船舶分布式智能損管監控系統開發

謝 坤

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船舶分布式智能損管監控系統開發

謝 坤1,2

(1. 中國船舶研究設計中心，武漢430064；2. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

針對影響船舶安全的各種損害隱患問題，將可計算機網絡技術和先進控制技術應用到船舶損管監控系統中。對該系統的功能、組成和原理進行分析，建立損管監控臺、現場控制設備及數據處理設備、各類傳感器及執行機構之間的關系，提出了船舶損管監控方法。在半實物仿真試驗、陸上聯調試驗和實船上對該監控系統進行了實際應用，研究結果表明：該系統提高船舶損害隱患的管控水平，保證了船舶的安全性、可靠性和生命力。

船舶損管監控系統 傳感器 可編程邏輯控制器 損管監控臺

0 引言

船舶在使用過程中，會因戰時受導彈、魚雷、水雷和炮彈等武器的攻擊或平時因碰撞、擱淺、起火、爆炸等事故產生影響船舶安全的各種損害隱患(如火災、浸水等)，如果不采取及時有效地損害管制(以下稱“損管”)措施，就會對船舶的安全性構成極大的威脅。船舶因為初次損傷而直接喪失生命力的是少數，快速、準確地定位損害隱患并迅速采取有效的措施是提高其生命力的重要手段。損管的目的在于將船舶維持在正常或接近正常的工作環境下，保障船舶的安全性。

要保障船舶的安全性、可靠性和生命力，迫切需要建立一套功能齊全、技術先進、設備可靠、響應快速的損管系統來實施損害管制。而且，在船舶上安裝損管監控系統已經成為保證相關人員及時掌握全船安全狀況的關鍵。目前，船舶損管監控系統已經有了很大的發展，特別是隨著計算機網絡技術和先進控制技術的高速發展，損管監控系統已經逐步發展成為具有可視化、可評估、可決策、可控制、可預測功能的現代智能化系統[1,2]。

1 系統架構

如圖1所示，船舶損管監控系統在邏輯上采用基于管理層、控制層、數據層三層模型的系統架構，其承載實體分別是損管監控臺、現場控制設備及數據處理設備、各類傳感器及執行機構[3,4]。

圖1 船舶損管監控系統基本系統架構圖

管理層通過人機交互來完成。損管監控臺能夠以圖形化的方式顯示損管系統的狀態，并能將控制指令傳送到各個現場控制設備及數據處理設備，實現人機交互。

控制層是核心的現場控制設備及數據處理設備。它分布在全船各艙室，采集數據信息傳送到網絡，接收控制指令將其發送到相應的設備，執行指令相應的操作。

數據層包括各種終端設備，如傳感器、本地處理控制器、執行器等。

管理層、控制層、數據層三層模型分離了人機交互與控制的功能及數據層和控制層，增強了可維護性和安全性[5,6,7]。圖2為損管監控系統的系統工作流程框圖。

圖2 損管監控系統工作流程框圖

2 系統組成

船舶損管監控系統包括控制保護、運行管理等功能模塊。船舶損管監控系統組成如圖3所示。

圖3 船舶損管監控系統組成示意圖

控制保護模塊由抗沉防沉、滅火、液艙、艙門、輔機等監控子系統組成。抗沉防沉監控子系統顯示船體水密性、浮態、姿態等狀態信息，指導疏排水、浮態調整、姿態調整等抗沉防沉操作；滅火監控子系統實時監測火情，指導人員疏散、隔離火源、遙控釋放滅火劑等滅火操作；液艙監控子系統顯示各燃油艙和淡水艙的裝載量，計算并顯示目前船舶的續航力、自持力狀況；艙門監控子系統實時監控門和蓋的開閉情況；輔機等監控子系統監控船上重要輔機的啟停、運行或故障報警信息。運行管理模塊由綜合監控、運行支持等子系統組成。

船舶損管監控系統的主要設備包括損管監控臺、現場控制設備、信號處理設備、執行元件等；此外，還包括采集溫度、煙霧、浸水、轉速、濕度、壓力、液位等損管系統實時參數的先進傳感器或測量儀器。

3 硬件設計

3.1損管監控臺

損管監控臺實時顯示船舶的抗沉防沉、滅火、液艙、艙門、輔機等損管狀態。損管監控臺的架構圖如圖4所示。損管監控臺由標準顯示單元、專用顯示單元、人機接口計算機、任務處理計算機以及鼠標、鍵盤、專用操控單元組成。

圖4 損管監控臺架構圖

損管監控臺與現場控制設備/數據處理設備的主要信息通過雙冗余以太網傳輸，與安全運行密切相關的顯示和控制信息通過現場總線或硬接線來完成，確保可靠性[8,9]。

3.2現場控制設備/數據處理設備

數據處理設備通過傳感器實時采集損管系統主要設備的運行參數和狀態信息數據，經處理后過上傳至全船以太網，并在觸摸屏上進行顯示；現場控制設備接受管理層指令，經處理后對各類傳感器及執行機構進行集中控制和參數設定。

數據處理設備/現場控制設備均由柜體結構、可編程邏輯控制器（簡稱PLC，含電源、處理器、通信模塊、開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等若干模塊）、觸摸屏等組成。現場控制設備的架構圖如圖5所示[7]。

圖5 數據處理設備/現場控制設備架構圖

數據處理設備/現場控制設備基本配置如下：

a）PLC：用于參數運算與程序控制，采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，選用電源模塊SITOP 24V/2.5A，CPU模塊CPU 224XP CN AC/DC/繼電器、離散量混合輸入/輸出模塊EM 223 CN 24V DC 16 輸入/16 輸出，離散量繼電器輸出模塊EM223 CN 24V DC 16 輸入/16 繼電器輸出，模擬量混合輸入/輸出模塊EM 235 CN、PROFIBUS-DP 模塊EM 277、通用機架。

b）觸摸屏：用于信息顯示與操作控制，采用SIEMENS公司的TP 270 10英寸觸摸屏。觸摸屏在Windows 環境下使用ProTool 軟件進行組態，通過與PLC進行通信，作為其上位機。

3.3各類傳感器及執行機構

傳感器完成損管系統主要設備運行數據和狀態、報警信息的實時采集，并以離散量和模擬量信號的形式上傳至PLC[9]。

損管監控系統中主要有溫度、煙霧、浸水、轉速、壓力、液位等各類傳感器。溫度傳感器負責監測主機、輔機的滑油溫度、冷卻水溫度和艙室的空氣溫度，煙霧傳感器負責監測火災可燃物不充分燃燒引起的煙霧，浸水傳感器負責監測水密性故障引起的漏水現象，轉速傳感器負責監測主機、輔機的轉速，壓力傳感器負責監測主機、輔機的滑油壓力，液位傳感器負責監測燃油艙油位或液艙的水位。通過程序對傳感器的參數進行配置，一旦傳感器參數異常，損管監控系統會發出報警信號，并通過執行機構實現應急操作。

4 系統軟件

船舶損管監控系統的軟件由現場控制設備軟件和損管監控臺軟件兩部分組成。其中，現場控制設備軟件包括PLC軟件和觸摸屏人機交互界面軟件，損管監控臺軟件包括人機交互界面軟件和任務處理軟件。現場控制設備PLC與觸摸屏、損管監控臺之間通過OPC協議以服務器/客服端的模式進行通訊[10]。

如圖6所示，船舶損管監控系統包括數據采集、處理和顯示三部分軟件。其中數據采集和處理部分部署在服務器端，即現場控制設備PLC，數據顯示部分部署在客戶端，即觸摸屏、損管監控臺。通過OPC服務器/客服端的通訊協議，實現船舶損管監控信息實時顯示和數據存儲及查詢。

圖6 損管監控系統的軟件架構圖

4.1現場控制設備軟件

現場控制設備PLC的軟件組態在施耐德UnityPro V5.0組態軟件上實現，觸摸屏軟件采用基于Windows平臺的Visual Studio集成開發平臺環境開發。

現場控制設備PLC接收傳感器實時采集的損管系統主要設備運行數據、狀態及報警信息，經PLC組態軟件進行數據處理后，在觸摸屏、損管監控臺上進行顯示。同時，現場控制設備PLC接受觸摸屏、損管監控臺指令，經處理后對現場電動執行器進行直接控制。

如圖7所示，現場控制設備軟件的實現流程分為四個部分：

圖7 現場控制設備軟件流程圖

1）系統初始化、自檢：現場控制設備通電，PLC軟件、觸摸屏軟件自動運行，并進行通訊設置和參數配置。自檢的目的主要是檢測相應部件是否能夠正常工作。通過按下自檢按鈕，依次點亮現場控制設備觸摸屏軟件界面的損管報警燈和損管故障燈，其次是現場控制設備蜂鳴器鳴叫。

2）損管信息顯示及報警：傳感器實時采集的損管系統主要設備運行數據、狀態及報警信息，上傳至PLC的離散量混合輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊，經PLC組態軟件進行數據處理后，在觸摸屏、損管監控臺上進行顯示及聲光報警。

3）損管控制指令下達：操作人員通過觸摸屏、損管監控臺人機交互界面軟件下達控制指令，PLC軟件接收指令并進行內部邏輯處理，通過PLC的離散量混合輸入/輸出模塊、離散量繼電器輸出模塊、模擬量輸出模塊對滅火劑、現場電控閥、電機等執行器進行直接控制。

4）設備故障分析與處理：在觸摸屏、損管監控臺上通過聲光報警、文字形式正確反應電氣元件發生的故障或者不正常運行狀態。

4.2損管監控臺軟件

損管監控臺人機交互界面軟件采用基于Windows平臺的Wonderware集成開發平臺環境開發，任務處理軟件采用給予Vxworks操作系統的Tornado開發平臺開發。

如圖8所示，人機交互界面軟件提供船舶損管系統主要設備的集中監控和運行管理，通過雙冗余以太網接收損管系統相關運行參數、狀態及報警等信息，在顯示器屏幕上顯示并提供損管輔助決策信息，操作人員通過屏幕軟操下達相關控制指令。

圖8 人機界面軟件架構圖

任務處理軟件通過現場總線或串口接收實時性、可靠性要求較高的重要運行參數、狀態及報警信息并顯示，同時通過硬操按鈕、開關等下達相關控制指令。

任務處理軟件與人機界面軟件之間的通信可通過基于CORBA技術規范的中間件實現[11,12]。損管監控臺的軟件體系結構如圖9所示。

圖9 損管監控臺的軟件體系結構圖

5 結束語

船舶損管監控系統通過可視化、可評估、可決策、可控制、可預測功能快速、準確地定位損害隱患并迅速指導采取有效的措施，阻止或減少損害程度，將船舶維持在正常或接近正常的工作環境下，保障船舶的安全性。半實物仿真試驗、陸上聯調試驗和實船應用表明，船舶損管監控系統對保障船舶的安全性、可靠性和生命力具有重大作用和深遠意義。

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Ship’s Distributed Intelligent Damage Control System

Xie Kun1,2

(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

TP273

A

1003-4862（2016）08-0005-05

2016-03-07

謝坤（1986-），男，博士研究生，工程師。研究方向：船舶電氣自動化。