大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)層次化設計

徐 鈞，蔣子峰

●（1．海裝上海局，上海 201913；2．中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)層次化設計

徐 鈞1，蔣子峰2

●（1．海裝上海局，上海 201913；2．中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

針對大型船舶提出一種層次化的電力監(jiān)控系統(tǒng)方案。該方案采用分布式采集和集中式控制相結合的方法，突出了人機交互的友好性；在保證監(jiān)控系統(tǒng)正常工作的前提下，考慮關鍵設備的冗余性，從而進一步提高了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性。

船舶電力系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；層次化

0 引言

隨著船舶自動化程度的不斷提高，船舶電力系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的單一電站發(fā)展成由多個電站多個配電區(qū)域組成的綜合電力系統(tǒng)。在這種新型的綜合電力系統(tǒng)中，首先，由于船舶電力設備的增多，并且分布于船內各個部位，電力監(jiān)控系統(tǒng)無法采用傳統(tǒng)的集中采集控制策略，船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)需要采用一種全新的，能夠統(tǒng)籌管理各個供配電設備的模式；其次，現(xiàn)代船舶對數字化程度要求提高，船員對電力設備的操作不僅局限于設備本身，通過友好的交互方式對電力設備的遠程遙控操作和管理成為現(xiàn)代船舶監(jiān)控系統(tǒng)需要研究的重要課題；最后，電力系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)中不同類型的設備有著不同的側重點要求，對監(jiān)控設備的分層設計也是適應總體電力系統(tǒng)的要求。鑒于此，本文針對現(xiàn)代大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)的需求，提出了一種層次化的電力監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，采用分布式采集，再通過網絡傳輸后集中控制的策略來統(tǒng)籌管理大型船舶電力系統(tǒng)。

1 分層設計的依據

船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要包括數據采集、控制決策、故障報警保護、綜合圖形化顯示、記錄保存打印以及船員綜合培訓、學習系統(tǒng)等高級管理功能。整套監(jiān)控系統(tǒng)涉及的設備種類多，功能類型雜，對于不同設備，監(jiān)控系統(tǒng)對其要求的側重點也不同。比如，對于完成數據采集的設備，監(jiān)控系統(tǒng)要求其采集精度高，設備穩(wěn)定性、可靠性強；對于完成控制決策，綜合保護的裝置，由于是整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，一旦出現(xiàn)故障可引起整個監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓，所以，一方面要求控制程序制定的嚴密性；另一方面，監(jiān)控系統(tǒng)應該制定冗余性方案，防止由于設備意外故障而引起不良后果；對于集中顯示和記錄保存的設備，因為其直接面向于人員，監(jiān)控系統(tǒng)要求其設計更趨向于人機界面的友好性，操作界面的簡易性以及日常使用的可維護性。在明確電力監(jiān)控設備的核心功能后，對其進行分層設計開發(fā)，不僅可進一步突出設備的關鍵作用，也是優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)結構，促進專業(yè)性研發(fā)的趨勢所在。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的分層設計方案

按照電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能以及對監(jiān)控設備功能側重點的不同，把監(jiān)控系統(tǒng)設備分為3個層次：現(xiàn)場采集層、區(qū)域控制層和綜合管理層。不同層次的設備完成對應的功能，層次間設備通過通訊網絡進行互聯(lián)，保證數據交互的通暢。層次化監(jiān)控系統(tǒng)網絡圖如圖1所示。

圖1 層次化的監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 現(xiàn)場采集層

現(xiàn)場狀態(tài)參數是整個監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常運轉的基礎，無論是監(jiān)控數據的顯示還是綜合決策的判斷執(zhí)行都源于這些數據。現(xiàn)場采集層設備負責完成現(xiàn)場狀態(tài)參數的采集。由于這是整個監(jiān)控系統(tǒng)的基石，要求現(xiàn)場采集設備的采集精度高，可靠性強，能長期穩(wěn)定的獲取電站參數信息。在設備選型上應立足于智能化、標準化、小型化和網絡化的方向，選擇性能穩(wěn)定可靠的成熟產品。

2.2 區(qū)域控制層

區(qū)域控制層主要負責電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制策略的制定，是電站控制系統(tǒng)的中樞大腦。區(qū)域控制層設備一方面獲取現(xiàn)場采集層采集到的數據信息，通過控制策略的決策，產生控制指令；另一方面，轉發(fā)現(xiàn)場采集層數據至上層平臺網。由于是整個監(jiān)控系統(tǒng)的決策核心，區(qū)域控制層設備要求控制邏輯嚴密，并能提供硬件設備的冗余備份，防止由于設備故障引起的自動控制癱瘓。

2.3 綜合管理層

綜合管理層主要以友好的人機界面的形式完成船員對電力系統(tǒng)各設備的遠程交互，是電力監(jiān)控系統(tǒng)和人員進行交互的紐帶。綜合管理層設備可通過高速以太網下達控制指令，完成電力設備的集中遠程操作；另外，通過現(xiàn)代高級數據庫技術存儲電力設備的數據記錄信息，船員可通過數據調用的方式查看電力設備的歷史運行情況，有利于電力設備的快速故障定位；再次，通過網絡傳輸，綜合管理層設備可獲取電力系統(tǒng)的數據信息，通過高級軟件技術的支持，該層設備能以友好的圖形化界面形式實時顯示電力系統(tǒng)的各種參數，方便船員在固定的站位了解整個電力系統(tǒng)的運行情況。

2.4 各層的互聯(lián)

現(xiàn)場采集層設備將采集到信息發(fā)送至一條貫通電力監(jiān)控系統(tǒng)底層的CAN雙網，由于CAN總線的傳輸距離的限制，每個供配電區(qū)域之間需要通過CAN中繼器進行連接來保證CAN數據和指令的傳輸。現(xiàn)場采集層和區(qū)域控制層設備如機組控制器、智能IO裝置、配電控制器、區(qū)域管理器、數據通訊站都掛載在此CAN網上，從而保證電力監(jiān)控系統(tǒng)數據和指令的共享。

綜合管理層設備均通過高速以太網相互連接，設計采用冗余的高速交換式工業(yè)以太網，通過若干個交換機組成環(huán)網。電力集控臺、電力備用集控臺、區(qū)域監(jiān)控臺、區(qū)域管理器和數據通訊站都通過交換機接入上層高速以太網。高速以太網和實時CAN網通過區(qū)域控制層數據通訊站進行互聯(lián)，完成上下層設備數據信息和指令信息的交互。

2.5 各層的信息傳輸

電力監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸可分為數據流和指令流兩類。數據信息和指令信息是相輔相成的，數據信息是指令產生的依據，控制指令會導致數據信息的變化。電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，考慮到指令信息與數據信息在響應速度以及控制決策上的要求的不同，采用數據流與指令流相分離的設計方法。圖2與圖3為該方案中的數據流圖和指令流圖。

圖2 層次化的數據流圖

圖3 層次化的指令流圖

3 設計方案分析

3.1 實時性與可靠性

針對數據信息與指令信息響應時間的不同，處理方式的不同，現(xiàn)場采集層采用專用數據采集裝置處理數據信息，并結合專用控制操作系統(tǒng)處理指令信息的設計方案來保證底層監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和可靠性。

機組控制器作為控制網絡的最后執(zhí)行設備，要求實時性強，對指令的響應速度快。對機組控制器軟件程序執(zhí)行的環(huán)境采用實時操作系統(tǒng)VxWorks，該操作系統(tǒng)采用多任務調度機制，能很好安排控制程序的執(zhí)行順序，并具有很強的實時性，保證控制網絡的最終執(zhí)行性能。

智能IO裝置匯集采集到的數據信息，并上傳至CAN網。由于電子技術的發(fā)展，此類專用采集設備的可靠性得到保障，并且智能IO裝置內不具有控制邏輯，只處理數據信息，這在一定程度上可保證信息采集的穩(wěn)定性。

3.2 冗余性

設備的冗余性是指在系統(tǒng)中某個設備出現(xiàn)故障不能完成該設備的功能時，存在另外的設備能夠備用完成故障設備的功能。依據電力監(jiān)控系統(tǒng)設計的原則，重要控制部位應有冗余備用并可靈活替代，提高系統(tǒng)生命力。

區(qū)域控制層設備作為層次化設計的中樞神經，制定核心決策，完成整個供配電區(qū)域的控制策略，并轉發(fā)下層數據信息至上層以太網，起到承上啟下的作用。分層監(jiān)控方案對該層數據通訊站和區(qū)域管理器設置了冗余備份，適應系統(tǒng)的要求。

區(qū)域管理器的冗余性主要體現(xiàn)在：當某區(qū)域的區(qū)域管理器出現(xiàn)故障無法工作時，其余區(qū)域的區(qū)域管理器在數據流上，可以通過相互連接的下層CAN網或上層以太網獲取故障區(qū)域數據信息；在指令流上，區(qū)域監(jiān)控臺的人工指令可以通過相互連接的以太網傳輸至其余區(qū)域的備用區(qū)域管理上進行接收，而備用區(qū)域管理器的轉發(fā)指令可以通過相互連接的下層CAN網傳輸到達相關控制執(zhí)行器進行接收。另外，由于備用區(qū)域管理器能夠獲取故障區(qū)域的數據信息，故可進行決策分析，自行產生控制指令，通過相互連接的 CAN網傳輸至相關控制執(zhí)行器進行接收。

數據通訊站的冗余性主要體現(xiàn)在：當某區(qū)域的數據通訊站出現(xiàn)故障無法工作時，由于不同區(qū)域的數據通訊站下在下層CAN網還是上層以太網均相互連接，只要保證有一個區(qū)域的數據通訊站正常工作面且上下層網絡通訊正常，均可以實現(xiàn)下層CAN網和上層以太網的數據共享。

3.3 友好性

人機界面的友好性是指操作人員與被控設備之間的交互簡易、界面美觀清晰、易于操作人員的長期維護。對于和船員直接交互的綜合管理層設備，其設計目標應更趨向于加強人機交互的友好性。

對于綜合管理層設備電力集控臺和區(qū)域監(jiān)控臺，以操控臺形式安放于船體內專門部位，每個操作按鈕和旋鈕都有清晰印字，顯示部位為大屏幕LCD，安裝Windows系列操作系統(tǒng)，方便船員操作使用。操作系統(tǒng)中按要求安裝電力集控臺或區(qū)域監(jiān)控臺軟件，軟件的設計以友好性和交互性為基礎，船員只需簡單閱讀操作說明，經數次操作后就可對系統(tǒng)進行使用。

4 結束語

隨我國造船事業(yè)的蒸蒸日上，大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)將得到廣泛應用。本文提出的電力監(jiān)控系統(tǒng)方案對監(jiān)控設備根據功能側重點進行分層設計，并對每層設備的功能特點進行分析，驗證了方案實施的可行性。后續(xù)的主要任務將是：對不同層次硬件設備的選型，對控制程序與圖形化界面的設計進行更深入研究。

[1]劉志聲. 談系統(tǒng)分層[EB/OL]. http: //blog. csdn.net/ liuzhisheng/ archive/2007/12/18/1950121.aspx.

[2]孔祥營, 柏桂枝. 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado[M]. 北京：中國電力出版社, 2002.

[3]黃忠秀. 船舶運輸控制系統(tǒng)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.

[4]鄔寬明. CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計[M]. 北京:航空航天大學出版社, 2002.

Laying Design of Large Ship Power Monitoring System

XU Jun1, JIANG Zi-feng2
(1. Naval Armaments Department of Shanghai, Shanghai 201913, China; 2. No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

A scheme of power monitoring system in a hierarchy for large ship is proposed. Combining the distributed data acquisition and centralized control, the friendly human-computer interaction is emphasized. In the premise of ensuring the normal work of the monitoring system, the system takes full account for the redundancy of key equipment for further improving the safety and reliability of the monitoring system.

electric power system of ship; monitoring system; laying

TU85

A

徐鈞（1963-），男，高級工程師。研究方向：機電管理及控制方面。