船舶綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

姜濤 王永珊 鄭楚忠 李素美

摘 要：本文以我司建造的3 000 m水深多功能水下作業(yè)支持船為依托，介紹了復(fù)雜海工產(chǎn)品的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并作簡(jiǎn)要冗余度分析；總結(jié)了實(shí)船試驗(yàn)的內(nèi)容、流程和注意事項(xiàng)，為類似船舶的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：集成自動(dòng)化；設(shè)計(jì)；調(diào)試

中圖分類號(hào)：U674.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： By taking the 3 000 m deep water multi-purpose offshore construction vessel as an example， this paper introduces the design of integrated automation system for complex marine engineering ships， makes a simple redundancy analysis and summarizes the contents， procedures and matters needing attention during the ship's sea trial.

Key words： Integrated automation system； Design； Trial

1 前言

3 000 m水深多功能水下作業(yè)支持船能在3 000 m水深及復(fù)雜海況下作業(yè)，并且具有優(yōu)異的操縱性、耐波性和定位能力。該船配置有400 t大型海洋工程起重機(jī)（具有主動(dòng)升沉補(bǔ)償功能）、350 t A字架、250 t錨處理絞車、ROV等裝備，具有飽和潛水支持、立式深水柔性管鋪設(shè)、深水錨系處理作業(yè)、深水ROV（水下機(jī)器人）作業(yè)和IMR（檢驗(yàn)、維護(hù)和維修）作業(yè)支持能力。按中國船級(jí)社（CCS）和挪威船級(jí)社（DNV）現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，并取得如下船級(jí)符號(hào)：

CCS船級(jí)符號(hào)：

★ CSA， Special Purpose Ship （2008）， Ice Class B， DP-3， Lifting Appliance， Helicopter Facilities， PSPC（B）， In Water Survey

★ CSM， AUT-0， OMBO， Clean， COMF （NOISE 3）， COMF （VIB 3）

DNV船級(jí)符號(hào)：

+1A1， ICE-E， SPS， DPS3， CRANE， HELDK， BIS， COAT-PSPC（B）， CLEAN， E0， NAUT-OSV（A）， DK（+）， COMF-V（3）C（3）

本文主要針對(duì)為滿足這兩種符號(hào)要求的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)配置、調(diào)試和試驗(yàn)技術(shù)開展研究。

與一般海工船相比，該船作業(yè)功能更多、設(shè)備和系統(tǒng)更先進(jìn)、設(shè)備、管路和電纜布置更復(fù)雜。該船綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)配置具有系統(tǒng)更龐大、自動(dòng)化程度更高、接口更復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮其先進(jìn)性、可靠性、通用性、經(jīng)濟(jì)性和方便性，而對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的安裝和調(diào)試技術(shù)亦需要開展深入的研究。

該船的集成自動(dòng)化系統(tǒng)采用了西門子生產(chǎn)的產(chǎn)品，基于S7-400 PLC可編程序控制器，分布式信號(hào)采集，冗余設(shè)計(jì)。全船共有22個(gè)信號(hào)采集箱，兩臺(tái)服務(wù)器、兩個(gè)中央控制單元、10個(gè)工作站（OS）。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用光纖通訊、雙網(wǎng)冗余，可實(shí)現(xiàn)高速度、低干擾的數(shù)據(jù)傳輸，其冗余性大大地增加了船舶各數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的安全性。

該船綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須滿足DP3規(guī)范要求和FMEA分析驗(yàn)證，保證其航行要求和工程作業(yè)的安全可靠性，最大限度地規(guī)避由于單一故障導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓而造成的船舶的航行或作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。該綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)擁有近7300個(gè)報(bào)警點(diǎn)，其中硬線連接近4000個(gè)點(diǎn)，涉及與柴油機(jī)、電站、空調(diào)、主動(dòng)力等外部系統(tǒng)近40路通訊，能夠進(jìn)行電站功率管理（PMS）、閥門遙控、液位遙測(cè)、泵浦自動(dòng)切換、斷電自動(dòng)恢復(fù)等功能。

電源設(shè)計(jì)也采用了冗余設(shè)計(jì)，采用了220 VAC / 24 VDC電源設(shè)計(jì)，在每個(gè)信號(hào)采集箱都配備了不間斷電源UPS，以保證其在斷電情況下采集箱能夠工作30分鐘以上，其主回路電源220 V也采用了雙路供電，分別由主配電板及應(yīng)急配電板供電。

2 綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的配置

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

該船自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式總線監(jiān)控的形式，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)冗余度的要求，主網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)形式，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

綜合該船集成自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可分為三層：

（1）現(xiàn)場(chǎng)層

現(xiàn)場(chǎng)層的系統(tǒng)和設(shè)備獨(dú)立于全集成監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制系統(tǒng)，例如電站功率管理系統(tǒng)，或通過串行接口把數(shù)據(jù)傳送到全集成監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制系統(tǒng)的主控制站（PCU），或通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到全集成監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制系統(tǒng)的服務(wù)器。全集成監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制系統(tǒng)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在工作站的人機(jī)界面上，以便操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和遙控。

（2）數(shù)據(jù)收集和過程處理層

全集成監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制系統(tǒng)的控制單元（PCU）和信號(hào)采集單元（SCU）都連接在第二層。 過程控制單元（PCU）對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，執(zhí)行控制任務(wù)，并把處理完畢的過程信息發(fā)送到系統(tǒng)總線上。過程控制單元（PCU）通常安裝在集控室，通過以太網(wǎng)通信模塊與光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

過程控制單元主要包括：中央處理器（CPU）模塊、通信處理器（CP）模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)、中繼器、ET200輸入輸出模塊、電源和UPS模塊、絕緣監(jiān)測(cè)儀等。 集單元（SCU）主要執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及控制輸出；信號(hào)采集單元（SCU）采用ET200 模塊作為PROFIBUS-DP的從站組成分布式系統(tǒng)，將分布在全船各處并通過Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線與過程控制單元（PCU）進(jìn)行通訊。信號(hào)采集單元主要包括ET200輸入輸出模塊、電源和UPS模塊、絕緣監(jiān)測(cè)儀等。

延伸報(bào)警系統(tǒng)將通過一套獨(dú)立的SIMATIC S7 300系列可編程控制器連接到第二層，并通過系統(tǒng)總線（工業(yè)以太網(wǎng)）與過程控制單元PCU進(jìn)行通訊，收集自動(dòng)化系統(tǒng)的報(bào)警并延伸到值班輪機(jī)員房間。

（3）人機(jī)界面層

第三層是上層用戶層，用于監(jiān)視、長(zhǎng)期存檔和信息分析的記錄、操作單元均連接在該層。第三層的主要設(shè)備是工作站（OS），包含人機(jī)界面（HMI）、報(bào)警記錄打印機(jī)以及日志打印機(jī)。 工作站主要由計(jì)算機(jī)、顯視器、鍵盤、軌跡球等組成，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與終端總線相連。每一工作站都可以獨(dú)立保持自己的當(dāng)前過程數(shù)據(jù)，而與其他工作站無關(guān)。因?yàn)橄到y(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與工作站的數(shù)量以及單個(gè)工作站的工作性能無關(guān)。特別的數(shù)據(jù)更新機(jī)制將保證每一個(gè)工作站的過程數(shù)據(jù)即時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)更新。 完備的圖形功能和基于微軟視窗技術(shù)的操作系統(tǒng)為操作人員提供了直觀的用戶導(dǎo)航和全圖形環(huán)境。人機(jī)界面將以易于理解的方式顯示船上各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，操作人員可以準(zhǔn)確觀察到實(shí)際發(fā)生的情況，實(shí)時(shí)獲得過程處理的信息，使用鼠標(biāo)或軌跡球和鍵盤就可以輕松地執(zhí)行遙控操作。此外，可以方便地直接調(diào)用全船的所有重要功能和信息，進(jìn)一步提高了操作的安全性

2.2 系統(tǒng)布置

該船自動(dòng)化系統(tǒng)龐大、監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)多，共設(shè)置了22個(gè)采集箱。由于報(bào)警點(diǎn)數(shù)量多，必需要考慮電纜的走向布置，在設(shè)計(jì)過程中既要考慮設(shè)備報(bào)警信號(hào)接入就近的采集箱，同時(shí)還要兼顧DP3的冗余分隔布置要求。

整個(gè)綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的采集箱配置如圖2。在每個(gè)采集箱內(nèi)都安裝了用以通訊的交換器，由于DP3規(guī)范要求，將所有的采集箱劃分成兩個(gè)部分，分別形成兩個(gè)互不干擾的環(huán)網(wǎng)，且每個(gè)環(huán)網(wǎng)都由兩組網(wǎng)絡(luò)組成，分別命名為NET A、NET B。

2.3 電源配置

根據(jù)DP分區(qū)冗余供電要求，自動(dòng)化系統(tǒng)在全船各區(qū)域配置了5個(gè)不間斷電源UPS，用于工作站、服務(wù)器和打印機(jī)供電。每個(gè)采集箱內(nèi)各設(shè)有一個(gè)UPS給信號(hào)采集模塊供電，UPS由兩路AC220V電源自動(dòng)切換供電，其中一路主電源來自主控制站PCU，一路備用電源來自220V助航分電箱電箱。同時(shí)UPS還設(shè)置有電源故障報(bào)警，這樣保證了任何由電源引起的單一故障將不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提供了系統(tǒng)可靠性。

2.4 冗余性分析

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)組件都采取了冗余配置。服務(wù)器和過程控制單元的終端總線和過程總線是以環(huán)網(wǎng)總線的形式布置。若一條總線發(fā)生中斷，如交換器故障或光纖斷開，則環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍然能保持該總線上的所有設(shè)備的通信暢通；各OS站和服務(wù)器也都配有雙網(wǎng)卡，這兩張網(wǎng)卡擁有不同的IP地址，當(dāng)一張網(wǎng)卡出現(xiàn)通信故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)網(wǎng)卡以保證通信。

雙過程控制單元分別布置了兩個(gè)中央處理器（CPU），并且采用獨(dú)立電源，若其中一個(gè)CPU發(fā)生故障，另一個(gè)CPU就由Slave變成Master，且這兩個(gè)CPU擁有兩條獨(dú)立的單模光纖進(jìn)行同步。

綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)與過程控制單元相連的冗余OS服務(wù)器對(duì)，CPU對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理后會(huì)同時(shí)發(fā)送到這兩個(gè)服務(wù)器，若其中一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，則相關(guān)的OS站就會(huì)自動(dòng)切換到運(yùn)行中的另一臺(tái)服務(wù)器；故障服務(wù)器恢復(fù)后，OS站就會(huì)切換回原來連接的服務(wù)器，并且運(yùn)行中的服務(wù)器會(huì)對(duì)故障恢復(fù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

3 綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試和試驗(yàn)

在船舶進(jìn)入調(diào)試階段，綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)作為全船的一個(gè)調(diào)試重點(diǎn)，其主要的功能有：故障監(jiān)測(cè)報(bào)警、遙控控制、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等。

對(duì)各種信號(hào)的調(diào)試過程，可依據(jù)綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)配備的接線圖查找各信號(hào)的接線端子。為確保被監(jiān)測(cè)的設(shè)備輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，要求電纜均需有屏蔽層并且要牢靠接地，接線過程需按電氣工藝規(guī)程進(jìn)行。

3.1 內(nèi)外接口標(biāo)準(zhǔn)

綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)接收的信號(hào)主要由數(shù)字量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出，這4種信號(hào)構(gòu)成綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的大部分硬線信號(hào)。在這些信號(hào)中又分成有源和無源信號(hào)，所以在調(diào)試過程中，需特別注意此類信號(hào)的區(qū)分，以免損壞模塊。

信號(hào)采集箱主要使用了以下型號(hào)的模塊：

（1）數(shù)字輸入模塊DI：6ES7131-4BD01-0AB0；

（2）數(shù)字輸出模塊RO：6ES7132-4HB12-0AB0；

（3）模擬量輸入AI（4-20mA）：6ES7134-4GB01-0AB0；

AI（PT100）：6ES7134-4NB51-0AB0；

（4）模擬量輸出AO： 6ES7135-4MB02-0AB0；

這四種模塊的用途不一樣，其接線方法也不一樣。

3.2 集成網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

在整個(gè)綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建立并正常運(yùn)行后，龐大的集成網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入調(diào)試與報(bào)驗(yàn)階段，整個(gè)系統(tǒng)擁有的硬線報(bào)警點(diǎn)有4000個(gè)左右，與其進(jìn)行軟通訊的設(shè)備有40個(gè)左右?；诰C合集成自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備調(diào)試主要分為：報(bào)警點(diǎn)調(diào)試、遙控功能調(diào)試、自動(dòng)操作調(diào)試。

3.2.1 報(bào)警點(diǎn)調(diào)試

在系統(tǒng)近4000個(gè)報(bào)警點(diǎn)中，每個(gè)報(bào)警點(diǎn)都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的接線通道，其接線方法可根據(jù)設(shè)計(jì)的接線圖進(jìn)行查對(duì)或從I/O List表中進(jìn)行查找。每個(gè)報(bào)警點(diǎn)的調(diào)試都需先對(duì)報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行類型判斷及供源判斷，在確定接線后進(jìn)行報(bào)警模擬，通過對(duì)設(shè)備的故障模擬，檢驗(yàn)報(bào)警值設(shè)定是否正確。在對(duì)模擬量進(jìn)行模擬時(shí)可以采取機(jī)械模擬的方法，用信號(hào)模擬發(fā)生器對(duì)溫度信號(hào)和壓力信號(hào)進(jìn)行模擬，檢查其顯示值與模擬值是否一致。

3.2.2 遙控功能調(diào)試

該船的高度自動(dòng)化主要表現(xiàn)為綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)提供的全船大部分的遙控控制功能，如泵的切換、閥門的開閉、照明的遙控、配電板開關(guān)的遙控等。對(duì)遙控功能的調(diào)試是檢驗(yàn)設(shè)備的軟件邏輯及信號(hào)采取的正確與否。整個(gè)遙控功能的調(diào)試步驟，可按圖3流程進(jìn)行。

3.2.3 自動(dòng)操作功能測(cè)試

對(duì)設(shè)備的自動(dòng)操作功能，是建立在設(shè)備的機(jī)旁功能和遙控功能完成測(cè)試完成后才可以進(jìn)行，這樣可以避免測(cè)試過程中由于信號(hào)問題進(jìn)行的重復(fù)檢查。自動(dòng)操作功能的測(cè)試首先在MINIC圖上將遙控的設(shè)備選成“AUTO”，在設(shè)備的右下方會(huì)有“A”顯示。自動(dòng)操作功能和遙控功能的唯一區(qū)別在于：自動(dòng)操作功能設(shè)備的起停是由外面某一信號(hào)的觸發(fā)而引起；而遙控功能則是靠人為在MINIC圖上點(diǎn)擊“起動(dòng)（Start）”或“停止（Stop）”來實(shí)現(xiàn)的。所以測(cè)試自動(dòng)功能，唯一要檢查的信號(hào)就是觸發(fā)信號(hào)是否正確，如壓力開關(guān)、失電等信號(hào)，然后就是檢驗(yàn)整個(gè)軟件邏輯的功能。

4 結(jié)束語

該船綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)作為全船重要的控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有系統(tǒng)龐大、接口復(fù)雜等特點(diǎn)，不僅滿足CCS AUT-0和DNV E0雙船級(jí)社無人機(jī)艙要求，同時(shí)須滿足CCS DP-3和DNV DPS3雙船級(jí)社三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的規(guī)范要求，并通過FMEA實(shí)船驗(yàn)證，在出現(xiàn)單點(diǎn)故障，包括一個(gè)艙失火或浸水情況下不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。本項(xiàng)研究可為類似復(fù)雜海工船舶的綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。