挖泥船集成控制系統的平臺

摘 要：本文以廣州文沖船廠有限責任公司建造的10288 m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”輪的集成控制系統的計算機網絡系統為例，詳細介紹了作為集成控制系統平臺的網絡系統，指出了集成控制系統對實時性要求高的解決措施。

關鍵詞：IHDCS（自航耙吸挖泥船集成控制系統）；計算機網絡系統；網絡結構；數據結構；系統硬件

中圖分類號：U665.2 文獻標識碼：A

1 概述

文沖船廠為中交廣州航道局建造的10288m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”輪，是公司繼“浚海1”、“浚海2”之后，為廣州航道局建造的第3艘性能優越的萬方級自航耙吸挖泥船。該船總長131.3m，型寬25.4m，型深9.8m，設計吃水8.35m，艙容約10288m3。主要用于珠江口、國內外沿海類似工況條件的航道疏浚工程以及沿海港口及海岸維護工程。

隨著計算機網絡技術和PLC技術的進一步發展，促進了挖泥船控制系統結構和控制方式的調整，形成以網絡為平臺的集成控制系統。“浚海5”輪的IHDCS（Integrated Hopper dredger Control System-自航耙吸挖泥船集成控制系統），就是基于網絡平臺的控制系統。該IHDCS系統由計算機網絡系統、駕駛室PLC控制系統、疏浚PLC控制系統、PMS系統、PCS系統、泥泵控制系統、SCADA系統、DTPS系統、計算機輔助決策系統等組成。AMS（Alarm and Monitoring System-機艙報警系統）為IHDCS的一個子系統，AMS系統所采集的數據，通過網絡數據庫與SCADA系統共享。

計算機網絡系統作為IHDCS的紐帶，通過光纜或網絡電纜連接各個分系統，同時為SCADA系統提供載體。

2 計算機及網絡系統

2.1 網絡結構

隨著自航耙吸挖泥船控制要求的提高，單臺PLC運算速度及資源已不能滿足控制要求。而受到網絡速度的約束，功能強大的計算機也無法投入到實時性要求高的控制系統中。

為了解決這個問題，采取了相應的技術措施。

1）設置了底層和頂層兩個環形網絡。采用兩個完全獨立的環網，除了增強系統的獨立、安全、可靠性外，也對網絡負荷進行了分流；

2）對網絡上設備的屬性進行了統一劃分。頂層網絡連接的設備為信號刷新速率較低的設備（如：潮位遙報儀、DGPS、電羅經、雷達等）、響應速度要求較低的指令設備（如：HMI人機界面工作站、歷史數據分析工作站等）。底層網絡連接各臺功能各異的控制PLC。

3）上下兩層網絡通過高性能的服務器進行數據橋接。

全船網絡系統，主干網絡采用具有冗余功能的環形光纖網絡，分支采用屏蔽5類雙絞線，網絡交換機系統為10/100Mb以太網，其中包括：兩個具有冗余功能的環形光纖網絡，一個自動化延伸管理網絡和一個辦公自動化網。

光纖環網為整個控制系統提供了穩定可靠的數據鏈接；管理網絡提供了船舶管理系統的工作平臺，并與控制系統聯結；辦公網提供船上辦公自動化功能及與岸上通訊的遠程數據傳輸能力。

控制網絡與管理網絡、辦公自動化網絡通過防火墻進行隔離，劃分在不同的網段，在提高船舶管理自動化水平的同時，保障了控制網絡的安全。

本船配置了網絡化的CCTV視頻攝像系統，因此單獨設置了一套視頻網絡。

2.2 數據結構

本系統是一個基于數據庫控制的系統，如圖1所示。系統數據結構采用開放式的結構，可綜合全船的控制系統，并通過OPC SERV.進行數據交換。可采集與控制的系統包括：液壓疏浚系統PLC、疏浚儀器儀表信號、泥泵控制PLC、鋼絲繩測量系統PLC、AMS機艙報警系統等。通過數據庫，使全船的傳感器對上層完全透明，上層對底層的執行機構也完全可控。

系統配置了3臺服務器，均通過兩個以太網接口，與上下兩個環網連接。

PLC數據通過網絡接口進入數據服務器，并通過接口程序采集進實時數據庫；服務器通過接口程序將實時數據庫數據經環網向全船工作站提供數據。PLC網絡接口可與任何種類PLC進行通訊。

工作站發出的指令，通過網絡寫入服務器實時數據庫，數據服務器經網絡將實時數據庫內容通過接口程序向PLC提供數據。

全船在同一個時間周期內，實時數據庫是唯一的，因而保證了所有工作站、PLC所面對的對象狀態是唯一的。本系統實時數據庫刷新周期為0.5s，實時數據庫每刷新一次，就將數據存儲于歷史數據庫。因此，本系統可通過歷史查詢的方式，查詢歷史操作。

3臺服務器中，2臺為互為熱冗余備用的數據服務器，1臺兼歷史數據服務器。當1臺數據服務器出現故障時，另1臺備用服務器自動投入，以保證不間斷地向全船的工作站及PLC系統提供實時數據的采集與分配。在任何一個時刻，只有一臺服務器向工作站及PLC發送指令，以保證數據的唯一。歷史服務器專門用于存儲船舶的各種數據，并為其他非實時工作站軟件提供分析數據與處理報表。

系統所有工作站，均通過服務器獲取或發送數據。每臺工作站均為標準的通用型計算機，通過不同的應用軟件的切換以完成不同的工作。

系統中，需要快速反應的現場控制數據，由各自不同的PLC-CPU在底層單獨完成。PLC與PLC之間的協調，不經由服務器。系統的安全連鎖功能，不經由服務器、工作站處理，但這些數據均能反映在服務器的數據庫內，并可通過工作站進行顯示。

2.3 系統硬件

1）服務器

系統配置了3臺服務器，互為冗余備用，其中1臺服務器兼歷史數據服務器。分別安裝在：駕駛室19’機柜1臺；PC-ROOM 2臺。服務器型號均為HP惠普G4服務器。

2）工作站（HMI）

① 6臺SCADA工作站，分別安裝在：疏浚控制臺3臺；航行控制臺1臺；PC房1臺；機艙集控室1臺。

② 2臺DTPS疏浚軌跡工作站，分別安裝在：疏浚控制臺1臺；航行控制臺1臺。

③ 1臺A3彩色繪圖儀，安裝在駕駛室。

④ 1臺A4黑白激光打印機，安裝在PC房。

⑤ 5臺位于不同艙室的多用途工作站：船長室——1臺；輪機長——1臺；疏浚長室——1臺；電機員室——1臺；會議室——1臺。

3 結束語

隨著網絡技術的不斷發展，船舶自動化程度將越來越高，綜合控制范圍也越來越廣，大大減輕了船員的勞動強度，提高了船舶的安全性。因此，應在新船型研發時大力推廣網絡技術，使船舶的智能化程度越來越高。