摘要
泵组是深海钻探中RMR的重要设备，通常安放在深水中，为了实现在船舶甲板操控房中便捷地掌握泵组运行情况及工作参数，本文设计了一套RMR水下泵组监控系统。该系统的硬件包含水下测控单元、脐带缆和甲板监控单元3部分，分别承担收集泵组工作参数与工作画面、为泵组供电与传输信息、显示和控制泵组工作参数等功能。使用光端机与脐带缆可实现信号远距离传输；水下测控单元采用两台相同规格的PLC，具有模块化设计的优点。该系统的上位机采用LabVIEW软件进行编程，具有操作简单，人机界面友好等优点；下位机采用Easybuilder软件对PLC进行编程，具有库函数强大、可读性好等优点。上位机与下位机通过标准Modbus RTU协议进行通讯。该系统进行软硬件联调测试，上位机能够正常读取、显示下位机外部设备的数据，控制下位机外部设备的开关、启停与通断，表明该系统能够很好地满足RMR水下泵组监控需求，同时该系统还具有可扩展性等优点。
无隔水管泥浆回收循环钻井（Riserless Mud Recovery，简称RMR）技术是在深海钻探中实施开路钻井时，利用水下泥浆举升泵和专用回流管线将水下井口返出的泥浆举升回输至钻井平台，从而实现泥浆闭路循环的辅助钻井系
水下举升泵组作为RMR系统泥浆回收动力核心装备，通常采用橇式结构安装于需要的水深环境中。为掌握泵组运行情况及工作状态参数，需要设置水下摄像机、水下灯及传感器等设备，并通过光电复合脐带缆将设备信号传输至船舶甲板控制房监控水下视频画面和各传感器参数。
本文基于LabVIEW虚拟仪器组态软件和PLC，采用Modbus通信技术，设计了一套RMR水下泵组监控系统：搭建系统上位机软件操控平台VI，上位机通过标准Modbus RTU协议功能码指令方式与下位机PLC通信，实现了显示水下传感器信号与控制水下设备的开关等功能，配合光端机、脐带缆及深海测控单元封装技术，实现在船舶甲板控制房对RMR水下泵组进行远程监控的功能，有效提高了RMR系统的自动化水平。
系统整体架构如
图1 系统架构框
视频监控部分如
测控部分上、下位机之间采用Modbus RTU主从协议架
系统硬件组成如
图2 系统硬件组成示意
针对PLC接入外部设备的IO点需求进行分析，对于PLC的IO点大致分为以下几类：
（1）外设开关量输出控制点。此类输出点主要是指水下摄像机、照明灯、云台、传感器、HPU电机以及电磁阀的电源开关、启停或通断控制，即开关量输出（DO）控制点。
（2）模拟量采集点。针对球阀1~球阀4开关状态的位置传感器，通过4~20 mA信号采集输入PLC；另有油补偿器油量信号通过0~5 V信号采集输入PL
（3）深度计及高度计数字输入。
对于深度计及高度计数据，通过RS232数字信号接入PLC。
综上，PLC外部IO点统计见
| I/O类型 | 说明 | 数量 |
|---|---|---|
| 开关量输出（DO） | 水下摄像机、照明灯、云台、深度计、高度计电源开关；HPU电机启动；阀门1~4油路电磁换向阀 | 16 |
| 模拟量输入AI（4~20 mA） | 球阀1~球阀4的角度位置 | 4 |
| 模拟量输入AI（0~5 V） | 油补偿器油量 | 1 |
| RS232 | 深度计、高度计数据 | 2 |
采集和控制电路设计主要围绕PLC接入外部设备电路和“水下—甲板”光端机电路开展。根据系统整体架构设计以及上、下位机主从站结构通信特点，结合PLC接入设备IO点需求，并将光端机及脐带缆作为远距离中继透传通道，设计系统采集控制电路如
图3 系统采集和控制电路
系统采集控制电路特点如下：
（1）考虑到系统外部IO点接入需求和模块化设计原则，使用了2台PLC（KTS2408_1和KTS2408_2）采用CAN总线通信方式扩展。
（2）根据基于RS232串口的Modbus RTU通信“一主一从”结构特点，仅有1台PLC（KTS2408_1）作为下位机从站，经光端机RS232通道透传与上位机进行通信。
PLC作为下位机主控单元，承担Modbus从站通信和外部设备采集接入和控制输出功能，是下位机的中
| 参数 | 指 标 | 参 数 | 指标 | |
|---|---|---|---|---|
| 产品型号 | KTS2408 | 输入端口 | 模拟量输入4~20 mA/0~10 V | 2/2（4/0） |
| 外形尺寸 | 165 mm×82 mm×20 mm | 电阻检测端口 | 4 | |
| CPU类型 | STM32F103VET7 | 开关量/上拉开关量输入 | 17/5 | |
| 通信口 | 1×CAN2.0B；2×RS232（Modbus RTU Slave） | 高速计数端口 | 2 | |
| 功耗 | 40 mA（无负载）~18A（最大）@8~31V DC | 输出端口 | 开关量输出 | 8（3 A） |
| 工作温湿度 | -40~85℃/95% | PWM输出 | 6 | |
| 存储 | 112 K（程序）/8 K（用户） | 传感器电源 | 5 V/30 mA | |
该PLC内置大电流驱动电路，无需中间继电器即可驱动24 V/3 A以内的电动阀，且内置了A/D转换模块可满足4~20 mA或0~10 V信号采集输入。数字接口方面，RS232串口支持标准Modbus RTU从站协议，CAN2.0B接口可作为系统与外部设备的数据交换和扩展接口。
光端机作为甲板—水下远距离传输光纤中继器，既承担了“网络—光纤”信号双向转换、“水下—甲板”单向传输的功能，又通过“串口—光纤”信号双向转换功能实现了上、下位机Modbus RTU通信的透传功能与云台RS485通信功能，是系统数据转换和传输的高速通道接驳站。其主要参数指标见
| 参数 | 指标 |
|---|---|
| 尺寸 | 95 mm×90 mm×20 mm |
| 供电 | 6~12 VDC，1 A |
| 光纤接口 | 单模单芯，FC接口 |
| 电气接口 |
视频×2；网络×2；RS232×2； RS485×3；RS485/RS422×1 |
软件系统的功能主要是作为系统上位机与下位机PLC进行通信，通信采用工业上广泛使用的标准Modbus RTU协议，通过Modbus功能码指令实现水下灯、摄像机、云台、传感器及水下HPU等设备的开关控制，以及读取PLC中采集的深度计、高度计、模拟量传感器数
根据前述系统硬件组成及PLC接入的外部设备IO点采集和控制需求进行分析，按数据读取和写入方向，对上位机软件主界面进行功能区域划分。
（1）数据查询读取区。上位机软件发送查询指令给下位机PLC进行数据读取进而实现信息显示，根据此需求列出3个功能区：下位机信息、测控舱状态和泵橇块状态。
（2）操控指令写入区。上位机软件发送操控指令给下位机PLC进行数据写入进而实现控制外部设备开关，根据此需求列出设备控制功能区。
软件编程采用顺序执行式编程结构思想，根据上位机主界面功能设计，结合软件运行接口调用参数配置基本需求，规划上位机软件程序流程如
图4 上位机软件程序流程
首先启动RMR泵组监控系统上位机，设置串口端口号（串口参数在程序中使用默认配置），然后点击运行按钮，程序初始化串
LabVIEW作为图像化编程软件，使用图形化代码块（VI，即Virtual Instrument，虚拟仪器）来构建程序，这些代码块通过连线来传递数
在本系统设计中，选择LabVIEW 2015作为上位机软件开发平台，并安装DSC模块或Real-Time模块以支持Modbus VI子程序命令库，通过该软件开发平台，设计程序代码（LabVIEW称“程序框图”）和人机交互界面（LabVIEW称“前面板”）。
在本系统上位机软件开发中，主要调用LabVIEW提供的Modbus VI子程序命令库（或称子函数）来搭建程序。
按顺序执行式结构编程思想，首先初始化串口，然后使用while循环结构，多次调用Modbus VI子程序，配置好各Modbus VI子程序通信地址及参
同样地，在while循环结构中多次添加调用Modbus VI子程序，并按需调用相关函数处理、传递、显示数据，直至完成所有上位机功能区设计数据的读取和写入。
前面板即上位机软件界面，分别设计“主界面”、“通信设置”、“设备组成架构”3个界面供操作者切换选择，各界面设计如下：
（1）主界面。主界面为软件主要工作界面见
图5 前面板设计
“下位机信息”功能区可读取RMR泵组监控系统的下位机模块编号、程序版本及累计运行、本次运行时间数值。
“测控舱状态”功能区可读取测控舱主舱内温湿度数据，以及分线箱油补偿器油量数值。
“泵橇块状态”功能区可读取举升泵温度，泵橇块的下放深度、离底高度和环境温度，以及RMR泵橇块泥浆管线各球阀的角度位置（开度）百分比数值。
“设备控制”功能区，鼠标点击控制摄像机、照明灯、深度计、高度计与云台的电源开关；控制HPU电机启停，控制球阀1~4对应电磁阀A/B口通断。照明灯2可通过鼠标按住并旋转旋钮实现该LED灯亮度百分比调节。
（2）通信设置。通信设置界面用来设置软件与下位机PLC通信串口端口号，打开软件后，会自动搜索计算机串口端口资源，并将搜索到的串口资源号显示在下拉菜单中，选择正确的串口端口号才能使软件与下位机成功通信。
（3）设备组成架构。本界面显示RMR泵组监控系统设备组成架构图，供操作人员查询参考。
KTS2408型PLC厂家提供了梯形图/STL语句编程和在线监测软件Easybuilder，该软件采用符合IEC 61131-3标准的编程语言，并内置了功能强大的指令和库函数可供直接调用，具有模块化、可读性好的特点。
（1）从站PLC编程。将作为Modbus RTU从站的PLC（KTS2408_1）通信参数设置好后，按数据采集和控制需求开展下位机PLC程序设计。
从站PLC的编程设计思想采用主程序顺序调用各子程序执行结构（如
图6 从站PLC主程序
子程序的设计则按各独立功能模块来进行模块化设计，对于各子程序模块功能设计如下：
①出厂设置：出厂设置子程序中内置了模块编号和程序版本信息。
②运行时间：通过调用PLC计时器和计数器指令，统计本次运行和累计运行时间。
③温湿度计：CAN总线接口读取测控舱内温湿度计数据。
④深度计：串口RS232读取深度计ASCII码数据，并转换成实数。
⑤PWM转0~5 V调光：通过PWM比例输出驱动转换板输出0~5 V，控制LED调光。
⑥上位机开关控制：将上位机操控指令转换至PLC的Q区控制外部设备开关、启停、通断。
⑦数据备份：对于需要掉电保存的数据，如系统累计运行时间等，传送至铁电区备份。
（2）扩展PLC编程。扩展PLC的编程主要处理高度计、油补偿器油量采集数据，另外，将与从站PLC的CAN通信交换数据经转换至PLC的Q区输出控制阀门1~4A/B口电磁阀换向。
在系统外部设备未全部接入或全部软硬件联调测试条件尚不具备情况下，先进行通信测试，如将泵橇块状态区数据对应的PLC寄存器地址通过MOV命令直接赋值，然后连接上、下位机运行测试。经测试，上位机主界面“泵橇块状态”显示数据正确。
在RMR水下泵组监控系统设计中，以LabVIEW作为上位机软件开发平台，充分利用了LabVIEW软件的图形化编程、与硬件结合度高的优点。系统设计采用工业上成熟度极高的标准Modbus RTU通信技术，直接调用软件内置的Modbus VI主站函数模块，结合使用内置Modbus从站协议的下位机PLC，以一种内置的、标准化集成的方式实现了上、下位机通信和测控功能，简化了程序设计流程，提高了系统轻量化、模块化程度和稳定可靠性，缩短了开发周期。同时LabVIEW具有很高的扩展性，后续将根据具体情况进一步改进该系统，使系统的功能更加完善。
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