大型耙吸挖泥船綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計

袁 偉，俞孟蕻，張洪濤

(1．江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江212003;2．鎮(zhèn)江市億華系統(tǒng)集成有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003)

大型耙吸挖泥船綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計

袁 偉1，俞孟蕻1，張洪濤2

(1．江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江212003;2．鎮(zhèn)江市億華系統(tǒng)集成有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003)

為了實現(xiàn)對大型耙吸挖泥船全船的綜合控制，根據(jù)挖泥船監(jiān)控系統(tǒng)的安全規(guī)范要求，構建一體化系統(tǒng)信息交互共享的無縫集成平臺，并通過工業(yè)以太網(wǎng)技術、現(xiàn)場總線技術、PLC技術和軟件編程技術實現(xiàn)了船舶航行、挖泥集成控制、疏浚軌跡顯示、全船功率管理、機艙監(jiān)測報警和挖泥輔助決策的互通、互聯(lián)、互操作。運行表明該系統(tǒng)具有良好的性能，提高了挖泥船作業(yè)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，在大型耙吸挖泥船上具有較好的推廣應用價值。

大型耙吸挖泥船;綜合監(jiān)控系統(tǒng);工業(yè)以太網(wǎng);IFIX

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，挖泥船的服務領域越來越廣泛。未來一個時期，我國的港口建設和海洋經(jīng)濟都將進入快速增長期，我國是世界第三貿易大國和世界第一港口大國，90%的外貿貨物由海運完成，增加和維護航道水深以及臨港工業(yè)園區(qū)的吹填造地，年新增疏浚量上億立方，這需要新增上百艘現(xiàn)代大型挖泥船來完成。而現(xiàn)代化大型耙吸挖泥船由于技術形態(tài)日臻完善，已成為國內外大型疏浚企業(yè)的主干力量［1－2］。

縱觀21世紀國際挖泥船控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢和特色，耙吸挖泥船自動化系統(tǒng)將不斷向全船綜合自動化層面拓展，它是集機艙自動化、航行自動化、作業(yè)自動化等于一體的多功能綜合系統(tǒng)，最大程度地提高船舶航行與作業(yè)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性［2］。國外挖泥船控制系統(tǒng)以荷蘭IHC為代表，中港疏浚從荷蘭IHC進口的“新海龍”號耙吸挖泥船代表國內最先進的控制水平。IHC將挖泥、功率管理、機艙報警、和航行監(jiān)控綜合集成到一個整體。IHC挖泥船綜合控制系統(tǒng)使用冗余光纖環(huán)網(wǎng)將安裝在船上各個位置的獨立可編程邏輯控制器連接起來，由服務器和多臺獨立的監(jiān)控工作站組成，實現(xiàn)對全船的控制［3］。

本文采用現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)連接船上各個控制模塊、服務器、工作站，研制出一套綜合控制系統(tǒng)。它具有耙管位置顯示、吃水裝載顯示、推進系統(tǒng)控制、液壓控制、疏浚系統(tǒng)控制、機艙監(jiān)測報警、功率管理等多項遙測遙控和顯示功能;通過計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的信息綜合，實現(xiàn)疏浚過程的輔助決策支持、疏浚機理分析和復雜智能控制，提高挖泥船的自動化水平和施工效率。本文主要介紹挖泥船綜合控制系統(tǒng)的組成和功能、系統(tǒng)硬件配置、系統(tǒng)軟件設計。

1 系統(tǒng)組成和功能

耙吸挖泥船綜合控制系統(tǒng)主要由以下幾個子系統(tǒng)組成：

1)挖泥集成控制系統(tǒng)。由疏浚儀器 (耙管位置、真空度、壓力、流量、吃水、裝載、產量、測量設備、真空度、壓力和流量的測量設備，泥漿溢流和波浪補償器位置指示器等)、計算機、變送及執(zhí)行機構、可編程控制器、傳感器等組成［4］。系統(tǒng)具有耙管、水下泵、泥泵、疏浚閘閥、泥門、高壓沖水、液壓系統(tǒng)的控制與監(jiān)視，吃水裝載顯示和應急控制功能。

2)疏浚軌跡顯示系統(tǒng)。由RTK GPS、電羅經(jīng)、AIS、測深儀、潮位接收機、工作站等組成。它用于耙吸挖泥船的疏浚軌跡監(jiān)控，通過全船的計算機網(wǎng)絡，將測量設備或傳感器所采集和觀測數(shù)據(jù)或信息傳送給疏浚軌跡顯示系統(tǒng)工作站［5］。系統(tǒng)軟件有二大顯著功能：一是具有動態(tài)驗潮數(shù)學模型的功能，它能夠及時計算和獲得瞬時潮位;二是具有建立數(shù)字地形模型圖數(shù)學模型的功能，它不僅能構建疏浚區(qū)域的理論水下數(shù)字地形模型圖，而且還能根據(jù)疏浚狀況，及時更新水下數(shù)字地形模型圖，以便操作人員判斷或決策。

3)動態(tài)定位和動態(tài)跟蹤系統(tǒng)。由DGPS、電羅經(jīng)、風向風速儀、姿態(tài)儀、主推子系統(tǒng)、側推子系統(tǒng)、舵機子系統(tǒng)、控制器、控制臺等組成。該系統(tǒng)是用于船舶定位、精確挖泥的自動控制裝置，是挖泥船控制系統(tǒng)的一個組成部分［4］。系統(tǒng)能夠幫助挖泥船在特殊施工狀況下按預先設定好的航跡進行挖泥作業(yè)、拋泥作業(yè)、定點首吹/首噴作業(yè)。

4)功率管理系統(tǒng)。由2臺冗余的可編程邏輯控制器、測量傳感器、變送器、空氣開關相連，完成整個電站的控制與監(jiān)測。該系統(tǒng)能夠有效地保證各個設備之間的功率在配電板中進行轉換，實現(xiàn)自動分級卸載，自動解列，保證軸帶發(fā)電機能夠正常啟動;自動啟動主發(fā)電機;自動卸載其他設備的功率，啟動首側推;防止主機過載;防止軸帶發(fā)電機過載;防止主變壓器過載［6］。針對不同工況組合實現(xiàn)高效疏浚的功率分配自動控制。

5)機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)。機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)由多個現(xiàn)場監(jiān)控單元組成，監(jiān)控單元分布全船，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)連接。系統(tǒng)具有TCP/IP以太網(wǎng)接口，通過全船計算機網(wǎng)絡，與其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。同時設有延伸報警系統(tǒng)，在居住區(qū)域和駕駛室安裝有延伸報警板，其目的在于萬一在機艙控制室無人操作期間發(fā)生報警時，可在這些區(qū)域顯示報警并引起值班輪機員注意。

6)計算機輔助決策。計算機輔助決策系統(tǒng)根據(jù)綜合控制系統(tǒng)服務器中的挖泥船設備狀況的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對實時工況數(shù)據(jù)進行采集，通過疏浚過程分析，由計算機分析對應土質下各種優(yōu)化參數(shù)，分析產量與挖掘與輸送設備運轉參數(shù)間的關系。對施工參數(shù)進行優(yōu)化，給出最優(yōu)的施工控制參數(shù)，達到計算機輔助決策的目的［7］。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

耙吸挖泥船綜合控制系統(tǒng)采用2層網(wǎng)絡結構，現(xiàn)場過程級由可編程控制器系統(tǒng)構成，管理級由服務器和工作站構成，實現(xiàn)對挖泥集成控制系統(tǒng)、機艙監(jiān)測報警、動力定位系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控與管理。該系統(tǒng)由傳感器、PLC、以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、工作站計算機和服務器等組成。在系統(tǒng)中，以太網(wǎng)實現(xiàn)各個子系統(tǒng)PLC控制器、工作站計算機與服務器之間的高速互聯(lián)，工作站用于組態(tài)、監(jiān)控和歷史趨勢的顯示等;服務器則用于采集、記錄數(shù)據(jù);服務器/數(shù)據(jù)庫冗余、工作站冗余、網(wǎng)絡冗余、不間斷電源供電等，實現(xiàn)挖泥船自動化系統(tǒng)冗余和加固，提高了耙吸挖泥船控制系統(tǒng)的可靠性。其結構如圖1所示。

系統(tǒng)網(wǎng)絡包括2個光纖環(huán)網(wǎng)：1#光纖環(huán)網(wǎng)包括12臺網(wǎng)絡交換機，連接3臺服務器、6臺SCADA工作站、疏浚軌跡顯示工作站、ECDIS工作站、動態(tài)定位和動態(tài)跟蹤系統(tǒng)工作站;2#光纖環(huán)網(wǎng)包括9臺網(wǎng)絡交換機，連接服務器和PLC。1#、2#光纖環(huán)網(wǎng)均相對獨立，彼此之間沒有直接的物理鏈路連接。3臺服務器均安裝2個網(wǎng)卡，分別連接到1#、2#光纖環(huán)網(wǎng)上，作為1#、2#光纖環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)橋。

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖Fig.1 Integrate monitoring system network structure

3 系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)控管理級由服務器和工作站構成，服務器采用惠普 G5系列工業(yè)級服務器，3臺服務器中，Server1和Server2具備熱切換功能，熱切換無需人工干預，在Server1故障的情況下自動完成，Server3作為歷史數(shù)據(jù)服務器;工作站采用研華610工業(yè)控制計算機。每個工作站具有完全相同的應用軟件系統(tǒng)，互為備份，大大提高了系統(tǒng)實船使用的可靠性。由于系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)結構，任何功能的工作站均可在任意的地點開設，極大地方便了挖泥船的設計與布置。過程級由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡、智能信號采集/控制模塊、PLC系統(tǒng)構成，其主要任務是完成系統(tǒng)信號的采集與輸出，并進行信號傳輸。

3.1 網(wǎng)絡設備

以太網(wǎng)絡采用100 M工業(yè)以太網(wǎng)，符合IEEE802.3標準，執(zhí)行TCP/IP協(xié)議。通信介質采用光纜。工業(yè)以太網(wǎng)交換機Siemens X204－2是專為工業(yè)應用而設計，它具有高性能的交換機技術，冗余的環(huán)網(wǎng)性能，并且能夠匯報動態(tài)狀態(tài)。X204－2帶寬為100 Mb，帶有4個RJ－45接口，2組光纖接口，管理型，帶有獨立IP，DC24V雙路供電，帶有報警輸出。NPort網(wǎng)關能實現(xiàn)RS232和以太網(wǎng)的互聯(lián);它是構成二層混合型網(wǎng)絡結構的互聯(lián)設備。

3.2 PLC系統(tǒng)

本船包含一套完整的PLC系統(tǒng)，用于推進、電站、挖泥和液壓系統(tǒng)控制。系統(tǒng)由以下PLC構成(PLC1——橋樓PLC;PLC2——首PLC;PLC3——尾PLC;PLC4——mimic 控制 PLC;PLC5——mimic 控制 PLC;PLC6——左主推進 PLC;PLC7——右主推進PLC;PLC8——DP/DT PLC)。PLC 軟件儲存在PLC本體的FLASH內。PLC內部的CPU供電采用AC220V－DC24V雙路供電，驅動回路嚴格按照模塊、輸入回路、輸出回路進行供電。PLC采用AB公司的ControlLogix 5000系列PLC，所有的PLC通過以太網(wǎng)模塊與帶有冗余功能的光纖環(huán)網(wǎng)、服務器和相鄰的PLC連接。PLC1通過ControlNet總線與PLC8相連;PLC4、PLC5、PLC6、PLC7之間通過ControlNet總線相互連接。為了克服現(xiàn)場干擾，所用的傳感器選用輸出電流為4～20 mA直流信號的傳感器。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由服務器和工作站組成，服務器軟件選用Windows 2000 Server，工作站軟件選用Windows XP。下位機實時監(jiān)控軟件選用可編程邏輯控制程序的標準軟件RSlogix 5000，可使用梯形圖邏輯，功能塊圖或語句表對系統(tǒng)進行編程與監(jiān)控。人機界面采用IFIX 4.0組態(tài)軟件，iFIX SCADA/HMI組態(tài)軟件擁有豐富的圖庫資源可供工程人員利用，還可以利用第三方ActiveX控件，通過編輯VBA腳本實現(xiàn)獨特的功能。系統(tǒng)中采取I/O服務器互為熱備冗余 (Server1和Server2熱備冗余)，包括系統(tǒng)的安全配置、歷史曲線數(shù)據(jù)和報警信息(報警信息保存在關系型數(shù)據(jù)庫中)都保存在兩臺I/O服務器中，所有工作站的SCU配置都是在I/O服務器中讀取數(shù)據(jù)，這樣既保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性，又利于系統(tǒng)安全配置的修改。綜合監(jiān)控系統(tǒng)共有76個監(jiān)控界面，85個診斷界面。圖2為左右耙臂組合顯示圖，圖3為DLM泥艙裝載過程。

圖2 左右耙臂組合顯示界面Fig.2 PS pipe and SB pipe display interface

圖3 泥艙裝載過程界面Fig.3 Hopper loading process interface

4.1 系統(tǒng)軟件功能

1)對整個液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)：疏浚閘閥、高壓沖水蝶閥、大泥門、小泥門、錨機、系泊絞車、首吹接頭絞車、耙管等進行監(jiān)視、遙控控制、狀態(tài)指示;

2)對主機進行監(jiān)視和狀態(tài)指示;

3)對可調槳進行監(jiān)視、遙控控制、狀態(tài)指示，并且與功率管理系統(tǒng)聯(lián)系;

4)主配電板在線監(jiān)視，不同功率模式的切換;

5)船舶綜合態(tài)勢的顯示;

6)過程數(shù)據(jù)顯示及自動控制功能，如：耙管位置顯示、吃水、裝載量、干土方等數(shù)據(jù)監(jiān)視;

7)疏浚軌跡的顯示，疏浚系統(tǒng)的自動報表、歷史趨勢圖、診斷、記錄等功能。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

實時數(shù)據(jù)庫作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)來源，對整個監(jiān)控系統(tǒng)來說十分重要。在創(chuàng)建IFIX實時數(shù)據(jù)庫前，需要：1)按照不同子系統(tǒng)和不同類型設備分別設計數(shù)據(jù)及其類型;2)監(jiān)控數(shù)據(jù)的I/O驅動器或OPC服務器地址列表;3)報警要求。在設計實時數(shù)據(jù)庫時，為了提高數(shù)據(jù)庫的查詢速度和便于瀏覽監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)庫中標簽的命名遵守一定的規(guī)則。在該項目中，采用了3級標簽命名法，即設備名、數(shù)據(jù)塊名和數(shù)據(jù)類型，相互之間用下劃線分開。設備名標明該標簽代表的數(shù)據(jù)是屬于哪個監(jiān)控分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)塊名是該系統(tǒng)中進行某一具體監(jiān)測與控制的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型進一步說明了該數(shù)據(jù)是輸入還是輸出，是模擬量還是開關量等重要信息［8］。標簽名的設備名和數(shù)據(jù)塊名都取拼音字母的首位并大寫。這一標簽命名方式不僅大大減少了在實時數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)重復標簽的機會，而且提高了數(shù)據(jù)庫的檢索速度。系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。

4.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

OPC(OLE for Process Control)是一套為基于Windows操作平臺的工業(yè)應用程序之間提供高效信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準，它以微軟的分布式組件對象模型COM/DCOM/C0M+技術為基礎，采用客戶/服務器模式［8］。OPC服務器是數(shù)據(jù)的供應方，負責為OPC客戶提供所需的數(shù)據(jù);OPC客戶是數(shù)據(jù)的使用方，處理OPC服務器提供的數(shù)據(jù)。在使用OPC的過程中，總是包括OPC服務器與OPC客戶端，OPC服務器一般并不知道它的客戶來源，由OPC客戶根據(jù)需要，接通或斷開與OPC服務器的連接。

系統(tǒng)控制器主要由ControlLogix 5561 PLC組成，各PLC通過1756－ENBT與以太網(wǎng)連接，RSlinx是一個OPC服務器，iFIX軟件本身帶有OPC Client驅動，這樣iFIX就可以和ControlLogix 5561進行通信。對于綜合監(jiān)控系統(tǒng)中DGPS、羅經(jīng)、多波束測深儀、風向風速儀等串口類設備，在iFIX通過編輯VBA腳本實現(xiàn)串口類設備的數(shù)據(jù)采集。

5 結語

該綜合監(jiān)控系統(tǒng)，已成功應用于某航道局10 000方耙吸挖泥船。系統(tǒng)運行表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定尤其是軟件系統(tǒng)，并且具有調試維護方便，系統(tǒng)的實用性、可靠性和自動化程度高等特點。它提高了挖泥船控制系統(tǒng)的自動化水平和管理水平，提高了疏浚效率和精度，降低了疏浚能耗和成本，同時可降低工程費用，已在多艘耙吸挖泥船上使用，具有很好的推廣應用價值。

［1］IHC．Advanced measurement，automation and control systems for mining［J］．Ports and Dredging．2004(162)：24 －28．

［2］IHC．Efficient dredging：the next generation．Proceedings of WODCON XVII，September 2004 in Hamburg Germany．

［3］俞孟蕻，陳紅衛(wèi)，王欣．耙吸挖泥船集成平臺管理系統(tǒng)的研究［J］．船舶工程．2004，26(4)：52－55．

［4］IHC．IHC dynamic positioning and tracking system －DP/DT［EB/OL］．IHC Systems，2000．

［5］張戟，諸葛瑋．耙吸挖泥船信息化監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)［J］．水運工程，2010(6)：30－36．

［6］陳夢．功率管理系統(tǒng)在耙吸挖泥船中的應用［J］．船舶與海洋工程，2012(1)：26－33．

［7］BRAAKSMA J，BABUSKA R，KLAASSENS J B，KEIZER C D．Model predictive control for optimization the overall dredging performance of a trailing suction hopper dredger［C］．Proceedings of the 18thWorld Dredging Congress，2007：1263－1274．

［8］OPC Foundation．OPC technical overview［EB/OL］．WWW．Startmag．com/Specialissues．asp#OPC．

The design of integrated control system for large trailing suction dredges

YUAN Wei1，YU Meng-hong1，ZHANG Hong-tao2
(1．School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China;2．Zhenjiang Grandsino System Integration Co．Ltd，Zhenjiang 212003，China)

In order to achieve the integrated control of large trailing suction hopper dredgers，an seamless integration platform is constructed for integrated interactive sharing of system information according to safety regulations for monitoring system of dredgers．In addition，industrial Ethernet technology，fieldbus technology，PLC technology and software programming technology achieve interwork，interconnection and interoperability of ship navigation， integrated control of dredging， dredging track display， power management，monitoring and alarm system of engine room and auxiliary decision-making of dredging．The operation shows that the system improves safety，reliability and economy for operation of the dredger，which proves that it has good performance and application value in large trailing suction hopper dredgers．

trailing suction dredges;integrated control system;ethernet;IFIX

U674．31

A

1672－7649(2014)06－0117－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.023

2013－09－29;

2013－10－24

2011年國家重大科技成果轉化項目

袁偉(1981－)，男，博士，講師，研究方向為工程船集成控制系統(tǒng)、船舶運動控制。