基于PLC 的船舶自动化监控系统设计

引言

在全球贸易往来日益频繁的背景下，航运业作为国际贸易的主要运输方式，承担着大量货物与人员的运输任务。船舶的安全、高效运行直接影响航运业的发展。传统的船舶监控方式依赖人工巡检，存在效率低、响应慢、误判风险高等问题，难以满足现代船舶复杂的运行管理需求。可编程逻辑控制器（PLC）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程灵活等优势，成为船舶自动化监控系统设计的理想选择。基于 PLC 设计船舶自动化监控系统，能够实现对船舶各类设备的实时监测与精准控制，提升船舶运行的安全性和稳定性，推动船舶自动化水平迈向新高度。

一、船舶自动化监控系统需求分析

（一）船舶设备监控需求

船舶上包含动力系统、电力系统、舱室系统等众多复杂设备。动力系统中的主机、辅机等设备，需实时监测其转速、温度、压力等参数，确保设备正常运转；电力系统的发电机、配电柜等，要对电压、电流、频率等指标进行监控，保障船舶电力供应稳定；舱室系统涉及压载舱、油舱等，需监测液位、压力变化，避免出现泄漏、超载等情况。传统人工巡检难以全面、及时掌握设备运行状态，迫切需要自动化监控系统实现对设备的全方位、实时监测。

（二）系统功能需求

船舶自动化监控系统需具备数据采集、实时显示、报警处理、远程控制等功能。数据采集模块要能快速、准确地获取各类设备的运行参数；实时显示功能需通过人机界面将采集的数据直观呈现，便于操作人员了解船舶运行状况；当设备参数超出正常范围时，报警处理功能应立即发出声光报警，并记录报警信息，提示操作人员及时处理；远程控制功能可实现对设备的远程启停、参数调节等操作，提高操作的便捷性和灵活性，尤其在紧急情况下，能快速做出响应，保障船舶安全。

（三）系统性能需求

船舶运行环境复杂多变，长期处于高温、高湿、强电磁干扰的海洋环境中，这要求监控系统具备高可靠性和强抗干扰能力。系统需保证长时间稳定运行，减少故障发生概率，同时在恶劣环境下仍能准确采集和传输数据。此外，系统应具备良好的扩展性，便于后续根据船舶改造或功能升级需求，灵活增加或修改监控设备与功能模块，降低系统升级成本。

二、基于PLC 的船舶自动化监控系统硬件设计

（一）PLC 选型

在为船舶自动化监控系统挑选合适的 PLC 型号时，需全面考量 I/O 点数、存储容量、运算速度以及通信能力等多方面因素。西门子 S7-1200 系列 PLC 脱颖而出，成为该系统的理想之选。它拥有丰富的通信接口，像以太网和 RS485 等，能轻松支持多种通信协议。这一特性使得它能够与传感器、人机界面以及上位机等各类设备进行高效、稳定的数据交互，确保系统各部分之间信息传递的及时性和准确性。在运算能力方面，S7-1200 系列 PLC 表现强劲，能够轻松应对复杂的控制逻辑需求，保障船舶自动化监控系统的精准运行。而且，它采用灵活的编程方式，方便工程技术人员根据实际需求进行程序编写和调整。此外，考虑到船舶运行环境通常较为恶劣，该系列 PLC 具备较高的可靠性和防护等级，能够在复杂的环境条件下稳定工作，为船舶自动化监控系统的可靠运行提供坚实保障。

（二）传感器选型与配置

传感器作为船舶自动化监控系统中数据采集的关键设备，其选型恰当与否直接关乎数据采集的准确性。在船舶动力系统里，温度监测至关重要，可选用热电偶或热电阻温度传感器。热电偶具有测量范围广、响应速度快的特点，能快速捕捉设备温度变化；热电阻则精度较高，适合对温度测量精度要求较高的场景。压力监测方面，压阻式压力传感器是不错的选择，它结构简单、灵敏度高，可精准测量油压、气压等参数。在电力系统中，电流互感器和电压互感器是采集电流、电压信号的核心设备，能将大电流、高电压转换为适合测量的小信号。对于舱室液位监测，超声波液位传感器利用超声波反射原理，可实现非接触式测量；磁致伸缩液位传感器则具有精度高、稳定性好的优点。根据不同传感器输出的模拟量或数字量信号，合理配置 PLC 的模拟量输入模块和数字量输入模块，确保传感器与PLC 之间信号传输准确无误，为后续数据处理和分析提供可靠依据。

（三）人机界面设计

人机界面（HMI）是操作人员与船舶自动化监控系统进行交互的重要窗口，其设计直接影响操作体验和监控效率。选用触摸屏作为人机界面，如西门子 TP200 触摸屏，它具备高分辨率显示，能清晰展示各种信息和画面；操作简便，通过触摸即可完成各种操作。在人机界面上，精心设计多个功能界面。设备运行状态显示界面可实时呈现船舶各设备的运行参数，如主机转速、油温、油压等，让操作人员一目了然。数据查询界面方便操作人员查看历史数据，通过设置查询条件，可快速获取特定时间段内的数据，为设备维护和故障分析提供参考。报警信息界面能及时显示报警提示，包括报警时间、报警设备、报警原因等，操作人员可根据提示迅速采取措施。同时，操作人员还能通过触摸操作对设备进行远程控制，如启动、停止设备，调整参数等，实现人机交互的直观性和便捷性，提高监控系统的操作效率。

（四）通信网络构建

为确保船舶自动化监控系统各部分之间数据传输与交互的顺畅，构建高效可靠的通信网络至关重要。采用以太网与 RS485 相结合的通信方式，充分发挥两者的优势。PLC 与上位机之间通过以太网连接，以太网具有高速、稳定的特点，能够实现大量数据的快速传输，便于管理人员在监控中心对船舶运行状况进行远程监控和管理。管理人员可以实时获取船舶的各项运行数据，进行远程决策和指挥。PLC 与传感器、执行机构之间采用RS485 总线连接，RS485 总线抗干扰能力强，能有效抵御船舶复杂的电磁环境干扰；传输距离远，可满足现场设备与PLC之间较远距离的通信需求。这种通信方式确保了现场设备与PLC之间的可靠通信，保障整个监控系统的数据流畅传输，使系统能够实时、准确地反映船舶的运行状态，为船舶的安全、高效运行提供有力支持。

三、基于PLC 的船舶自动化监控系统软件设计

（一）PLC 程序设计

采用梯形图（LAD）或 SCL 编程方式进行 PLC 程序设计，梯形图直观易懂，便于编程与调试。PLC 程序主要包括数据采集程序、逻辑控制程序、报警处理程序和通信程序。数据采集程序负责从传感器读取设备运行参数，并进行数据处理和存储；逻辑控制程序根据预设的控制逻辑，对采集的数据进行分析判断，输出控制信号控制执行机构动作，如根据主机温度控制冷却水泵的启停；报警处理程序实时监测设备参数，当参数超出设定阈值时，触发报警输出，并记录报警时间、类型等信息；通信程序实现 PLC 与传感器、人机界面、上

位机之间的数据通信，确保数据准确传输。

（二）人机界面程序设计

利用人机界面编程软件（如 TIAPORTAL）进行人机界面程序设计。在界面设计上，遵循简洁、直观、易用的原则，合理布局各功能模块。通过建立变量连接，将人机界面上的显示元件、操作按钮与 PLC 内部变量关联起来，实现数据的实时显示和远程控制操作。例如，在设备运行状态显示界面，将温度、压力等参数显示元件与PLC 中对应的存储变量连接，实时显示设备运行参数；在远程控制界面，将启停按钮与 PLC 的输出控制变量连接，实现对设备的远程控制。

（三）上位机监控软件设计

上位机监控软件作为船舶自动化监控系统的管理中枢，选用西门子 Wincc 等专业组态软件进行开发。依托以太网高速稳定的通信特性，软件与 PLC 构建起可靠的数据传输通道，确保实时获取船舶设备运行数据。

软件集成数据报表生成与趋势曲线绘制功能，能够自动汇总设备运行数据，以图表形式呈现参数变化趋势，帮助管理人员分析设备运行规律，预测潜在故障。报警管理模块支持自定义报警阈值，当设备参数异常时即时触发声光报警，并对报警信息进行分级分类管理，方便操作人员快速检索与处理。此外，软件预留标准化接口，可与船舶管理系统无缝对接，实现数据共享与协同，为船舶运营决策提供全面的数据支撑。

四、系统通信网络设计

（一）通信协议选择

船舶自动化监控系统采用多种通信协议实现数据传输。对于 PLC 与传感器、执行器之间的通信，选用 ModbusRTU 协议，该协议具有通信速率快、稳定性高、易于实现等优点，适用于近距离设备通信；在 PLC 与人机界面之间，采用 PROFINET 协议，能够实现高速、实时的数据传输，满足人机界面实时显示船舶运行状态的需求；为实现船舶监控系统与岸上管理中心的远程通信，选用 GPRS/4G 通信模块，通过蜂窝网络将船舶运行数据传输至岸上数据中心，方便岸基人员进行远程监控和管理。

（二）网络拓扑结构设计

系统采用分层分布式网络拓扑结构，分为现场设备层、控制层和管理层。现场设备层由传感器、执行器等现场设备组成，负责数据采集和设备控制；控制层以 PLC 为核心，实现对现场设备的集中控制和数据处理；管理层包括人机界面和通信服务器，用于船员操作和数据管理，并实现与外部系统的通信。各层之间通过相应的通信网络连接，确保数据可靠传输。

五、系统测试与验证

（一）硬件测试

对系统硬件进行逐一测试，检查PLC 模块、传感器、执行器、通信设备等是否正常工作。测试内容包括电源模块输出电压是否稳定、I/O 模块输入输出信号是否准确、传感器测量数据是否可靠、执行器动作是否正常等。通过模拟实际运行环境，对硬件设备进行长时间运行测试，检验其稳定性和可靠性。

（二）软件测试

软件测试分为功能测试、性能测试和稳定性测试。功能测试验证各软件模块是否实现预定功能，如数据采集是否准确、逻辑控制是否正确、报警功能是否灵敏等；性能测试主要测试系统的数据处理速度、响应时间等指标，确保系统满足实时性要求；稳定性测试通过长时间运行软件，观察系统是否出现死机、数据丢失等异常情况，确保软件运行稳定。

（三）系统联调测试

在硬件测试和软件测试完成后，进行系统联调测试。将硬件设备和软件程序进行集成，模拟船舶实际运行场景，测试系统整体功能和性能。检查各模块之间的数据传输是否正常、控制逻辑是否协调、人机界面显示是否准确等。通过联调测试，发现并解决系统存在的问题，确保系统能够稳定、可靠地运行。

结束语

综上所述，基于 PLC 的船舶自动化监控系统通过合理的硬件设计和软件编程，实现了对船舶设备的实时监测与智能控制，在提高船舶运行安全性、管理效率和降低运营成本等方面具有显著优势。随着 PLC 技术和自动化技术的不断发展，船舶自动化监控系统将更加智能化、高效化，为航运业的可持续发展提供有力支撑。

参考文献：

[1] 吴迪 . 基于 PLC 的电气自动化仪表监控系统的设计研究 [J]. 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 .2024(06):0086-0089

[2] 何冬康 , 夏雨 , 赵云俊 . 基于工业互联网的自动化生产线监控系统设计 [J]. 自动化应用 .2024(24):149-152

[3] 张坤平 , 武静 . 基于 PLC 的电气设备自动控制冷却监控系统设计 [J]. 信息记录材料 .2024(01):63-65

[4] 周睿, 曹吉胤, 郑贤中, 张刚, 杨侠, 杨清. 基于PLC 的船舶供油控制系统设计[J].机械工程与自动化 ,2023(2):155-157

[5] 李德珊 . 考虑液压舵机系统故障的轮船航向动态状态反馈控制方法 [J]. 广州航海学院学报 ,2024,32(3):44-48