船舶分布式智能损管监控系统开发

谢 坤



船舶分布式智能损管监控系统开发

谢 坤1,2

(1. 中国船舶研究设计中心，武汉430064；2. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

针对影响船舶安全的各种损害隐患问题，将可计算机网络技术和先进控制技术应用到船舶损管监控系统中。对该系统的功能、组成和原理进行分析，建立损管监控台、现场控制设备及数据处理设备、各类传感器及执行机构之间的关系，提出了船舶损管监控方法。在半实物仿真试验、陆上联调试验和实船上对该监控系统进行了实际应用，研究结果表明：该系统提高船舶损害隐患的管控水平，保证了船舶的安全性、可靠性和生命力。

船舶损管监控系统 传感器 可编程逻辑控制器 损管监控台

0 引言

船舶在使用过程中，会因战时受导弹、鱼雷、水雷和炮弹等武器的攻击或平时因碰撞、搁浅、起火、爆炸等事故产生影响船舶安全的各种损害隐患(如火灾、浸水等)，如果不采取及时有效地损害管制(以下称“损管”)措施，就会对船舶的安全性构成极大的威胁。船舶因为初次损伤而直接丧失生命力的是少数，快速、准确地定位损害隐患并迅速采取有效的措施是提高其生命力的重要手段。损管的目的在于将船舶维持在正常或接近正常的工作环境下，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齐全、技术先进、设备可靠、响应快速的损管系统来实施损害管制。而且，在船舶上安装损管监控系统已经成为保证相关人员及时掌握全船安全状况的关键。目前，船舶损管监控系统已经有了很大的发展，特别是随着计算机网络技术和先进控制技术的高速发展，损管监控系统已经逐步发展成为具有可视化、可评估、可决策、可控制、可预测功能的现代智能化系统[1,2]。

1 系统架构

如图1所示，船舶损管监控系统在逻辑上采用基于管理层、控制层、数据层三层模型的系统架构，其承载实体分别是损管监控台、现场控制设备及数据处理设备、各类传感器及执行机构[3,4]。

图1 船舶损管监控系统基本系统架构图

管理层通过人机交互来完成。损管监控台能够以图形化的方式显示损管系统的状态，并能将控制指令传送到各个现场控制设备及数据处理设备，实现人机交互。

控制层是核心的现场控制设备及数据处理设备。它分布在全船各舱室，采集数据信息传送到网络，接收控制指令将其发送到相应的设备，执行指令相应的操作。

数据层包括各种终端设备，如传感器、本地处理控制器、执行器等。

管理层、控制层、数据层三层模型分离了人机交互与控制的功能及数据层和控制层，增强了可维护性和安全性[5,6,7]。图2为损管监控系统的系统工作流程框图。

图2 损管监控系统工作流程框图

2 系统组成

船舶损管监控系统包括控制保护、运行管理等功能模块。船舶损管监控系统组成如图3所示。

图3 船舶损管监控系统组成示意图

控制保护模块由抗沉防沉、灭火、液舱、舱门、辅机等监控子系统组成。抗沉防沉监控子系统显示船体水密性、浮态、姿态等状态信息，指导疏排水、浮态调整、姿态调整等抗沉防沉操作；灭火监控子系统实时监测火情，指导人员疏散、隔离火源、遥控释放灭火剂等灭火操作；液舱监控子系统显示各燃油舱和淡水舱的装载量，计算并显示目前船舶的续航力、自持力状况；舱门监控子系统实时监控门和盖的开闭情况；辅机等监控子系统监控船上重要辅机的启停、运行或故障报警信息。运行管理模块由综合监控、运行支持等子系统组成。

船舶损管监控系统的主要设备包括损管监控台、现场控制设备、信号处理设备、执行元件等；此外，还包括采集温度、烟雾、浸水、转速、湿度、压力、液位等损管系统实时参数的先进传感器或测量仪器。

3 硬件设计

3.1损管监控台

损管监控台实时显示船舶的抗沉防沉、灭火、液舱、舱门、辅机等损管状态。损管监控台的架构图如图4所示。损管监控台由标准显示单元、专用显示单元、人机接口计算机、任务处理计算机以及鼠标、键盘、专用操控单元组成。

图4 损管监控台架构图

损管监控台与现场控制设备/数据处理设备的主要信息通过双冗余以太网传输，与安全运行密切相关的显示和控制信息通过现场总线或硬接线来完成，确保可靠性[8,9]。

3.2现场控制设备/数据处理设备

数据处理设备通过传感器实时采集损管系统主要设备的运行参数和状态信息数据，经处理后过上传至全船以太网，并在触摸屏上进行显示；现场控制设备接受管理层指令，经处理后对各类传感器及执行机构进行集中控制和参数设定。

数据处理设备/现场控制设备均由柜体结构、可编程逻辑控制器（简称PLC，含电源、处理器、通信模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块等若干模块）、触摸屏等组成。现场控制设备的架构图如图5所示[7]。

图5 数据处理设备/现场控制设备架构图

数据处理设备/现场控制设备基本配置如下：

a）PLC：用于参数运算与程序控制，采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，选用电源模块SITOP 24V/2.5A，CPU模块CPU 224XP CN AC/DC/继电器、离散量混合输入/输出模块EM 223 CN 24V DC 16 输入/16 输出，离散量继电器输出模块EM223 CN 24V DC 16 输入/16 继电器输出，模拟量混合输入/输出模块EM 235 CN、PROFIBUS-DP 模块EM 277、通用机架。

b）触摸屏：用于信息显示与操作控制，采用SIEMENS公司的TP 270 10英寸触摸屏。触摸屏在Windows 环境下使用ProTool 软件进行组态，通过与PLC进行通信，作为其上位机。

3.3各类传感器及执行机构

传感器完成损管系统主要设备运行数据和状态、报警信息的实时采集，并以离散量和模拟量信号的形式上传至PLC[9]。

损管监控系统中主要有温度、烟雾、浸水、转速、压力、液位等各类传感器。温度传感器负责监测主机、辅机的滑油温度、冷却水温度和舱室的空气温度，烟雾传感器负责监测火灾可燃物不充分燃烧引起的烟雾，浸水传感器负责监测水密性故障引起的漏水现象，转速传感器负责监测主机、辅机的转速，压力传感器负责监测主机、辅机的滑油压力，液位传感器负责监测燃油舱油位或液舱的水位。通过程序对传感器的参数进行配置，一旦传感器参数异常，损管监控系统会发出报警信号，并通过执行机构实现应急操作。

4 系统软件

船舶损管监控系统的软件由现场控制设备软件和损管监控台软件两部分组成。其中，现场控制设备软件包括PLC软件和触摸屏人机交互界面软件，损管监控台软件包括人机交互界面软件和任务处理软件。现场控制设备PLC与触摸屏、损管监控台之间通过OPC协议以服务器/客服端的模式进行通讯[10]。

如图6所示，船舶损管监控系统包括数据采集、处理和显示三部分软件。其中数据采集和处理部分部署在服务器端，即现场控制设备PLC，数据显示部分部署在客户端，即触摸屏、损管监控台。通过OPC服务器/客服端的通讯协议，实现船舶损管监控信息实时显示和数据存储及查询。

图6 损管监控系统的软件架构图

4.1现场控制设备软件

现场控制设备PLC的软件组态在施耐德UnityPro V5.0组态软件上实现，触摸屏软件采用基于Windows平台的Visual Studio集成开发平台环境开发。

现场控制设备PLC接收传感器实时采集的损管系统主要设备运行数据、状态及报警信息，经PLC组态软件进行数据处理后，在触摸屏、损管监控台上进行显示。同时，现场控制设备PLC接受触摸屏、损管监控台指令，经处理后对现场电动执行器进行直接控制。

如图7所示，现场控制设备软件的实现流程分为四个部分：

图7 现场控制设备软件流程图

1）系统初始化、自检：现场控制设备通电，PLC软件、触摸屏软件自动运行，并进行通讯设置和参数配置。自检的目的主要是检测相应部件是否能够正常工作。通过按下自检按钮，依次点亮现场控制设备触摸屏软件界面的损管报警灯和损管故障灯，其次是现场控制设备蜂鸣器鸣叫。

2）损管信息显示及报警：传感器实时采集的损管系统主要设备运行数据、状态及报警信息，上传至PLC的离散量混合输入/输出模块、模拟量输入模块，经PLC组态软件进行数据处理后，在触摸屏、损管监控台上进行显示及声光报警。

3）损管控制指令下达：操作人员通过触摸屏、损管监控台人机交互界面软件下达控制指令，PLC软件接收指令并进行内部逻辑处理，通过PLC的离散量混合输入/输出模块、离散量继电器输出模块、模拟量输出模块对灭火剂、现场电控阀、电机等执行器进行直接控制。

4）设备故障分析与处理：在触摸屏、损管监控台上通过声光报警、文字形式正确反应电气元件发生的故障或者不正常运行状态。

4.2损管监控台软件

损管监控台人机交互界面软件采用基于Windows平台的Wonderware集成开发平台环境开发，任务处理软件采用给予Vxworks操作系统的Tornado开发平台开发。

如图8所示，人机交互界面软件提供船舶损管系统主要设备的集中监控和运行管理，通过双冗余以太网接收损管系统相关运行参数、状态及报警等信息，在显示器屏幕上显示并提供损管辅助决策信息，操作人员通过屏幕软操下达相关控制指令。

图8 人机界面软件架构图

任务处理软件通过现场总线或串口接收实时性、可靠性要求较高的重要运行参数、状态及报警信息并显示，同时通过硬操按钮、开关等下达相关控制指令。

任务处理软件与人机界面软件之间的通信可通过基于CORBA技术规范的中间件实现[11,12]。损管监控台的软件体系结构如图9所示。

图9 损管监控台的软件体系结构图

5 结束语

船舶损管监控系统通过可视化、可评估、可决策、可控制、可预测功能快速、准确地定位损害隐患并迅速指导采取有效的措施，阻止或减少损害程度，将船舶维持在正常或接近正常的工作环境下，保障船舶的安全性。半实物仿真试验、陆上联调试验和实船应用表明，船舶损管监控系统对保障船舶的安全性、可靠性和生命力具有重大作用和深远意义。

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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

谢坤（1986-），男，博士研究生，工程师。研究方向：船舶电气自动化。