海上核電站的綜合平臺管理系統設計

李 勇，吳國東，彭 柳，曹光明

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海上核電站的綜合平臺管理系統設計

李 勇，吳國東，彭 柳，曹光明

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

以海上核電站為應用背景，對船舶平臺綜合平臺管理系統（IPMS）傳統設計中存在的不足進行了分析，提出了基于雙冗余以太網的綜合平臺管理系統設計方案，對以太網絡化的綜合平臺管理系統的結構、功能及實現該系統的關鍵技術進行了闡述。該系統的結構具有簡單開放、網絡化強、可擴展性強、可靠性高、可維護性高等特點，因此有著廣泛的應用前景。

海上核電站 雙冗余以太網 綜合平臺管理系統

0 引言

海上核電站可采用船舶浮動式平臺，是小型核反應堆與船舶工程的有機結合，主要業務為核能發電，為長期駐泊在海洋上的海洋工程船舶平臺或者遠離大陸的海島提供電能和淡水。

船舶平臺的綜合平臺管理系統（IPMS，Integration of Platform Management System）在綜合應用十分成熟的計算機技術、網絡通訊技術、工業自動化控制技術、數據庫技術和信息融合及共享技術的基礎上，將船舶平臺上的各分系統及設備連接到一個以信息共享為核心目標的統一網絡，形成一個集信息綜合管理、集中監視、綜合管控和船舶平臺安全于一體的高度自動化、信息化、智能化和網絡化的綜合大系統。該系統全面獲取船舶平臺上各分系統的傳感器信息、執行器信息、設備信息、控制指令信息、安全信息等，集中監視和管理船舶平臺各分系統及重要設備的數據信息，對突發的報警、故障等事件進行靈敏的檢測并給出快速的響應，及時發出各種針對報警、故障等突發事件的控制指令信息，對平臺各分系統實現及時有效的操作和控制，是船舶平臺的信息中心，是對船舶平臺進行指揮與控制的神經中樞?？偟膩碚f，設計該系統的目標是為日趨復雜化的船舶平臺各系統及設備的操作人員提供更實用可靠的操作界面，通過網絡實現船舶平臺資源和信息的交互與共享，對船舶平臺所有系統及設備實現集中監測和綜合管控，提高船舶平臺的綜合效能，簡化船舶平臺的運行操作，強化船舶平臺的可靠性和安全性[1-4]。

近年來，國內外的船舶平臺IPMS的底層控制網絡多采用基于現場CAN總線的分布式系統，上層信息管理網絡采用以太網，整個IPMS的信息系統集成需要實現CAN總線控制網絡與以太信息網的互聯，使得信息的交互和共享很是困難，一般需要借助Socket（套接字）、中間件技術、OPC技術等手段[5-8]來完成兩個異種網絡之間的數據交互和共享。鑒于以太網技術在我國船舶平臺IPMS中越來越廣泛的應用現狀[9-12]，本文主要研究了采用以太網技術實現信息系統集成的設計方案，實現了海上核電站基于雙冗余以太網的新型IPMS。

1 船舶平臺傳統IPMS的不足

目前，我國船舶平臺IPMS主要采用傳統的電氣自動化技術設計系統方案，從總體上來看，傳統IPMS的系統方案在設計上的不足主要體現在：

1）在傳統的設計方案中，船舶平臺一般多段組裝拼合建造，傳感器/執行器分散分布于所有艙室艙段，而若干控制單元集中分布于某個艙室艙段。這種模式使得系統整個結構復雜，穿艙線纜眾多，造成系統難以裝配、擴展、維修和維護的不利局面，大大增加了系統的研發成本。

2）在傳統的設計方案中，船舶平臺中的動力、船橋、保障、主機、電站、閉路電視等分系統的設備通常采購于不同的供應商，遵循不同的通信協議或標準，各分系統往往只能形成各自封閉的控制網絡，各自為政，彼此間實現信息的共享與交互比較困難。

3）在傳統的設計方案中，船舶平臺的底層控制網絡一般采用現場總線，上層管理信息網絡采用以太網，整個系統中有現場總線和以太網兩者并存的異種網絡系統，使得信息的共享與交互很是困難。

4）在傳統的設計方案中，底層控制系統的對外接口往往不是統一的，如果需要擴展控制單元的接口數量和類型，船舶平臺的底層控制系統需要做較大的改動，系統網絡的可擴展性比較差。

5）在傳統的設計方案中，每一個控制單元都只是實現特定的功能，其功能需求增加時其軟硬件也需要做較大的改動，與此同時，對其他一些有邏輯聯系的控制單元的軟硬件也需要進行關聯性的更改，這使得系統軟硬件的可擴展性比較差。

6）在傳統的設計方案中，對于系統軟件的設計，由于每一個控制單元的軟件都只是實現特定的功能，這使得每一個控制單元在進行單機調試時都需要配置一套專用的模擬調試軟件，與此同時，由于整個系統中控制單元的數量眾多，造成開發工作量較大，開發進度較慢，開發成本增加的后果。

針對船舶平臺傳統IPMS方案設計的不足，本文提出了一種新型的IPMS設計方案，整個系統從底層控制網絡到上層信息管理網絡均采用以太網，并對系統的軟硬件進行模塊化設計，有效地解決了以上所述問題，為將來的船舶平臺的IPMS方案設計提供了一個嶄新的應用方向。

2 IPMS構建方案

當前，我國船舶平臺中的底層傳感器/執行機構數量眾多，而且分散分布于各艙室艙段，集中分布于某一艙室艙段的若干控制單元對平臺各系統進行數據采集和控制，這往往造成船舶平臺中系統穿艙線纜過多、網絡連接結構因層次不清而復雜的局面，使得整個系統的組裝、調試和維護十分不便。

近年來，隨著以太網絡技術的發展，我國船舶平臺底層控制系統網絡從多采用CAN總線向采用光纖以太網的方向發展，本方案將雙冗余光纖以太網應用到海上核電站的底層控制系統中，同時，采用通用化統一化的控制單元模塊來解決海上核電站的控制單元多樣化的難題，通過接入交換機將各個艙室的控制單元掛接到雙冗余以太網，經光纖網絡傳輸到后臺服務器，在后臺服務器完成數據的處理與存儲，并在顯控臺、顯示屏完成平臺各系統的集中監視與管理。該方案可以明顯減少穿艙線纜的數量，網絡連接結構層次分明，也極大地方便了系統的組裝、調試和維護。

2.1 底層控制系統構建（分散控制層）

海上核電站的底層控制系統打破以往分系統獨自實現數據采集與控制的方式，采用通用化統一化的控制單元模塊對平臺各系統進行艙室級采集與控制。圖1為底層控制系統方案結構圖。

圖1 底層控制系統方案結構

該系統方案采用分布式的采集控制方式，每個艙室配置兩個控制單元，兩者之間互為備份，通過艙室內冗余配置的接入交換機掛接到雙冗余光纖以太網，實現底層控制系統與上層信息管理網絡的互聯?？刂茊卧筛鶕鞲衅鳌绦袡C構（泵、閥等）等外部接口對象的分布位置就近布置，物理上是對艙室中眾多的各系統傳感器、執行機構的匯聚，穿艙線纜較少，也便于系統的連接與組裝。同時，控制單元的體積相對較小，空間占用較少，其布置位置可以根據平臺實際布置情況進行適當調整，布置具有一定的靈活性。

相較于船舶平臺底層控制系統的傳統設計方案，該底層控制系統方案的優點主要體現在：

1）打破以往船舶平臺分系統各自為政的傳統，通過通用化統一化的控制單元模塊對平臺底層的傳感器和執行機構進行艙室級數據的統一采集與控制，規避了由于不同分系統配置不同控制單元造成的不兼容問題，同時減少了IPMS底層功能模塊的數量，大大簡化了系統的設備配置。

2）不同于以往底層控制系統多采用CAN等現場總線的方式，控制單元經以太網關設備不再掛接到底層現場總線上，而是掛接到以太網上，再經接入交換機連接到上層信息管理網絡，兩層網絡不再屬于異種網絡系統，均為以太網絡，極為方便地實現了整個系統底層網絡和上層網絡的信息共享與交互。

3）每個艙室配置兩個控制單元，兩者之間互為備份。在其中一個發生故障時，可迅速將采集控制I/O接口轉換至另一個，可以有效提高分散控制的可靠性和穩定性。

4）控制單元物理上是對艙室中眾多的各系統傳感器、執行機構的匯聚，明顯減少線纜線束的數量及體積，使得底層布線、安裝、集成既簡單又方便。

5）控制單元硬件通用化、統一化，如果增加新的功能，硬件無需任何改動，只需更新升級軟件即可，便于故障維修和日常維護。

6）底層結構扁平化，控制單元相當于一個網絡節點，可以通過增加節點的方式方便地對底層設備進行擴充，提高了系統的可擴展性。

7）可對信號串擾、電磁干擾等因素造成的數據傳輸錯誤進行實時監測與糾正，并對監測到的故障進行存儲，方便系統的在線或離線故障診斷，為系統的快速調試和維護節省了時間。

2.2 以太網傳輸系統構建（網絡層）

海上核電站IPMS通過以太網系統完成采集與控制信息的傳輸、處理和存儲?？刂茊卧ㄟ^接入交換機把平臺各系統的數據掛在雙冗余光纖以太網，通過核心交換機的匯聚，平臺各系統的數據傳輸到后臺服務器進行數據處理和存儲。圖2為以太網傳輸系統方案結構圖。

在平臺各艙室布置接入交換機，其向下連接控制單元，向上連接核心交換機，形成全平臺一體化網絡，進行檢測、控制、預警等信息的可靠、快速、便捷傳輸。根據海上核電站各系統信息對網絡的需求，新型綜合平臺管理系統在星型拓撲結構的基礎上構建一體化信息傳輸網絡，具體組網方式為雙冗余星型無環路光纖以太網方式，主要電子設備配備冗余網卡，結合每艙兩個接入交換機以及配置為冗余結構的兩個核心交換機，構建冗余網絡傳輸架構，能夠在各主要電子設備網絡通信部件出現單點故障時，保障網絡通信的連續性，有效提高了網絡的穩定性和可靠性。

圖2 以太網傳輸系統方案結構

圖3 基于雙冗余以太網的IPMS結構圖

以太網傳輸系統方案具有以下優點：

1）不同于以往的CAN總線組網方式，本方案的網絡采用工業以太網作為傳輸介質，在網絡可靠性、抗惡劣環境能力、信息傳輸的實時性與確定性等方面比普通商用以太網有很大的改進和改善。

2）工業以太網交換機可以提供諸如虛擬局域網、組播、服務質量控制等技術來滿足船舶環境對網絡和實時性的要求。

3）本方案采用星型無環路的網絡拓撲結構，各個層面設置冗余鏈路或設備備份，充分考慮了鏈路中斷、設備故障等意外情況，有效提高網絡的可靠性。

4）本方案采用雙冗余光纖以太網進行網絡傳輸，應用星型無環路的網絡拓撲結構，使用TCP/IP協議，由接入交換機、核心交換機和傳輸媒質等組成。以太網配置為雙冗余方式，在其中一個光纖以太網出現網絡故障或組成設備出現單點故障的情況下，整個系統可以通過另一個光纖以太網繼續正常工作。

2.3 基于雙冗余以太網技術的新型IPMS信息集成方案

整個系統在結構上從下到上依次分為分散控制層、網絡層和監視操作層，如圖3所示。

1）分散控制層是對數據信息進行采集與控制的部分，所有底層設備的數據信息通過控制單元接入以太網絡：傳感器、執行器通過具有相應數據處理能力的控制單元，采集與控制信息經協議轉換成以太網格式，最終通過接入交換機接入到全平臺一體化網絡。

2）網絡層是對數據信息進行傳輸與服務的部分，是雙冗余光纖以太網的骨架，是構成平臺一體化網絡的主要組成部分。各艙室經控制單元匯聚的底層信息經接入交換機、核心交換機掛接到平臺一體化網絡，通過以太網傳輸到后臺服務器處理與儲存。

3）監視管理層是對數據信息進行集中監控與綜合管理的部分，是船舶平臺的信息中心，是對船舶平臺進行指揮與控制的神經中樞。IPMS通過船體顯控臺、船舶操控臺、綜合報警信息顯示屏、視頻監控信息顯示屏等實現全平臺的系統級監視管理。船體顯控臺、船舶操控臺（不止這兩個顯控臺，可根據平臺系統需要增加或共用）等安裝平臺各業務系統對應的人機交互軟件，通過核心服務器直接調閱平臺各系統信息及設備運行狀態，并根據運行需求進行平臺各系統執行設備的遠程操作控制；綜合報警信息顯示屏、視頻監控信息顯示屏（不止這兩個顯示屏，可根據平臺信息顯示的需要另行增加）等通過核心交換機從后臺服務器直接調取數據，實時監視平臺各系統的運行狀態和參數信息、視頻監控信息、報警信息、核控與電力信息。

2.4 新型綜合平臺管理系統設計方案的優點

系統總體架構采用雙冗余光纖以太網，網絡具有可靠性高、高速傳輸、價格低廉、組網應用方便等特點。作為當今應用越來越廣泛的通信網絡，以太網有著多種傳輸媒質可選、傳輸速度快、價格低廉等優點。雙冗余結構的應用，可進一步提高以太網絡的可靠性和穩定性。組網應用方便是以太網的應用中突出的特點，系統間的互聯往往很容易，可無縫連接和集成船舶平臺的閉路電視網絡等其他的監控網絡，也便于和船舶平臺的岸基監控中心進行通訊。

系統整個結構層次分明而簡單，設備之間的連接線很少，可以很容易地進行設計、故障維修和日常維護等，明顯提高了整個系統的可維護性能。系統主要通過網線連接各個設備，底層控制單元采集的數據均通過網線傳輸給接入交換機，掛接到一體化以太網網絡上，再通過核心交換機傳輸給后臺服務器、顯控臺和顯示屏等設備。

如果系統中某一艙室的控制單元需要增加新的功能，只需要修改對應控制單元的軟件即可，其他艙室的控制單元的軟件無需任何更改，系統具有更強的適應性。

如果系統需要進行功能擴展，如增加更多的控制單元，則系統總體設計方案無需改變，只需要將新增加的控制單元接入所在艙室的接入交換機即可，整個系統具有良好的硬件可擴展性。

在傳統的設計方案中，單機調試時每一個控制單元都需要一套模擬調試軟件，用來模擬該控制單元的接口功能。如果采取本方案不分系統的艙室級采集控制方法，整個系統只需一套模擬調試軟件，就可以滿足每一個控制單元的單機調試需求，從而使得系統軟件的開發工作量減少，開發進度加快，開發成本降低。

當前，國內外較多的船舶平臺IPMS的底層控制網絡采用CAN總線，上層信息管理網絡采用以太網，整個IPMS中有CAN總線和以太網兩種網絡，兩者并存，由于屬于異種網絡系統，其信息系統的集成需要實現CAN總線控制網絡與以太信息網的互聯，使得信息的共享與交互很是困難。該方案采用雙冗余以太網整合底層控制網絡和上層信息管理網絡，建立全平臺一體化信息網絡，極大地方便了平臺信息的交互和共享。

3 新型IPMS關鍵技術

3.1 雙冗余光纖以太網技術

雙冗余光纖以太網是整個綜合平臺管理系統的核心部分，網絡應用星型無環路的網絡拓撲結構，使用TCP/IP協議，由接入交換機、核心交換機和傳輸媒質等組成。光纖以太網配置為雙冗余方式，在其中一個光纖以太網出現網絡故障或組成設備出現單點故障的情況下，整個系統可以通過另一個光纖以太網繼續正常工作。

3.2 硬件模塊化設計技術

綜合平臺管理系統中含有眾多的控制單元，包括控制器模塊、I/O模塊和通信模塊等核心部分，各模塊的結構標準化；供電標準化，統一使用直流24 V模式；通訊協議標準化，統一采用以太網通訊協議，保證控制單元在硬件上通用化、統一化。在硬件上采用模塊化設計的好處有：1）控制單元采用通用統一的硬件模塊，可以有效降低系統的硬件設計成本，明顯提高系統的可裝配性、可維護性能。2）采用模塊化方法設計系統硬件，有效提高了系統配置與擴展的便捷化程度。根據船舶平臺的大小及類型，可以很方便地進行合理又經濟的系統設備配置；而且，整個系統采用以太網絡技術，使得系統的擴展功能十分強大。3）為軟件的模塊化設計提供基礎，可以明顯減少系統軟件的開發工作量。4）由于系統中的每個控制單元通過以太網進行系統數據的交互，如果需要對系統的功能進行擴展，通過增加控制單元模塊就可以實現，可以很方便地接入系統的以太信息網絡，系統硬件及線纜都不需要做任何的更改，使得系統硬件有著極好的可擴展性。

3.3 軟件模塊化設計技術

綜合平臺管理系統中的每一個控制單元采用通用統一的硬件模塊來實現各自的采集和控制功能，在軟件功能上硬件的底層驅動是相同的部分。采用軟件模塊化的設計思路，對硬件的底層驅動進行統一的軟件設計，使得每一個控制單元均配置一樣的硬件底層驅動軟件。這就使得軟件開發只需關注應用層軟件的功能設計，在減少系統軟件開發時間的同時又提高了軟件的可靠性。

4 結論

本文首先分析了我國船舶平臺傳統IPMS的系統方案在設計上的諸多不足，在此基礎上，以海上核電站為應用背景，提出了基于雙冗余以太網的新型綜合平臺管理系統，采用雙冗余以太網絡作為網絡架構整合底層控制網絡和上層信息管理網絡，并對系統的軟硬件進行模塊化設計，有效解決了傳統方案中出現的系統線纜眾多、信息集成困難、硬件多樣化、軟件不易擴展等諸多問題。該系統的結構具有簡單開放、網絡化強、可擴展性強、可靠性高、可維護性高等特點，可以極大降低系統總體的研發成本，對于提高船舶平臺的操控管理自動化水平和信息化程度具有重要的意義，有著廣泛的應用前景。

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Design for Integrated Platform Management System of Marine Nuclear Power Station

Li Yong, Wu Guodong, Peng Liu, Cao Guangming

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TP302

A

1003-4862（2019）02-017-06

2018-09-17

國家能源局海洋核動力平臺總體關鍵技術及裝備研發（NY20150201、NY20150202）。

李勇（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶綜合信息與控制。E-mail: liyonglynn@163.com