艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 偉，俞孟蕻

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng) (integratedplatform management system，IPMS)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將艦船平臺(tái)上的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和管理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能為艦艇操作人員提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信息咨詢(xún)和控制手段，從而提高艦艇生命力;減少人力資源，使日益復(fù)雜的系統(tǒng)能更加簡(jiǎn)單和安全地運(yùn)行;抑制事故發(fā)生，保證整個(gè)平臺(tái)設(shè)備的完好率;減少設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本，并保證在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，能正確判斷故障原因及程度，最大限度地縮短采取行動(dòng)的時(shí)間。

目前，已有10多個(gè)國(guó)家的海軍為水面艦艇、潛艇及作戰(zhàn)保障艦船研制設(shè)計(jì)或安裝了IPMS系統(tǒng)，如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、意大利、以色列、韓國(guó)、荷蘭、澳大利亞等，其中應(yīng)用數(shù)量最多的是美國(guó)、加拿大、英國(guó)和韓國(guó)。所有這些綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)均采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。加拿大CAE公司、意大利AVIO公司等已將IPMS系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)船［1－4］。

盡管目前國(guó)內(nèi)的機(jī)艙監(jiān)控設(shè)備供應(yīng)商能提供主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)、電站監(jiān)控系統(tǒng)、損管控制系統(tǒng)等自動(dòng)化產(chǎn)品，它們之間能進(jìn)行信息溝通但并沒(méi)有達(dá)到信息共享、綜合管理的狀態(tài)，因而在IPMS系統(tǒng)研究上還處于起步階段。目前一些研究所和院校也在開(kāi)展IPMS系統(tǒng)的研究［6］。

1 系統(tǒng)組成與功能

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)包括主推進(jìn)系統(tǒng)、電站系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)、綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)等子系統(tǒng)。綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)具有以下主要功能:通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的資源與信息共享;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄主推進(jìn)系統(tǒng)、電站系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)工作狀態(tài)，并能在各子系統(tǒng)的工作站和平臺(tái)工作站進(jìn)行狀態(tài)或功能的控制;為復(fù)雜的艦船設(shè)備提供操作界面。

主推進(jìn)系統(tǒng)為雙機(jī)雙槳推進(jìn)方式。該系統(tǒng)的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)采用可靠的CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)組成2個(gè)相互獨(dú)立的子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)采用雙冗余的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，它們既相互聯(lián)系，又相對(duì)獨(dú)立，任何一個(gè)子網(wǎng)損壞，并不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作。所有信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳遞到推進(jìn)系統(tǒng)工作站和系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主推進(jìn)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。

電站系統(tǒng)同樣采用CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)及冗余備份方案，當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)，將電站系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)接入電站控制管理工作站和系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電站系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。

損管系統(tǒng)以損管中心監(jiān)控臺(tái)為核心，構(gòu)成一個(gè)CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信號(hào)采集、損管控制和報(bào)警指示。

輔機(jī)系統(tǒng)主要完成包括推進(jìn)裝置和發(fā)電裝置運(yùn)行所必需的保障設(shè)備以及液位測(cè)量、空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)、飲用水和生活污水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成是通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和控制。

綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的主要任務(wù)是該系統(tǒng)既可采用在線(xiàn)輸入，也可取用手工輸入的機(jī)械正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行趨向分析，以檢測(cè)設(shè)備在嚴(yán)重?fù)p壞前的性能下降。綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)還包含與專(zhuān)家咨詢(xún)意見(jiàn)鏈接的故障查找邏輯，能預(yù)報(bào)和檢測(cè)即將出現(xiàn)的故障，診斷特別故障形態(tài)并提出解決辦法。綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可通過(guò)岸線(xiàn)或衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)桨渡系臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，這樣，海軍岸上組織機(jī)構(gòu)便可得到實(shí)時(shí)艦船數(shù)據(jù)，并用于編制維修計(jì)劃。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程級(jí)和監(jiān)控管理級(jí)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成完整的管控一體化分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、損管系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與控制，并通過(guò)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的信息綜合，進(jìn)行綜合狀態(tài)評(píng)估［5－6］，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The network of integrated platform management system

系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的分布式智能信號(hào)采集/輸出模塊作為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)I/O主件模塊，以千兆以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議作為監(jiān)控管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)，過(guò)程級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)進(jìn)行連接，以太網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分布在全船舶各處。網(wǎng)絡(luò)采用冗余網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器采用冗余配置，以最大限度地保證系統(tǒng)的高可靠性。

在綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各種過(guò)程級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)子系統(tǒng)都是獨(dú)立的，可單獨(dú)完成各自的工作。因此，即使以太網(wǎng)出現(xiàn)故障或戰(zhàn)損狀態(tài)，各個(gè)分系統(tǒng)依然能保留最低限度的功能。監(jiān)控/管理層采用開(kāi)放結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)，執(zhí)行TCP/IP協(xié)議。監(jiān)控/管理層網(wǎng)絡(luò)采用千兆高速以太網(wǎng)，并采用冗余配置，以保證系統(tǒng)監(jiān)控的可靠性。

從系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)看，工作站與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)級(jí)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是全透明的，既可以是1∶N的關(guān)系，也可以是N∶1的關(guān)系。因此任一臺(tái)工作站只需要改變工作站的定義及相應(yīng)軟件的模塊，即可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)不同子系統(tǒng)的監(jiān)控。因而整個(gè)系統(tǒng)僅需少量工作站的備份，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)所有工作站的備份。對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要監(jiān)控更多的點(diǎn)以及多臺(tái)工作站同時(shí)工作時(shí)，也可通過(guò)對(duì)軟件的設(shè)置，完成多臺(tái)工作站對(duì)同一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控管理級(jí)由服務(wù)器和工作站構(gòu)成，Windows 2003系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，以VC++6.0作為應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)成船舶規(guī)模的分布式控制系統(tǒng)［7］。系統(tǒng)工作站采用通用的研華IPC610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，中央數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server 2000。每個(gè)工作站采用完全相同應(yīng)用軟件系統(tǒng)，包含了各個(gè)過(guò)程級(jí)子系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，每個(gè)工作站互為備份，大大提高了系統(tǒng)實(shí)船使用的可靠性。

3.1 人機(jī)界面

人機(jī)界面可以是索引方式，也可以是總覽方式，或者是分組方式，或者是圖形顯示方式。主要由模擬流程圖、相關(guān)畫(huà)面、成組顯示畫(huà)面、報(bào)警信息欄。系統(tǒng)人機(jī)界面如圖2和圖3所示。

圖2 主推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.2 The main propulsion system HMI

圖3 損管系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.3 Damage control system HMI

模擬流程圖:工作站采用標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)描述各種復(fù)雜的工藝流程圖，如表示主機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)組、各種輔機(jī)、電站、主接線(xiàn)等各個(gè)工藝過(guò)程的工藝流程圖。在工藝流程圖上，用標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)生動(dòng)、形象地顯示每個(gè)工藝過(guò)程。

相關(guān)畫(huà)面:由幾個(gè)主要參數(shù)及若干相關(guān)的參數(shù)組成，以便對(duì)主要參數(shù)綜合監(jiān)視與分析，當(dāng)主要參數(shù)越限或開(kāi)關(guān)量狀態(tài)變化時(shí)，可以自動(dòng)激活相關(guān)畫(huà)面的顯示。

成組顯示畫(huà)面:將各測(cè)點(diǎn)成組地進(jìn)行顯示，特點(diǎn)是顯示的測(cè)點(diǎn)信息全，方便操作人員對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)信息的檢索，在成組顯示畫(huà)面上，同樣可以用不同的顯示顏色表示不同的報(bào)警狀態(tài)。

報(bào)警信息欄:用于顯示當(dāng)前發(fā)生報(bào)警的測(cè)點(diǎn)信息，包括測(cè)點(diǎn)序號(hào)、測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)、發(fā)生報(bào)警的時(shí)間、報(bào)警狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)值等，不同的報(bào)警狀態(tài)用不同的顏色表示。報(bào)警信息欄既可以放在其他的顯示畫(huà)面中，也可以作為一個(gè)單獨(dú)的顯示畫(huà)面。當(dāng)有多條報(bào)警信息而報(bào)警欄顯示不下時(shí)，可以使用滾動(dòng)條來(lái)瀏覽報(bào)警信息。

3.2 數(shù)據(jù)接口軟件設(shè)計(jì)

艦船平臺(tái)上各子系統(tǒng)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接口是艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)采用OPC技術(shù)解決了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、各子系統(tǒng)和以太網(wǎng)的異構(gòu)問(wèn)題［8］。

OPC技術(shù)是在工業(yè)控制系統(tǒng)開(kāi)放性和工業(yè)信息集成性的需求下產(chǎn)生的，它為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)控制應(yīng)用、企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間提供了開(kāi)放、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，能很好地解決工業(yè)系統(tǒng)的異構(gòu)問(wèn)題。OPC服務(wù)器采用KEPServer EX和U－CON，安裝在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，KEPServer EX是最好的OPC Server，支持100多種通信協(xié)議;U－CON是一種支持用戶(hù)自定義通信協(xié)議的OPC Server，作為插件整體嵌入到KEPServer EX中，以獲取更好的系統(tǒng)集成性。

OPC數(shù)據(jù)接口程序采用VC++6.0工具開(kāi)發(fā)，采用自定義接口方式，數(shù)據(jù)交換采用異步訪(fǎng)問(wèn)方式。OPC應(yīng)用程序首先生成OPC服務(wù)器支持的0PC對(duì)象，然后才可以使用對(duì)象支持的屬性和方法，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象由項(xiàng)(OPCItem)、組(OPCGroup)以及服務(wù)器(OPCSever)3部分組成。項(xiàng)代表了OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)源的一個(gè)物理連接，組是供OPC客戶(hù)程序組織數(shù)據(jù)的一種方法，服務(wù)器提供自身的相關(guān)信息及組織和管理項(xiàng)的機(jī)制。OPC客戶(hù)端程序通過(guò)創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象來(lái)建立服務(wù)器連接;添加組實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的管理和C0M接口;添加項(xiàng)建立與底層數(shù)據(jù)的連接，最終實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，充分利用當(dāng)今的計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，并合理地進(jìn)行選擇和集成，解決了相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，主要包括:

1)綜合通信、導(dǎo)航、精密測(cè)量、監(jiān)視、控制、計(jì)算機(jī)通信、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)庫(kù)、PLC控制和傳感器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)艦船的綜合監(jiān)控，解決艦船航行控制和作業(yè)控制的統(tǒng)一，提高了艦船自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用水平。

2)系統(tǒng)采用冗余技術(shù)和加固技術(shù)，解決了服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫(kù)冗余備用 (采用2熱備，1冷備設(shè)置)、工作站冗余備用、網(wǎng)絡(luò)冗余、不間斷電源供電、設(shè)備環(huán)境控制等專(zhuān)用技術(shù)。

3)通過(guò)通信模塊的軟硬件研究和開(kāi)發(fā)，構(gòu)建OPC通用數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了全平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成。

4)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、接口軟件系統(tǒng)、圖形編輯系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄及回放系統(tǒng)等軟件技術(shù)。

5)解決了損管系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和損管擴(kuò)散預(yù)測(cè)控制及艦船全局情況態(tài)勢(shì)計(jì)算等，提供抗沉預(yù)案功能。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，艦船的平臺(tái)自動(dòng)化和集成化水平越來(lái)越高。艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)大大提高了海軍艦船的自動(dòng)化水平，降低了全壽期費(fèi)用，提高了艦船的安全性。IPMS在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)是世界海軍艦船發(fā)展的方向，并向著全艦系統(tǒng)工程方向發(fā)展。該系統(tǒng)已在某訓(xùn)練船上取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

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