船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王樹山，倪永亮

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及船舶自動(dòng)化程度的不斷提高，為給船舶上的各設(shè)備提供安全、可靠的運(yùn)行環(huán)境，方便船員操作，減輕船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，船舶集成報(bào)警和控制系統(tǒng)必不可少[1]。

船舶報(bào)警和集中控制系統(tǒng)是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化元器件可編程控制器構(gòu)建的，適用于船舶的所有自動(dòng)化控制任務(wù)。該系統(tǒng)可對全船重要電氣和機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和安全信息進(jìn)行監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行故障并報(bào)警。此外，該系統(tǒng)還具備“過程控制和計(jì)算”功能以及“船舶管理”功能，這對于實(shí)現(xiàn)船舶無人機(jī)艙運(yùn)行是至關(guān)重要的。

本文對船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要部件、系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)等進(jìn)行介紹，以提高船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的系統(tǒng)性。

1 系統(tǒng)介紹

集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化元器件可編程控制器、工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus 現(xiàn)場總線技術(shù)，是開放型、分布式與模塊化的船舶監(jiān)測、報(bào)警與控制系統(tǒng)。除具有故障記錄和報(bào)告功能外，還具有自診斷功能。當(dāng)系統(tǒng)或元器件出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)化報(bào)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。集成監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)包括操作站、打印機(jī)、中央過程處理單元、分布式控制單元、延伸報(bào)警以及與船舶其他外部設(shè)備的通信接口。

以某風(fēng)電服務(wù)運(yùn)營船的集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)為例，對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要部件、系統(tǒng)功能、注意事項(xiàng)等進(jìn)行介紹。船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)見圖1。圖1 中：OS 為操作站；PCU 為過程控制單元；V-SAT 為衛(wèi)星通信系統(tǒng)；RDS 為遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)；CPU 為中央控制單元；EAS 為延伸報(bào)警系統(tǒng)；SCU 為信號(hào)采集單元。

圖1 船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)

船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)主要包含以下4個(gè)子系統(tǒng)：

1）集成監(jiān)測和控制系統(tǒng)（Integrated Monitoring And Control System，IMACS）。

2）延伸報(bào)警系統(tǒng)（Extended Alarm System，EAS）。

3）輪機(jī)員機(jī)艙巡視安全系統(tǒng)。

4）遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)（Remote Diagnose，RDS）。

2 系統(tǒng)描述

集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以主要分為3 層：

1）現(xiàn)場層

現(xiàn)場層的系統(tǒng)和設(shè)備獨(dú)立于集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)，通過串行接口連接到集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)的主控制站或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)總線，可直接與服務(wù)器進(jìn)行通信?，F(xiàn)場層的系統(tǒng)包括推進(jìn)控制系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、液位測量系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)及其他外部系統(tǒng)。

2）數(shù)據(jù)收集和過程處理層

集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)的過程控制單元（Processing Controller Unit，PCU）和信號(hào)采集單元（Sub Controller Unit，SCU）都連接在該層。

PCU 處理接收到的數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制任務(wù)，并把處理完畢的過程信息發(fā)送到過程控制總線上。作為系統(tǒng)控制器，可以配置成“熱冗余”模式，通過專門的光纖實(shí)現(xiàn)同步。PCU 通過以太網(wǎng)通信模塊與系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

SCU 主要起到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制輸出的作用，并通過特定模塊組成分布式系統(tǒng)。SCU 分布在全船各處，通過現(xiàn)場總線與PCU 進(jìn)行通信。

EAS 通過一套獨(dú)立的可編程控制器連接到數(shù)據(jù)收集和過程處理層，并通過系統(tǒng)總線與操作站服務(wù)器進(jìn)行通信。

3）人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）層

人機(jī)界面層用于信息監(jiān)視、存檔和分析，操作單元均連接在該層。該層的主要設(shè)備包括工作站（Operator Station，OS）、HMI、報(bào)警記錄打印機(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。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，如果操作站的數(shù)量大于4 臺(tái)，工作站可配置成服務(wù)器/客戶端架構(gòu)，操作站的運(yùn)行數(shù)據(jù)可保存在服務(wù)器上。所有客戶端從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，這樣可有效緩解PCU 的通信量?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）會(huì)會(huì)將所有的歸檔數(shù)據(jù)和測量值并行發(fā)送至2 個(gè)服務(wù)器，客戶端（操作站）分布式連接到這2 個(gè)服務(wù)器上。

在主服務(wù)器停機(jī)的情況下，客戶端能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用服務(wù)器上。在主服務(wù)器重新啟動(dòng)后，這些客戶端能夠重新連接回主服務(wù)器，主服務(wù)器會(huì)立即與備用服務(wù)器更新所有的信息歸檔和標(biāo)簽日志歸檔。

3 系統(tǒng)主要部件

1）OS

操作站是集成監(jiān)測報(bào)警與控制系統(tǒng)和操作員之間的人機(jī)交互窗口，操作員可通過操作站對機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警應(yīng)答和數(shù)據(jù)分析。1 個(gè)操作站最多可配置4 個(gè)顯示器，每個(gè)顯示器可顯示獨(dú)立的畫面。1 個(gè)操作站配置有1 套鍵盤和軌跡球鼠標(biāo)。操作站的電腦機(jī)箱一般安裝在控制臺(tái)內(nèi)，顯示器通常為液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），配有船用安裝支架，可選擇桌面安裝或嵌入式安裝。供電電源一般為不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。

2）冗余服務(wù)器

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，操作站的運(yùn)行數(shù)據(jù)可保存在服務(wù)器上。所有客戶端從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，這樣可有效緩解PCU 的通信量。冗余組通常由2 個(gè)并行的服務(wù)器組成，PLC 會(huì)向這2 個(gè)服務(wù)器并行發(fā)送所有的歸檔數(shù)據(jù)和測量值?？蛻舳耍ú僮髡荆┓植际竭B接到2 個(gè)服務(wù)器，一對冗余服務(wù)器最多可連接32 臺(tái)操作站。

冗余服務(wù)器負(fù)責(zé)接收來自不同PCU 控制器的數(shù)據(jù)，每個(gè)服務(wù)器連接到終端總線和過程總線。

操作站服務(wù)器的主要功能包括為操作站提供畫面和實(shí)際參數(shù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)發(fā)送至其他系統(tǒng)。

3）打印機(jī)

系統(tǒng)采用激光打印機(jī)，所有打印機(jī)均設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。

4）PCU

PCU 包含標(biāo)準(zhǔn)化的冗余控制器，冗余控制器的CPU 單元會(huì)分開安裝在船上不同的防火區(qū)域。在發(fā)生火災(zāi)的情況下，冗余控制器的CPU 單元可實(shí)現(xiàn)無縫切換。PCU 通過冗余接口連接到過程總線。

自動(dòng)化系統(tǒng)采用先進(jìn)的邏輯處理控制器，可滿足可用性、智能化和分布控制的需求。自動(dòng)化系統(tǒng)可為獲取和預(yù)處理數(shù)據(jù)提供一切需要的功能。

5）SCU

SCU 的主要作用是采集輸入、輸出信號(hào)，并將采集到的信號(hào)傳輸至專門的PCU。輸出采集模塊用于連接傳感器和執(zhí)行器。冗余接口模塊專門用來連接冗余控制器。采集模塊采用冗余網(wǎng)絡(luò)連接到對應(yīng)的PCU 控制器上。

6）網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)具有終端網(wǎng)絡(luò)和過程控制網(wǎng)絡(luò)，這2 種網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立，且均采用光纖電纜。

終端網(wǎng)絡(luò)主要作用是實(shí)現(xiàn)操作站客戶端和服務(wù)器之間的通信。終端網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)，由千兆光纖環(huán)網(wǎng)組成，設(shè)備通過100 Mbit 網(wǎng)線連到網(wǎng)絡(luò)。終端網(wǎng)絡(luò)具有防火墻業(yè)務(wù)接口，用于系統(tǒng)維護(hù)和遠(yuǎn)程訪問。

過程控制網(wǎng)絡(luò)的主要作用是實(shí)現(xiàn)PCU 之間以及PCU 和操作站服務(wù)器之間的通信。過程控制網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)，由100 Mbit 光纖環(huán)網(wǎng)組成。設(shè)備通過100 Mbit 網(wǎng)線連到網(wǎng)絡(luò)。

輸入輸出采集模塊和冗余PCU 之間采用冗余的Profibus 通信，不同柜子之間采用光纖電纜通信，柜子內(nèi)部通過RJ45 網(wǎng)絡(luò)通信。

7）RDS

RDS 可提供一種加密的安裝連接，船上的V-SAT 系統(tǒng)可通過衛(wèi)星通信連接到外部網(wǎng)絡(luò)，辦公室的電腦可通過RDS 連接到船上。RDS 系統(tǒng)在船上配置有一個(gè)控制柜，控制柜布置有防火墻和一臺(tái)工程師站。專家可通過該工程師站對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，以便處理緊急的故障[2]。

4 系統(tǒng)功能

1）HMI

HMI 可根據(jù)系統(tǒng)配置提供60 余幅模擬圖，以顯示不同的區(qū)域和整個(gè)系統(tǒng)的情況。模擬圖能為操作員提供重要的設(shè)備信息。出于安全考慮，系統(tǒng)會(huì)檢查操作員輸入的數(shù)據(jù)范圍是否合理。

2）消息系統(tǒng)

HMI 可顯示事件的記錄和控制過程，PCU 根據(jù)時(shí)間順序?qū)⑹录l(fā)送至操作站服務(wù)器，服務(wù)器會(huì)將事件按照時(shí)間順序存儲(chǔ)到消息歸檔內(nèi)，并添加消息類別、類型和文本。消息可在不同的消息列表中顯示，操作員可對消息列表進(jìn)行排序、過濾等操作。

3）歷史數(shù)據(jù)歸檔

通過1 個(gè)高性能長期數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)歸檔，這個(gè)歸檔服務(wù)器可集成到PCU 中。過程數(shù)據(jù)和消息可實(shí)時(shí)集中歸檔，并能根據(jù)系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)提供可擴(kuò)展功能。

4）EAS

EAS 是報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)的擴(kuò)展，其主要功能是將主報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)延伸到船員房間、公共區(qū)域和駕駛室。船舶使用無人機(jī)艙模式時(shí)，EAS 負(fù)責(zé)安排和分配值班權(quán)限。如果船舶設(shè)備出現(xiàn)問題，船舶集成監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并通過EAS 將警報(bào)信號(hào)發(fā)至船舶的主要區(qū)域，幫助船員盡快發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理船舶安全運(yùn)行的隱患[3]。

5）其他功能

其他功能主要包括趨勢圖、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理、互斥控制、資產(chǎn)管理等。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）由于集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)是全船的綜合性系統(tǒng)，其與船舶上的眾多系統(tǒng)存在電氣接口，故在設(shè)計(jì)前期和設(shè)計(jì)過程中必須規(guī)定好接口位置和類型。

2）輸入/輸出清單是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，清單中的相關(guān)信息要盡可能準(zhǔn)確、全面。

3）集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)可通過編程軟件來實(shí)現(xiàn)船舶中各個(gè)系統(tǒng)所需要的功能，為了滿足準(zhǔn)確性和后期檢驗(yàn)的相關(guān)要求，需要將各個(gè)主要系統(tǒng)的需求作為集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

6 結(jié)論

隨著船舶制造業(yè)的日益發(fā)展，船舶設(shè)備逐漸智能化、網(wǎng)絡(luò)化、安全化和集成化，集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)愈發(fā)重要。本文基于某風(fēng)電服務(wù)運(yùn)營船的集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要部件、系統(tǒng)功能、注意事項(xiàng)等內(nèi)容。研究成果可為船舶集成監(jiān)測報(bào)警和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考。