全船自動化典型解決方案解析

王 芳， 吳炎彪， 王 劍

(1.杭州電子科技大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310018；2.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001；3.浙江大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310058；4.浙江源創建筑智能科技有限公司， 浙江 杭州 310053；5.浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027)

0 引 言

船舶與海洋工程裝備的研究開發必須通過質量管理(ISO9000系列)、海上人命安全、船舶操作安全、防污染與船舶入級等一系列標準、公約和規范[1-2]。同時在性能上，電氣、電子設備的系統設計、性能指標、安裝要求、電磁兼容性能測試方法與等級劃分等方面[3-5]還須符合國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)的標準與依據。因而，高附加值船舶與海洋工程配套設備的面世，對國內企業的研發投入、水平及經營管理都提出較高的要求。

1 全船綜合自動化技術分析

“海洋石油981”深水鉆井平臺上配套的綜合自動化系統(Integrated Automation System, IAS)如圖1所示，對其解決方案的技術特點進行分析。

圖1 “海洋石油981”鉆井平臺上配套的IAS

1.1 齊全的系統級產品

IAS涵蓋對平臺自身的運動控制及對平臺上的生產設施系統、動力系統、儀表控制系統、生產輔助系統、公用系統、消防系統等設備進行監測、控制、保護、報警等，已形成集機艙監控報警、電站管理、輔機監控、航行自動化等于一體的船舶綜合管理系統。

1.2 標準化、模塊化、系列化的開放式體系結構

出于安全性與安裝、操作方便的考慮，船舶IAS的結構一般采取分散控制、集中操作與集中管理的設計原則。由圖1可見：各個子系統在硬件組成上一般由標準化的操作站(Operator Station, OS)、分布式處理單元(Distributed Processing Unit, DPU)/分布式控制器(Distributed Controller, DC)、現場信號采集模塊及與其連接的通信網絡組成。

按照相關船級社的規范要求，OS會分別布置在橋樓/中央控制室、機艙控制室、貨艙控制室等，同時各類輔助顯示屏須安裝在船舶的各主要部位，所有OS與顯示屏并行工作。綜合自動化解決方案中的每個子控制系統都具有相應的OS，提供人機交互界面(Human Machine Interface, HMI)供操作人員下達操作指令。只要有合法的用戶權限就可以通過任一操作臺或就地顯示屏進入船舶IAS中的任一子系統。OS的操作系統采用基于Windows XP的應用控制環境、500 ms基本控制執行環境，具備對象連接與嵌入(Object Linking and Embedding, OLE)的過程控制(OLE for Process Control, OPC)標準的集成數據訪問，使不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使全船數據交換更加簡單化。OS具備良好的圖形用戶界面(Graphical User Interface, GUI)與HMI，方便用戶及時下達操作指令并實時監控船舶的運行狀態。動力定位控制系統(Dynamic Positioning Control System, DPCS)中OS的GUI和HMI如圖2和圖3所示。船舶監測與綜合控制系統(Ship Monitoring and Integrated Control System, SMICS)中OS的GUI如圖4所示，包括流程圖、列表圖、趨勢圖、事件列表圖、系統配置圖、PDF視圖、系統導航索引圖等，以滿足不同子系統的監控要求。

圖2 DPCS中OS的GUI

圖3 DPCS中OS的HMI

圖4 SMICS中OS的GUI

DPU/DC是整個IAS的計算中心，分布于船舶的各個控制現場，實現各類報警、控制、安全等實時任務。DPU的中央處理器(Central Processing Unit, CPU)模塊、動力模塊、通信模塊和數據通信總線均采用1∶1熱備份冗余，可以自動實現冗余控制器之間的切換，當然用戶也可以手動進行切換。冗余控制模塊可以相互診斷其對應的冗余控制器系統中的設備是否發生故障，某一控制器發生故障將不會影響其余冗余配置的控制器，以保證整個控制系統的正常進行。康士伯公司提供多個不同類型的DPU模塊，以適應控制現場的不同輸入/輸出(Input/ Output, I/O)點的需求與應用情況。同時，在I/O點分布較為集中的位置設置現場信號采集箱。

1.3 可靠的網絡體系

船舶IAS的網絡架構是一個多層次的網絡結構體系，根據不同的應用需求可將其分為信息管理層、實時控制層與現場設備層，3層分別采用不同的網絡協議。“海洋石油981”深水鉆井平臺上，信息管理層利用雙重冗余的工業局域網(Local Area Network, LAN)實現各類OS、工程師站、數據服務器及顯示終端設備間的通信；實時控制層采用冗余控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)總線實現OS與DPU之間的通信。為了保證網絡的整體安全性與可靠性，在終端與終端之間設置網絡分配單元(Network Distribution Unit, NDU)進行網絡系統的擴展，同時也可實現故障隔離。DPU與第三方設備或系統的通信一般通過串口通信協議(Serial Communication Protocol, SCP)。對于某些特殊系統，如DPCS，主DPCS與備用DPCS通過冗余光纖連成網絡，達到信息共享。

除了可靠的產品質量，由于康士伯公司所配套的大型船舶主要在無限航區航行，因此建立完善的全球售后網絡服務體系是提高產品服務質量、贏得品牌信任的又一營銷手段。

2 子系統分析

康士伯公司的全船IAS主要包括DPCS、推進器控制系統(Thruster Control System, TCS)、綜合導航控制系統(Integrated Navigation Control System, INCS)、SMICS、綜合安全控制系統(Integrated Safety Control System, ISCS)等。

2.1 DPCS + TCS

動力定位系統(Dynamic Positioning System, DPS)的功能是僅使用船上推進器系統的推力來保持船舶與海洋平臺在海上的位置或預先確定的航跡。近年來，隨著石油與天然氣的開發不斷向深海區域拓展，DPS的需求逐年上升，逐漸取代傳統的錨泊定位方式，動力定位(Dynamic Positioning, DP)將成為各類海洋結構物進行深海作業的唯一選擇。國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)與中國船級社(China Classification Society, CCS)、挪威船級社(Det Norske Veritas, DNV)、美國船級社(American Bureau of Shipping, ABS)等各大船級社在相關規范中提出要求：DPS不僅須具備自動控制方式，而且須具備一套獨立的操縱桿控制系統，同時須使用單獨的控制器來實現對各個推進器的手動控制(起動、停車、方向與螺距控制等)。為此，康士伯公司的DPCS還包括一套獨立的聯合操縱桿(CJoy)控制系統，同時TCS與DPCS一起進行銷售。由于康士伯公司的DPCS基于相同的軟硬件平臺，采取模塊化的設計，因此根據IMO與各大船級社對DPS的不同等級/附加標志要求，DPCS中DP可以靈活進行配置與擴展，升級至附加標志等級較高的系統，如表1所示。

表1 DPCS中DP的等級/附加標志

2.2 INCS

INCS的主要特點是具有完善的綜合導航、自動操船、自動避碰、通信和航行管理、控制自動化等多種功能及豐富的圖形界面，從而實現船舶航行的高度自動化，提高航行的安全性與經濟性[5]。從OS的布局來看，康士伯公司的INCS一般包括自動雷達標繪儀(Automatic Radar Plotting Aid, ARPA)、電子海圖顯示與信息系統(Electronic Chart Display and Information System, ECDIS)、橋樓航行值班報警系統(Bridge Navigational Watch Alarm System, BNWAS)、駕駛指揮系統(Conning System, CS)、自動駕駛儀與航跡控制系統(Autopilot and Track Control System, ATCS)。

船舶導航與駕駛自動化技術是具有航海專家數據庫及國際通用電子海圖技術支持的數字化、智能化、模塊化和集成化的綜合導航與駕駛控制的網絡系統[5]。國外先進的自動化生產商已研制推出第3代、第4代的INCS，未來將進一步融合航海專家數據庫技術、通用型ECDIS技術、多導航傳感器的信息融合處理技術、基于多任務實時操作系統的系統集成技術、系統導航功能模塊化技術等，實現智能駕駛。

2.3 SMICS

SMICS是集機艙動力系統及其輔助系統的自動控制、監測、報警等于一體的監控系統，保障機艙、貨物系統及其輔助設備的安全與有效運行，包括動力管理系統(Power Management System, PMS)、報警與監測系統(Alarm and Monitoring System, AMS)、輔助機械控制系統(Auxiliary Machinery Control System, AMCS)、壓載自動化系統(Ballast Automation System, BAS)、裝載與穩定管理系統(Load and Stability Management System, LSMS)、貨物監控系統(Cargo Control and Monitoring System, CCMS)等。

康士伯公司的SMICS采用標準化、模塊化的設計，將機艙的各個子系統進行有效集成，可以根據船舶的不同類型及船舶的不同應用需求靈活地進行配置。目前國內部分船舶配套企業已有各自的機艙子系統面世，但還沒有一家企業推出集機艙、貨物、動力等管理于一體的SMICS，同時國產設備在成熟度、工藝、性能等方面都與國外產品有較大差距，尚未形成全球服務體系，因而在大型民船上的裝船率很低。

2.4 ISCS

康士伯公司的ISCS符合IEC 61508標準對系統安全完整性等級(Safety Integrity Level, SIL)的要求，具備SIL 1級、SIL 2級、SIL 3級。ISCS主要包括應急關斷系統(Emergency Shutdown System, ESD)、火災報警與氣體檢測系統((Fire Alarm and Gas Detector System, FAGDS)，簡稱火氣監控系統/火氣系統(Fire & Gas System, FGS))、過程關斷系統(Process Shutdown System, PSD)及對系統電腦的深層監控等。

ESD一般具備較高的安全等級，通常為SIL 2級或SIL 3級，控制器嚴格按照船上所設定的應急因果邏輯圖實施控制，輸出各相應級別的關斷信號控制現場控制盤或控制設備，產生各相應級別的應急關斷，某一級別關斷不能引起較高級別的關斷，只能啟動本級和所有較低級別的關斷。PSD在功能上與ESD類似，只是對船上的生產流程實施不同級別的關斷，但在系統的安全等級上偏低，一般為SIL 1級或SIL 2級。

FGS的主要功能是及時、準確地探測到可能或已經發生的可燃氣體泄漏事故和火情，并能對意外危險火源進行報警。在危險情況下，可以通過手動和自動兩種方式啟動船上的消防系統，以保護船上人員和設施的安全。FGS主要由監控系統、現場火氣探測設備和報警設備等組成。現場火氣探測與報警設備包括火焰探測器、熱探測器、煙探測器、可燃氣體探測器、手動報警站、手動二氧化碳釋放站、蜂鳴報警器、各類狀態燈等，應根據船上現場生產設備的特點合理進行布置。根據風險分析的結果，FGS的安全等級可以為SIL 1級或SIL 2級，也可以沒有SIL等級。

3 結 語

雖然我國在造船總量、造船效率等方面已經上升到一個新的高度，但船舶配套工業水平與船舶工業整體效益與世界先進造船國家相比還存在較大差距，特別表現在高附加值、高技術含量的裝船設備方面。船舶配套設備如果長期不能立足于國內，勢必對我國的造船業帶來深遠的不良影響。應充分認識到提高船用設備國產化率對振興我國船舶工業的重要意義，只有不斷提高船用設備的國產化率與裝船率，才能使我國的造船業得到健康、長久、穩定的發展。

國內的船舶配套企業應加大研發投入與研發力量，吸收與借鑒國外著名產品的技術，真正抓好船舶配套產品的質量與性能，這是提高船用設備國產化率的基礎和前提。同時，在性能與國外產品相匹敵的基礎上，更應重視降低產品成本的工作。當然，提高船用設備國產化率也離不開船舶設計院、船廠的共同努力和支持。應鼓勵國內各船廠、船舶設計院(所)與船舶配套企業密切合作，共同為提高船用設備國產化率作出貢獻。最后，需要采取必要和適當的調控政策，包括嚴格執行許可證制造技術合同(如船用低速柴油機)有關銷售地區條款規定，嚴格執行《國內投資項目不予免稅的進口商品目錄》，制訂船舶行業裝船國產設備推薦產品目錄，加強船用設備進口管理工作和必要的稅收調節政策等。