船舶分布式智能損管監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

謝 坤

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船舶分布式智能損管監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

謝 坤1,2

(1. 中國(guó)船舶研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；2. 上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

針對(duì)影響船舶安全的各種損害隱患問(wèn)題，將可計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用到船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)中。對(duì)該系統(tǒng)的功能、組成和原理進(jìn)行分析，建立損管監(jiān)控臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備、各類傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系，提出了船舶損管監(jiān)控方法。在半實(shí)物仿真試驗(yàn)、陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和實(shí)船上對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)提高船舶損害隱患的管控水平，保證了船舶的安全性、可靠性和生命力。

船舶損管監(jiān)控系統(tǒng) 傳感器 可編程邏輯控制器 損管監(jiān)控臺(tái)

0 引言

船舶在使用過(guò)程中，會(huì)因戰(zhàn)時(shí)受導(dǎo)彈、魚(yú)雷、水雷和炮彈等武器的攻擊或平時(shí)因碰撞、擱淺、起火、爆炸等事故產(chǎn)生影響船舶安全的各種損害隱患(如火災(zāi)、浸水等)，如果不采取及時(shí)有效地?fù)p害管制(以下稱“損管”)措施，就會(huì)對(duì)船舶的安全性構(gòu)成極大的威脅。船舶因?yàn)槌醮螕p傷而直接喪失生命力的是少數(shù)，快速、準(zhǔn)確地定位損害隱患并迅速采取有效的措施是提高其生命力的重要手段。損管的目的在于將船舶維持在正?；蚪咏５墓ぷ鳝h(huán)境下，保障船舶的安全性。

要保障船舶的安全性、可靠性和生命力，迫切需要建立一套功能齊全、技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備可靠、響應(yīng)快速的損管系統(tǒng)來(lái)實(shí)施損害管制。而且，在船舶上安裝損管監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為保證相關(guān)人員及時(shí)掌握全船安全狀況的關(guān)鍵。目前，船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，特別是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)的高速發(fā)展，損管監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐步發(fā)展成為具有可視化、可評(píng)估、可決策、可控制、可預(yù)測(cè)功能的現(xiàn)代智能化系統(tǒng)[1,2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯上采用基于管理層、控制層、數(shù)據(jù)層三層模型的系統(tǒng)架構(gòu)，其承載實(shí)體分別是損管監(jiān)控臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備、各類傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3,4]。

圖1 船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)基本系統(tǒng)架構(gòu)圖

管理層通過(guò)人機(jī)交互來(lái)完成。損管監(jiān)控臺(tái)能夠以圖形化的方式顯示損管系統(tǒng)的狀態(tài)，并能將控制指令傳送到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

控制層是核心的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備。它分布在全船各艙室，采集數(shù)據(jù)信息傳送到網(wǎng)絡(luò)，接收控制指令將其發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備，執(zhí)行指令相應(yīng)的操作。

數(shù)據(jù)層包括各種終端設(shè)備，如傳感器、本地處理控制器、執(zhí)行器等。

管理層、控制層、數(shù)據(jù)層三層模型分離了人機(jī)交互與控制的功能及數(shù)據(jù)層和控制層，增強(qiáng)了可維護(hù)性和安全性[5,6,7]。圖2為損管監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)工作流程框圖。

圖2 損管監(jiān)控系統(tǒng)工作流程框圖

2 系統(tǒng)組成

船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)包括控制保護(hù)、運(yùn)行管理等功能模塊。船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖

控制保護(hù)模塊由抗沉防沉、滅火、液艙、艙門、輔機(jī)等監(jiān)控子系統(tǒng)組成?？钩练莱帘O(jiān)控子系統(tǒng)顯示船體水密性、浮態(tài)、姿態(tài)等狀態(tài)信息，指導(dǎo)疏排水、浮態(tài)調(diào)整、姿態(tài)調(diào)整等抗沉防沉操作；滅火監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火情，指導(dǎo)人員疏散、隔離火源、遙控釋放滅火劑等滅火操作；液艙監(jiān)控子系統(tǒng)顯示各燃油艙和淡水艙的裝載量，計(jì)算并顯示目前船舶的續(xù)航力、自持力狀況；艙門監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控門和蓋的開(kāi)閉情況；輔機(jī)等監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)控船上重要輔機(jī)的啟停、運(yùn)行或故障報(bào)警信息。運(yùn)行管理模塊由綜合監(jiān)控、運(yùn)行支持等子系統(tǒng)組成。

船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備包括損管監(jiān)控臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、信號(hào)處理設(shè)備、執(zhí)行元件等；此外，還包括采集溫度、煙霧、浸水、轉(zhuǎn)速、濕度、壓力、液位等損管系統(tǒng)實(shí)時(shí)參數(shù)的先進(jìn)傳感器或測(cè)量?jī)x器。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1損管監(jiān)控臺(tái)

損管監(jiān)控臺(tái)實(shí)時(shí)顯示船舶的抗沉防沉、滅火、液艙、艙門、輔機(jī)等損管狀態(tài)。損管監(jiān)控臺(tái)的架構(gòu)圖如圖4所示。損管監(jiān)控臺(tái)由標(biāo)準(zhǔn)顯示單元、專用顯示單元、人機(jī)接口計(jì)算機(jī)、任務(wù)處理計(jì)算機(jī)以及鼠標(biāo)、鍵盤、專用操控單元組成。

圖4 損管監(jiān)控臺(tái)架構(gòu)圖

損管監(jiān)控臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備/數(shù)據(jù)處理設(shè)備的主要信息通過(guò)雙冗余以太網(wǎng)傳輸，與安全運(yùn)行密切相關(guān)的顯示和控制信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或硬接線來(lái)完成，確?？煽啃訹8,9]。

3.2現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備/數(shù)據(jù)處理設(shè)備

數(shù)據(jù)處理設(shè)備通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集損管系統(tǒng)主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后過(guò)上傳至全船以太網(wǎng)，并在觸摸屏上進(jìn)行顯示；現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備接受管理層指令，經(jīng)處理后對(duì)各類傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行集中控制和參數(shù)設(shè)定。

數(shù)據(jù)處理設(shè)備/現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備均由柜體結(jié)構(gòu)、可編程邏輯控制器（簡(jiǎn)稱PLC，含電源、處理器、通信模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等若干模塊）、觸摸屏等組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的架構(gòu)圖如圖5所示[7]。

圖5 數(shù)據(jù)處理設(shè)備/現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)處理設(shè)備/現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備基本配置如下：

a）PLC：用于參數(shù)運(yùn)算與程序控制，采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，選用電源模塊SITOP 24V/2.5A，CPU模塊CPU 224XP CN AC/DC/繼電器、離散量混合輸入/輸出模塊EM 223 CN 24V DC 16 輸入/16 輸出，離散量繼電器輸出模塊EM223 CN 24V DC 16 輸入/16 繼電器輸出，模擬量混合輸入/輸出模塊EM 235 CN、PROFIBUS-DP 模塊EM 277、通用機(jī)架。

b）觸摸屏：用于信息顯示與操作控制，采用SIEMENS公司的TP 270 10英寸觸摸屏。觸摸屏在Windows 環(huán)境下使用ProTool 軟件進(jìn)行組態(tài)，通過(guò)與PLC進(jìn)行通信，作為其上位機(jī)。

3.3各類傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

傳感器完成損管系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)、報(bào)警信息的實(shí)時(shí)采集，并以離散量和模擬量信號(hào)的形式上傳至PLC[9]。

損管監(jiān)控系統(tǒng)中主要有溫度、煙霧、浸水、轉(zhuǎn)速、壓力、液位等各類傳感器。溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)主機(jī)、輔機(jī)的滑油溫度、冷卻水溫度和艙室的空氣溫度，煙霧傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)火災(zāi)可燃物不充分燃燒引起的煙霧，浸水傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)水密性故障引起的漏水現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)主機(jī)、輔機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓力傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)主機(jī)、輔機(jī)的滑油壓力，液位傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)燃油艙油位或液艙的水位。通過(guò)程序?qū)鞲衅鞯膮?shù)進(jìn)行配置，一旦傳感器參數(shù)異常，損管監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急操作。

4 系統(tǒng)軟件

船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)的軟件由現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備軟件和損管監(jiān)控臺(tái)軟件兩部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備軟件包括PLC軟件和觸摸屏人機(jī)交互界面軟件，損管監(jiān)控臺(tái)軟件包括人機(jī)交互界面軟件和任務(wù)處理軟件。現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備PLC與觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)之間通過(guò)OPC協(xié)議以服務(wù)器/客服端的模式進(jìn)行通訊[10]。

如圖6所示，船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、處理和顯示三部分軟件。其中數(shù)據(jù)采集和處理部分部署在服務(wù)器端，即現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備PLC，數(shù)據(jù)顯示部分部署在客戶端，即觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)。通過(guò)OPC服務(wù)器/客服端的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)船舶損管監(jiān)控信息實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢。

圖6 損管監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖

4.1現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備軟件

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備PLC的軟件組態(tài)在施耐德UnityPro V5.0組態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)，觸摸屏軟件采用基于Windows平臺(tái)的Visual Studio集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)環(huán)境開(kāi)發(fā)。

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備PLC接收傳感器實(shí)時(shí)采集的損管系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報(bào)警信息，經(jīng)PLC組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)上進(jìn)行顯示。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備PLC接受觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)指令，經(jīng)處理后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行直接控制。

如圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備軟件的實(shí)現(xiàn)流程分為四個(gè)部分：

圖7 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備軟件流程圖

1）系統(tǒng)初始化、自檢：現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備通電，PLC軟件、觸摸屏軟件自動(dòng)運(yùn)行，并進(jìn)行通訊設(shè)置和參數(shù)配置。自檢的目的主要是檢測(cè)相應(yīng)部件是否能夠正常工作。通過(guò)按下自檢按鈕，依次點(diǎn)亮現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備觸摸屏軟件界面的損管報(bào)警燈和損管故障燈，其次是現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備蜂鳴器鳴叫。

2）損管信息顯示及報(bào)警：傳感器實(shí)時(shí)采集的損管系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報(bào)警信息，上傳至PLC的離散量混合輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊，經(jīng)PLC組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)上進(jìn)行顯示及聲光報(bào)警。

3）損管控制指令下達(dá)：操作人員通過(guò)觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)人機(jī)交互界面軟件下達(dá)控制指令，PLC軟件接收指令并進(jìn)行內(nèi)部邏輯處理，通過(guò)PLC的離散量混合輸入/輸出模塊、離散量繼電器輸出模塊、模擬量輸出模塊對(duì)滅火劑、現(xiàn)場(chǎng)電控閥、電機(jī)等執(zhí)行器進(jìn)行直接控制。

4）設(shè)備故障分析與處理：在觸摸屏、損管監(jiān)控臺(tái)上通過(guò)聲光報(bào)警、文字形式正確反應(yīng)電氣元件發(fā)生的故障或者不正常運(yùn)行狀態(tài)。

4.2損管監(jiān)控臺(tái)軟件

損管監(jiān)控臺(tái)人機(jī)交互界面軟件采用基于Windows平臺(tái)的Wonderware集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)環(huán)境開(kāi)發(fā)，任務(wù)處理軟件采用給予Vxworks操作系統(tǒng)的Tornado開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

如圖8所示，人機(jī)交互界面軟件提供船舶損管系統(tǒng)主要設(shè)備的集中監(jiān)控和運(yùn)行管理，通過(guò)雙冗余以太網(wǎng)接收損管系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)及報(bào)警等信息，在顯示器屏幕上顯示并提供損管輔助決策信息，操作人員通過(guò)屏幕軟操下達(dá)相關(guān)控制指令。

圖8 人機(jī)界面軟件架構(gòu)圖

任務(wù)處理軟件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或串口接收實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的重要運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)及報(bào)警信息并顯示，同時(shí)通過(guò)硬操按鈕、開(kāi)關(guān)等下達(dá)相關(guān)控制指令。

任務(wù)處理軟件與人機(jī)界面軟件之間的通信可通過(guò)基于CORBA技術(shù)規(guī)范的中間件實(shí)現(xiàn)[11,12]。損管監(jiān)控臺(tái)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 損管監(jiān)控臺(tái)的軟件體系結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)可視化、可評(píng)估、可決策、可控制、可預(yù)測(cè)功能快速、準(zhǔn)確地定位損害隱患并迅速指導(dǎo)采取有效的措施，阻止或減少損害程度，將船舶維持在正?；蚪咏５墓ぷ鳝h(huán)境下，保障船舶的安全性。半實(shí)物仿真試驗(yàn)、陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和實(shí)船應(yīng)用表明，船舶損管監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)保障船舶的安全性、可靠性和生命力具有重大作用和深遠(yuǎn)意義。

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Ship’s Distributed Intelligent Damage Control System

Xie Kun1,2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

TP273

A

1003-4862（2016）08-0005-05

2016-03-07

謝坤（1986-），男，博士研究生，工程師。研究方向：船舶電氣自動(dòng)化。