper takes Elecworks as a mapping software for completing design schematics of pump management system and design drawings of S7-1200 / 1500PLC. The system can realize automatic switching sequence starting of the main  standby pump  during  pump failure, and  improve  the accuracy and diagnosis ability of the pump system’s automatic control for running  more  safer  and  reliable.

Keywords: Elecworks ™; ship pump system; S7-1200 / 1500PLC; automatic  switch

0     引言

Elecworks™ 是一款新型的设计软件，普遍 使用于在工业电气自动化的项目设计中。其在绘 制原理图之前可呈现项目的设计思路，掌握项目 的整体规划。Elecworks™操作简捷，设计时不用 掌握任何特殊快捷命令。同时拥有更加智能化的工具菜单指导用户设计，无论项目大小，允许多 个电气工作者同时设计于同一项目。 目前， 在 Elecworks™的各版本中没有西门子 S7-1200/1500 PLC 的符号与设备型号， 通过 Elecworks™设计 可使用户在以后的设计中快速简单的插入西门子 S7-1200/1500PLC，自动生成 PLC 图纸，缩短用 户的设计时间。西门子 S7-1200/1500 PLC 在系统 性能方面具有显著的提高，功能强大，拥有快速 的信号处理能力。船舶电气设备的控制中，泵浦 的控制管理是主要内容之一，目前泵浦的自动控 制系统仍多采用继电接触器控制或者其他低端 PLC 控制，不仅维修不方便，而且可靠性差。而 西门子 S7-1200/1500PLC 的联网能力更强，诊断能力和安全性更高，不仅可节约成本，提高生产 效率，而且安全可靠，维护简单方便[7]。

1     Elecworks™-的优势及其 PLC 的设计

Elecworks™将设计师从重复的劳动中解放 出来，让设计师更加专注于设计与创新。原理图 的设计首次采用智能布线方式，以及国际标准符 号库帮助设计师更高效的绘制图纸。其中包括自 动生成 PLC 图纸与清单表，例如端子表，接线表， 设备清单，电缆表，图纸清单等。一键式自动生 成 PLC 图纸，利用宏方式生成回路。同时还支持 多人协同设计同一项目，并且图纸数据可以实现 实时更新。根据工程的需要，图纸的不同结构， 灵活的选择设计 PLC 的范式，通过关联宏的自动 生成 PLC 图纸，或通过动态插入的范式设计 PLC 图纸，节约大量的设计时间。

与传统 Auto CAD 画图软件相比， Elecworks™实现企业的标准化、模块化、集成化， 适应全球信息化的发展。

1） 标准化。包括标准的设计流程，设计规范， 标准的符号库，准确的设备库，让电脑智能提示 减少错误率，实现多语言自动转换。

2）模块化，集成化。可以与 ERP 集成，进行 部门沟通，与 PDM，PLM 集成进行图纸管理。 同时还可与与机械、结构方面集成，实现机电一 体化。

Auto CAD 在绘制 PLC 过程中流程混乱，在 绘制 PLC 时没有 I/O 表，根据工程的进展要求， 不断添加 I/O 地址及说明，容易出现错误。同时 图纸结构中包含大量的 PLC 图纸，回路结构相 似，但却需要花费大量的时间绘制。

Elecworks™ 设 计 S7-1200/1500PLC 的 流 程 图 如 图 1 。 设 计 PLC 时 ， 一 方 面 需 注 意 的 是 Elecworks™ 设 备 管 理 器 中 ， 部 件 栏 必 须 填 写 S7-1200/1500 的供货号，并且用户根据需要可在 回路端子中添加多个数字量或者模拟量的输入/ 输 出 回 路 。 另 一 方 面 Elecworks™ 可 以 直 接 从 “PLC 输入/输出清单”中复制地址及说明到 I/O 管 理器中，并且每个回路可选择关联相应的宏，极 大的节约了设计时间。最后将设计好的 PLC 建立 为宏，在以后的设计中以便随时调用。

2    西门子 S7-1200/1500PLC 的特点

西门子 S7-1500 PLC 模块尺寸相比于 S7-300 稍大，机架类似于 S7-300，前连接器安装时具有 接线位置，并提供专门的电源元件和屏蔽支架及 线卡，使接线更方便，可靠性更高；特别是是 CPU 上配置有 LED 显示屏，可方便显示 CPU 状态和 故障信息等。其功能强大，集可编程逻辑控制器、 通信模块、博途编程软件、工控组态软件、触摸 屏等于一体。在系统性能方面，西门子 S7-1500 PLC 性能强大以及拥有快速的信号处理能力，大 大缩短了响应时间，加强控制能力。并且设计有 高速背板总线，具有高波特率和高效的传输协议 [8]。位指令的较快运行时间可缩短到 10 纳秒之 内。S7-1500 所有 CPU 集成 1-3 个 PROFINET 接

口，可实现低成本快速组态现场级通信和公司网 络通信，而 S7-300/400PLC 只有个别型号 CPU 才 集成有 PROFINET 接口。模块集成有自我诊断功 能，在博途软件中不需要编程，当有故障产生时， 该功能可迅速的判断受影响的通道，更大限能的 减少停机时间，这是 S7-1200/1500PLC 所独有的 功能。

在现场工艺方面，以 SIMATIC S7-1500 西门 子 PLC 为例，标准化的运动控制功能使其与众不 同。Profidrive 是基于 Profibus 与 Prifinet 两种通 讯方式的驱动技术，也是自动化控制应用中的一 种协议框架，Profidrive 可以实现用户对驱动的控 制 更 方 便 ， 更 快 捷 。 在 S7-1500 中 模 拟 量 和 Profidrive 兼容驱动不需要其它模块就可以实现 直接连接，支持速度和定位轴，以及编码器[3]。 TRACE 功能不仅使用户程序和运动控制应用诊 断的精准性更高，同时还使驱动装置的性能更稳 定。 此外，西门子 S7-1500 还支持所有 CPU 变 量的 TRACE 功能，提高了调试效率的同时优化 了驱动和控制器的性能。为了实现对控制器快速 高效的调节，用户可以使用 Trace 功能，对程序 和动作应用进行实时诊断，从而优化驱动[3]。

在工业信息安全方面，为帮助用户确保应用 安全，访问保护功能可以防止对未经授权应用的 配置修改，还能通过给不同等级的用户分配相应 的授权级别来实现保护功能，专有的数据校验机 制可识别修改过的工程数据，从而实现例如保护 通过未授权操作传输到控制器的数据等功能[5]。

相对于设计人员 S7-1500PLC 的组态和编程 效 率 更 高 ， 信 息 采 集 和 查 看 更 方 便 。 由 于S7-1500PLC 是无缝集成到 TIA 博途软件中，无 论是硬件组态、网络连接和上位组态，还是软件 编程，其操作均简单快捷。而 S7-300/400PLC 专 用 组 态 编 程 软 件 为 STEP7 ， 上 位 组 态 软 件 为 WinCC，相对于 TIA 博途软件，其操作显得繁琐。 对于 S7-1500，可通过 PLC 上 CPU 显示屏、TIA 博途和人机界面设备实时查看 CPU 状态、过程变 量和故障信息等。而对于 S7-300 与 S7-400 PLC， 由于 CPU 模块没有显示屏，各种状态信息的查看 也没有 S7-1500PLC 方便。

图 1 Elecworks™设计 S7-1200/1500PLC 的流程图

3  Elecworks™-船舶泵浦管理的 S7-1200/1500 系统

随着船舶电气技术和计算机技术的日益发 展与成熟，现代船舶的主要泵，分油机等设备大 多 采 用 PLC 作 为 控 制 系 统 的 核 心 。 而 西 门 子 S7-1200/1500PLC 在船舶泵浦管理中可以发挥更 大的作用。现代船舶船用泵浦管理系统主要包括 泵浦的自动控制，自动切换，分级投入（顺序启 动）以及分级卸载。在现代化无人机舱中重要的 泵浦除了机旁操作以外，主要的遥控操作与自动 运行方式位于集控室的主控制台或主配电屏的计 算机液晶控制触摸屏、以及组合起动屏上[4]。当 正在自动运行的泵出现故障时，运行泵的备用泵 可以自动起动并且自动切换；各组泵依据 PLC 事 先设定好的起动顺序重新自动起动。船用泵浦管 理系统的流程图如图 2 所示。

3.1 大功率负荷投入管理（重载询问功能）

在船舶工况下偶然使用大功率负荷，如压载 泵、消防泵之类的大功率负荷投入管理，只需在 发电机运行机组台数的管理程序基础上增加几条 指令即可。纳入重载询问功能控制的电动机有允 许起动信号指示灯，该指示灯亮，说明电站功率 裕量够用，该电动机可以启动[1]。

重载询问功能是指大功率负载投入电网时，

PMS 首先分析电站容量是否满足启动条件[9]。 当在大功率负荷泵启动箱上按下启动按钮，

这一启动信号不是送入控制箱内的控制电路，而 是送入 PMS 的（重载启动询问信号只是一对触 点）。PMS 计算当前电网总负荷加上准备投入运 行的大功率负荷，若不超过运行发电机组的更大 负荷率，则大功率负荷立即启动运行；若当前负 荷超过发电运行机组所能承载的更大负荷率，则 备用发电机组立即启动，待备用机组投入电网运 行且负荷分配后，才由 PMS 发出允许启动这一大 功率负荷指令和指示，此后大功率负载可以启动 并投入运行，这可避免在网发电机过载[1]。

3.2 泵浦组合起动屏

船舶大部分泵的起动控制采用新颖的组合 起动屏形式，并且每个起动屏安装一台电动机的 起动控制单元及其元器件[10]。组合起动屏中配置 了一个特殊的 PLC 控制单元，S7-1500 PLC 采用 新型的背板总线技术使安装在屏内的起动控制单 元能与计算机控制系统建立通信联系，可以在触 摸屏上实现对泵起停控制。PLC 的输入/输出电路 可接收泵浦的液位信号及压力控制信号[6]。

3.3 泵的自动切换和顺序启动

3.3.1 泵的自动切换

当泵浦系统出现故障以后，PLC 可以根据压 力或者液位信号的变化自动切换备用泵。

在三种情况下备用泵将会自动切换起动：运 行泵电动机过载、突然失电以及运行泵出口压力 下降。1)当运行泵电动机过载时，热过载继电器 的常闭触点断开，PLC 接收到电机过载的信号， 立即停止运行泵，PLC 根据设计程序起动备用泵。 2)正在运行的泵突然失电停止运行，备用泵自动 启动，当电源恢复后原运行泵成为备用泵[4]。3) 运行泵的出口压力下降：在运行泵正常工作期间， 泵的出口压力由压力继电器监测，当出口压力低于设定值时，压力继电器断开[2]。在泵的运行期 间由于某种原因泵的出口压力下降到设定值以 下，并持续两秒以上时，压力继电器将出口压力 降低信号传送至 PLC 控制屏，此时运行泵立即停 止并起动备用泵。

3.3.2 泵的顺序启动

当由于特殊原因使电网失电后，导致所有泵 浦停止运行，当电网恢复供电以后，为了限制每 次起动的电流值，防止起动时电网的瞬时压降过 大或恢复时间过长，因此按照泵浦的重要性排好 先后次序，按照其启动电流大小分组，然后按程 序逐级启动，防止电网超负荷[2]。

图 2 船用泵浦管理系统的流程图

4     结论

船舶机舱环境复杂，机舱设备长期处于高温， 噪 声 ， 振 动 等 恶 劣 条 件 下 工 作 。 采 用 基 于 Elecworks™的 S7-1200/1500PLC 泵浦管理系统可 实现对机舱泵浦的优化控制，此系统不仅有效的 避免因外界环境干扰所造成泵浦的误操作，还大 大 提 高 控 制 系 统 的 可 靠 性 。 更 加 智 能 化 的 Elecworks™不仅缩短了工程师设计图纸所花费 的时间，而且支持 CAD 用户查看图纸。同时泵 浦的自动控制与切换，分级投入与卸载功能与传 统的控制系统相比较其稳定性得到很大改善，其 独有的自诊断能力使泵浦管理系统更加强大，而 且也节省了整个控制箱的空间，其维护也更加方便。

参考文献:

[1] 张桂臣. 现代船舶电站[M]. 大连:大连海事大学出版 社, 2012.

[2] 郑华耀. 船舶电气设备及系统[M]. 大连:大连海事大 学出版社, 2011.

[3] 西门子 PLC 控制器 SIMATIC S7-1500[J]. 自动化博 览, 2013, (3):17.

[4] 王瑞云. 基于 PLC 控制的船用泵组的自动切换系统 分析[J].  船海工程, 2012,41(6).

[5] 西门子推出新一代面向中高端应用的高性能 PLC 控 制器[J].  自动化博览, 2013, (8):66-66.

[6] 王宁. PLC 在船用泵组合启动控制系统中的应用[J]. 科技信息:  学术研究, 2007, (26): 297-298.

[7] 刘长青. S7-1500 PLC 项目设计与实践[M]. 机械工业 出版社, 2016.

[8] 王时军. 零基础轻松学会西门子 S7-1200[M].机械工 业出版社, 2014.

[9] 徐昭, 吴志良. 基于 S7-1200 PLC 的船舶电站并车装 置的设计与实现[J].  船电技术,2014, (11):13-15.

[10] 张辰, 俞万能. 基于 PLC 的船舶空气源热泵供热水 控制系统研发[J].  船电技术, 2016, (03):14-17.

船电技术|应用研究 Vol.37    No.7 2017.7

收稿日期：2017-02-25 基金项目：国家自然科学基金《船舶多类型电源集成管 理及更优控制策略研究》（编号 51179102）；中国博士 后科学基金《船舶电站能效优化 MIMO 协同控制算法的 研究》（编号 2012M520710） 作者简介：李云逸（1993-），男，硕士研究生。研究方 向：电气自动化。