摘 要:本文以廣州文沖船廠有限責(zé)任公司建造的10288 m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”輪的集成控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例,詳細(xì)介紹了作為集成控制系統(tǒng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),指出了集成控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的解決措施。
關(guān)鍵詞:IHDCS(自航耙吸挖泥船集成控制系統(tǒng));計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);系統(tǒng)硬件
中圖分類號(hào):U665.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 概述
文沖船廠為中交廣州航道局建造的10288m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”輪,是公司繼“浚海1”、“浚海2”之后,為廣州航道局建造的第3艘性能優(yōu)越的萬方級(jí)自航耙吸挖泥船。該船總長131.3m,型寬25.4m,型深9.8m,設(shè)計(jì)吃水8.35m,艙容約10288m3。主要用于珠江口、國內(nèi)外沿海類似工況條件的航道疏浚工程以及沿海港口及海岸維護(hù)工程。
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和PLC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,促進(jìn)了挖泥船控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式的調(diào)整,形成以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)的集成控制系統(tǒng)?!翱:?”輪的IHDCS(Integrated Hopper dredger Control System-自航耙吸挖泥船集成控制系統(tǒng)),就是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的控制系統(tǒng)。該IHDCS系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、駕駛室PLC控制系統(tǒng)、疏浚PLC控制系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)、PCS系統(tǒng)、泥泵控制系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、DTPS系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)等組成。AMS(Alarm and Monitoring System-機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng))為IHDCS的一個(gè)子系統(tǒng),AMS系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫與SCADA系統(tǒng)共享。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為IHDCS的紐帶,通過光纜或網(wǎng)絡(luò)電纜連接各個(gè)分系統(tǒng),同時(shí)為SCADA系統(tǒng)提供載體。
2 計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
隨著自航耙吸挖泥船控制要求的提高,單臺(tái)PLC運(yùn)算速度及資源已不能滿足控制要求。而受到網(wǎng)絡(luò)速度的約束,功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也無法投入到實(shí)時(shí)性要求高的控制系統(tǒng)中。
為了解決這個(gè)問題,采取了相應(yīng)的技術(shù)措施。
1)設(shè)置了底層和頂層兩個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。采用兩個(gè)完全獨(dú)立的環(huán)網(wǎng),除了增強(qiáng)系統(tǒng)的獨(dú)立、安全、可靠性外,也對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷進(jìn)行了分流;
2)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的屬性進(jìn)行了統(tǒng)一劃分。頂層網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備為信號(hào)刷新速率較低的設(shè)備(如:潮位遙報(bào)儀、DGPS、電羅經(jīng)、雷達(dá)等)、響應(yīng)速度要求較低的指令設(shè)備(如:HMI人機(jī)界面工作站、歷史數(shù)據(jù)分析工作站等)。底層網(wǎng)絡(luò)連接各臺(tái)功能各異的控制PLC。
3)上下兩層網(wǎng)絡(luò)通過高性能的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)橋接。
全船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),主干網(wǎng)絡(luò)采用具有冗余功能的環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò),分支采用屏蔽5類雙絞線,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)系統(tǒng)為10/100Mb以太網(wǎng),其中包括:兩個(gè)具有冗余功能的環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò),一個(gè)自動(dòng)化延伸管理網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)辦公自動(dòng)化網(wǎng)。
光纖環(huán)網(wǎng)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈接;管理網(wǎng)絡(luò)提供了船舶管理系統(tǒng)的工作平臺(tái),并與控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié);辦公網(wǎng)提供船上辦公自動(dòng)化功能及與岸上通訊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力。
控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)、辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通過防火墻進(jìn)行隔離,劃分在不同的網(wǎng)段,在提高船舶管理自動(dòng)化水平的同時(shí),保障了控制網(wǎng)絡(luò)的安全。
本船配置了網(wǎng)絡(luò)化的CCTV視頻攝像系統(tǒng),因此單獨(dú)設(shè)置了一套視頻網(wǎng)絡(luò)。
2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)是一個(gè)基于數(shù)據(jù)庫控制的系統(tǒng),如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用開放式的結(jié)構(gòu),可綜合全船的控制系統(tǒng),并通過OPC SERV.進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。可采集與控制的系統(tǒng)包括:液壓疏浚系統(tǒng)PLC、疏浚儀器儀表信號(hào)、泥泵控制PLC、鋼絲繩測(cè)量系統(tǒng)PLC、AMS機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)等。通過數(shù)據(jù)庫,使全船的傳感器對(duì)上層完全透明,上層對(duì)底層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也完全可控。
系統(tǒng)配置了3臺(tái)服務(wù)器,均通過兩個(gè)以太網(wǎng)接口,與上下兩個(gè)環(huán)網(wǎng)連接。
PLC數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)入數(shù)據(jù)服務(wù)器,并通過接口程序采集進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫;服務(wù)器通過接口程序?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)經(jīng)環(huán)網(wǎng)向全船工作站提供數(shù)據(jù)。PLC網(wǎng)絡(luò)接口可與任何種類PLC進(jìn)行通訊。
工作站發(fā)出的指令,通過網(wǎng)絡(luò)寫入服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)服務(wù)器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容通過接口程序向PLC提供數(shù)據(jù)。
全船在同一個(gè)時(shí)間周期內(nèi),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是唯一的,因而保證了所有工作站、PLC所面對(duì)的對(duì)象狀態(tài)是唯一的。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫刷新周期為0.5s,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫每刷新一次,就將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于歷史數(shù)據(jù)庫。因此,本系統(tǒng)可通過歷史查詢的方式,查詢歷史操作。
3臺(tái)服務(wù)器中,2臺(tái)為互為熱冗余備用的數(shù)據(jù)服務(wù)器,1臺(tái)兼歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。當(dāng)1臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),另1臺(tái)備用服務(wù)器自動(dòng)投入,以保證不間斷地向全船的工作站及PLC系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與分配。在任何一個(gè)時(shí)刻,只有一臺(tái)服務(wù)器向工作站及PLC發(fā)送指令,以保證數(shù)據(jù)的唯一。歷史服務(wù)器專門用于存儲(chǔ)船舶的各種數(shù)據(jù),并為其他非實(shí)時(shí)工作站軟件提供分析數(shù)據(jù)與處理報(bào)表。
系統(tǒng)所有工作站,均通過服務(wù)器獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。每臺(tái)工作站均為標(biāo)準(zhǔn)的通用型計(jì)算機(jī),通過不同的應(yīng)用軟件的切換以完成不同的工作。
系統(tǒng)中,需要快速反應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù)據(jù),由各自不同的PLC-CPU在底層單獨(dú)完成。PLC與PLC之間的協(xié)調(diào),不經(jīng)由服務(wù)器。系統(tǒng)的安全連鎖功能,不經(jīng)由服務(wù)器、工作站處理,但這些數(shù)據(jù)均能反映在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫內(nèi),并可通過工作站進(jìn)行顯示。
2.3 系統(tǒng)硬件
1)服務(wù)器
系統(tǒng)配置了3臺(tái)服務(wù)器,互為冗余備用,其中1臺(tái)服務(wù)器兼歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。分別安裝在:駕駛室19’機(jī)柜1臺(tái);PC-ROOM 2臺(tái)。服務(wù)器型號(hào)均為HP惠普G4服務(wù)器。
2)工作站(HMI)
① 6臺(tái)SCADA工作站,分別安裝在:疏??刂婆_(tái)3臺(tái);航行控制臺(tái)1臺(tái);PC房1臺(tái);機(jī)艙集控室1臺(tái)。
② 2臺(tái)DTPS疏浚軌跡工作站,分別安裝在:疏??刂婆_(tái)1臺(tái);航行控制臺(tái)1臺(tái)。
③ 1臺(tái)A3彩色繪圖儀,安裝在駕駛室。
④ 1臺(tái)A4黑白激光打印機(jī),安裝在PC房。
⑤ 5臺(tái)位于不同艙室的多用途工作站:船長室——1臺(tái);輪機(jī)長——1臺(tái);疏浚長室——1臺(tái);電機(jī)員室——1臺(tái);會(huì)議室——1臺(tái)。
3 結(jié)束語
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,船舶自動(dòng)化程度將越來越高,綜合控制范圍也越來越廣,大大減輕了船員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了船舶的安全性。因此,應(yīng)在新船型研發(fā)時(shí)大力推廣網(wǎng)絡(luò)技術(shù),使船舶的智能化程度越來越高。