船舶集成監測報警和控制系統設計

王樹山，倪永亮

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著計算機技術的發展以及船舶自動化程度的不斷提高，為給船舶上的各設備提供安全、可靠的運行環境，方便船員操作，減輕船員的勞動強度，船舶集成報警和控制系統必不可少[1]。

船舶報警和集中控制系統是基于工業標準化元器件可編程控制器構建的，適用于船舶的所有自動化控制任務。該系統可對全船重要電氣和機械設備的運行參數和安全信息進行監視，及時發現設備的運行故障并報警。此外，該系統還具備“過程控制和計算”功能以及“船舶管理”功能，這對于實現船舶無人機艙運行是至關重要的。

本文對船舶集成監測報警和控制系統的系統結構、主要部件、系統功能以及系統設計注意事項等進行介紹，以提高船舶集成監測報警和控制系統設計工作的系統性。

1 系統介紹

集成監測報警和控制系統基于工業標準化元器件可編程控制器、工業以太網和Profibus 現場總線技術，是開放型、分布式與模塊化的船舶監測、報警與控制系統。除具有故障記錄和報告功能外，還具有自診斷功能。當系統或元器件出現故障時，自動化報警系統會發出報警信號。集成監測報警系統包括操作站、打印機、中央過程處理單元、分布式控制單元、延伸報警以及與船舶其他外部設備的通信接口。

以某風電服務運營船的集成監測報警和控制系統為例，對其系統結構、主要部件、系統功能、注意事項等進行介紹。船舶集成監測報警和控制系統見圖1。圖1 中：OS 為操作站；PCU 為過程控制單元；V-SAT 為衛星通信系統；RDS 為遠程診斷系統；CPU 為中央控制單元；EAS 為延伸報警系統；SCU 為信號采集單元。

圖1 船舶集成監測報警和控制系統

船舶集成監測報警和控制系統主要包含以下4個子系統：

1）集成監測和控制系統（Integrated Monitoring And Control System，IMACS）。

2）延伸報警系統（Extended Alarm System，EAS）。

3）輪機員機艙巡視安全系統。

4）遠程診斷系統（Remote Diagnose，RDS）。

2 系統描述

集成監測報警和控制系統的結構可以主要分為3 層：

1）現場層

現場層的系統和設備獨立于集成監測報警和控制系統，通過串行接口連接到集成監測報警和控制系統的主控制站或以太網數據總線，可直接與服務器進行通信。現場層的系統包括推進控制系統、功率管理系統、液位測量系統、閥門遙控系統及其他外部系統。

2）數據收集和過程處理層

集成監測報警和控制系統的過程控制單元（Processing Controller Unit，PCU）和信號采集單元（Sub Controller Unit，SCU）都連接在該層。

PCU 處理接收到的數據，執行控制任務，并把處理完畢的過程信息發送到過程控制總線上。作為系統控制器，可以配置成“熱冗余”模式，通過專門的光纖實現同步。PCU 通過以太網通信模塊與系統環網間進行數據通信。

SCU 主要起到現場數據采集和控制輸出的作用，并通過特定模塊組成分布式系統。SCU 分布在全船各處，通過現場總線與PCU 進行通信。

EAS 通過一套獨立的可編程控制器連接到數據收集和過程處理層，并通過系統總線與操作站服務器進行通信。

3）人機界面（Human Machine Interface，HMI）層

人機界面層用于信息監視、存檔和分析，操作單元均連接在該層。該層的主要設備包括工作站（Operator Station，OS）、HMI、報警記錄打印機。

工作站主要由計算機、顯視器、鍵盤、軌跡球等組成，通過網絡交換機與終端總線相連。為了提高系統的穩定性和可靠性，如果操作站的數量大于4 臺，工作站可配置成服務器/客戶端架構，操作站的運行數據可保存在服務器上。所有客戶端從服務器獲取數據，這樣可有效緩解PCU 的通信量。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）會會將所有的歸檔數據和測量值并行發送至2 個服務器，客戶端（操作站）分布式連接到這2 個服務器上。

在主服務器停機的情況下，客戶端能夠自動轉換到備用服務器上。在主服務器重新啟動后，這些客戶端能夠重新連接回主服務器，主服務器會立即與備用服務器更新所有的信息歸檔和標簽日志歸檔。

3 系統主要部件

1）OS

操作站是集成監測報警與控制系統和操作員之間的人機交互窗口，操作員可通過操作站對機艙設備進行監測、報警應答和數據分析。1 個操作站最多可配置4 個顯示器，每個顯示器可顯示獨立的畫面。1 個操作站配置有1 套鍵盤和軌跡球鼠標。操作站的電腦機箱一般安裝在控制臺內，顯示器通常為液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），配有船用安裝支架，可選擇桌面安裝或嵌入式安裝。供電電源一般為不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。

2）冗余服務器

為了提高系統的穩定性和可靠性，操作站的運行數據可保存在服務器上。所有客戶端從服務器獲取數據，這樣可有效緩解PCU 的通信量。冗余組通常由2 個并行的服務器組成，PLC 會向這2 個服務器并行發送所有的歸檔數據和測量值。客戶端（操作站）分布式連接到2 個服務器，一對冗余服務器最多可連接32 臺操作站。

冗余服務器負責接收來自不同PCU 控制器的數據，每個服務器連接到終端總線和過程總線。

操作站服務器的主要功能包括為操作站提供畫面和實際參數、存儲數據、將數據和報警信號發送至其他系統。

3）打印機

系統采用激光打印機，所有打印機均設置為網絡打印機。

4）PCU

PCU 包含標準化的冗余控制器，冗余控制器的CPU 單元會分開安裝在船上不同的防火區域。在發生火災的情況下，冗余控制器的CPU 單元可實現無縫切換。PCU 通過冗余接口連接到過程總線。

自動化系統采用先進的邏輯處理控制器，可滿足可用性、智能化和分布控制的需求。自動化系統可為獲取和預處理數據提供一切需要的功能。

5）SCU

SCU 的主要作用是采集輸入、輸出信號，并將采集到的信號傳輸至專門的PCU。輸出采集模塊用于連接傳感器和執行器。冗余接口模塊專門用來連接冗余控制器。采集模塊采用冗余網絡連接到對應的PCU 控制器上。

6）網絡

本系統具有終端網絡和過程控制網絡，這2 種網絡彼此獨立，且均采用光纖電纜。

終端網絡主要作用是實現操作站客戶端和服務器之間的通信。終端網絡基于以太網，由千兆光纖環網組成，設備通過100 Mbit 網線連到網絡。終端網絡具有防火墻業務接口，用于系統維護和遠程訪問。

過程控制網絡的主要作用是實現PCU 之間以及PCU 和操作站服務器之間的通信。過程控制網絡基于以太網，由100 Mbit 光纖環網組成。設備通過100 Mbit 網線連到網絡。

輸入輸出采集模塊和冗余PCU 之間采用冗余的Profibus 通信，不同柜子之間采用光纖電纜通信，柜子內部通過RJ45 網絡通信。

7）RDS

RDS 可提供一種加密的安裝連接，船上的V-SAT 系統可通過衛星通信連接到外部網絡，辦公室的電腦可通過RDS 連接到船上。RDS 系統在船上配置有一個控制柜，控制柜布置有防火墻和一臺工程師站。專家可通過該工程師站對系統進行遠程診斷，以便處理緊急的故障[2]。

4 系統功能

1）HMI

HMI 可根據系統配置提供60 余幅模擬圖，以顯示不同的區域和整個系統的情況。模擬圖能為操作員提供重要的設備信息。出于安全考慮，系統會檢查操作員輸入的數據范圍是否合理。

2）消息系統

HMI 可顯示事件的記錄和控制過程，PCU 根據時間順序將事件發送至操作站服務器，服務器會將事件按照時間順序存儲到消息歸檔內，并添加消息類別、類型和文本。消息可在不同的消息列表中顯示，操作員可對消息列表進行排序、過濾等操作。

3）歷史數據歸檔

通過1 個高性能長期數據歸檔服務器實現歷史數據歸檔，這個歸檔服務器可集成到PCU 中。過程數據和消息可實時集中歸檔，并能根據系統的性能和特點提供可擴展功能。

4）EAS

EAS 是報警監測系統的擴展，其主要功能是將主報警系統的報警信號延伸到船員房間、公共區域和駕駛室。船舶使用無人機艙模式時，EAS 負責安排和分配值班權限。如果船舶設備出現問題，船舶集成監測報警系統會在第一時間發出警報信號，并通過EAS 將警報信號發至船舶的主要區域，幫助船員盡快發現問題并及時處理船舶安全運行的隱患[3]。

5）其他功能

其他功能主要包括趨勢圖、報表系統、用戶管理、互斥控制、資產管理等。

5 系統設計注意事項

1）由于集成監測報警和控制系統是全船的綜合性系統，其與船舶上的眾多系統存在電氣接口，故在設計前期和設計過程中必須規定好接口位置和類型。

2）輸入/輸出清單是該系統設計的關鍵，清單中的相關信息要盡可能準確、全面。

3）集成監測報警和控制系統可通過編程軟件來實現船舶中各個系統所需要的功能，為了滿足準確性和后期檢驗的相關要求，需要將各個主要系統的需求作為集成監測報警和控制系統主要的設計依據。

6 結論

隨著船舶制造業的日益發展，船舶設備逐漸智能化、網絡化、安全化和集成化，集成監測報警和控制系統愈發重要。本文基于某風電服務運營船的集成監測報警和控制系統，介紹了其系統結構、主要部件、系統功能、注意事項等內容。研究成果可為船舶集成監測報警和控制系統設計提供一定參考。