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(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

美國(guó)海軍新型多任務(wù)驅(qū)逐艦朱姆沃爾特(DDG-1000)預(yù)計(jì)2012年底下水，2014年服役。作為美國(guó)海軍21世紀(jì)的重點(diǎn)項(xiàng)目，DDG-1000上采用了諸多先進(jìn)技術(shù)，其任務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與上一代驅(qū)逐艦DDG-51相比，有了非常大的改進(jìn)，以最佳人員配置為目標(biāo)，推動(dòng)艦船的系統(tǒng)設(shè)計(jì)到達(dá)了空前的自動(dòng)化水平。整個(gè)船舶控制系統(tǒng)(SCS)采用分層結(jié)構(gòu)保證了艦船的機(jī)動(dòng)性和作戰(zhàn)能力。在船舶控制系統(tǒng)中，用于工程設(shè)備的高度先進(jìn)和綜合的控制系統(tǒng)，被稱(chēng)為工程控制系統(tǒng)(ECS)，DDG-1000的工程控制系統(tǒng)比美國(guó)其它任何成熟的海軍水面艦艇的機(jī)械控制系統(tǒng)(MCS)更加復(fù)雜。

DDG-1000的工程控制系統(tǒng)包括綜合電力系統(tǒng)(IPS)、輔助控制系統(tǒng)(ACS)和自動(dòng)損管(ADC)系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)，研究工程控制系統(tǒng)有助于更好地理解DDG-1000的自動(dòng)損管系統(tǒng)。此外，由于DDG-1000項(xiàng)目與CVN 21項(xiàng)目基本同步，二者的很多設(shè)備是通用的，設(shè)計(jì)理念是相通的，研究DDG-1000的工程控制系統(tǒng)對(duì)研究CVN 78(CVN 21首艦)的機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)有很好的借鑒作用[1]。

1 DDG-1000項(xiàng)目介紹

1.1 項(xiàng)目綜述

DDG-1000“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦是美國(guó)海軍下一代多任務(wù)的水面戰(zhàn)艦。該艦上的控制系統(tǒng)是美國(guó)海軍已經(jīng)研制的最先進(jìn)的控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)DDG-1000的最佳人員配置目標(biāo)，控制系統(tǒng)中采用了大量先進(jìn)的智能設(shè)備。

DDG-1000的船舶整體架構(gòu)由多個(gè)層次組成：第0層為操作環(huán)境(Operational Context)；第1層為平臺(tái)環(huán)境(platform context)；第2層為分割環(huán)境(segment context)，分割環(huán)境包括C4I系統(tǒng)分割、戰(zhàn)斗系統(tǒng)分割和船舶系統(tǒng)分割等；第3層為要素環(huán)境(element context)；第4層為組件環(huán)境(component context)。

DDG-1000項(xiàng)目的重點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和通過(guò)使用工程開(kāi)發(fā)模型(EDM)來(lái)降低研制風(fēng)險(xiǎn)。該艦的船體機(jī)電(HM&E)系統(tǒng)中最受關(guān)注的兩個(gè)工程開(kāi)發(fā)模型是綜合電力系統(tǒng)模型和自動(dòng)滅火系統(tǒng)模型。

1.2 船舶控制系統(tǒng)和工程控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1是DDG-1000的任務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括工程控制系統(tǒng)(ECS)、損害決策和評(píng)估(DDA)系統(tǒng)、綜合艦橋系統(tǒng)(IBS)、航海系統(tǒng)(NSC)和光電監(jiān)控(ESV)系統(tǒng)以及船舶域控制器(SDC)。船舶域控制器的主要用途是從更高級(jí)別的指揮與控制系統(tǒng)接收任務(wù)并將其翻譯成指令并發(fā)給船舶控制系統(tǒng)。本文重點(diǎn)研究工程控制系統(tǒng)。

圖1 DDG-1000的任務(wù)系統(tǒng)

工程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分為硬件和軟件2個(gè)組。軟件組的主要工作內(nèi)容是3個(gè)軟件集合的設(shè)計(jì)，這3個(gè)軟件集合分別為綜電力系統(tǒng)控制集合(MIPS)、輔助控制集合(MACS)和自動(dòng)損管集合(MADC)。

2 工程控制系統(tǒng)

2.1 工程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

艦上多個(gè)“域”為操作需求文檔(ORD)中最高等級(jí)船舶操作規(guī)范提供合理的分解。這些“域”對(duì)集中區(qū)域的相關(guān)功能進(jìn)行分解，例如，船舶系統(tǒng)分割被分解成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、綜合電力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、損管系統(tǒng)和其它要素。這些要素被定義為一組組件級(jí)硬件和軟件需求，并被進(jìn)一步分組和分解成易管理的部件，這種分解被稱(chēng)為承包商工作分解結(jié)構(gòu)或CWBS。本文重點(diǎn)研究船舶控制系統(tǒng)的要素中工程控制系統(tǒng)部分的機(jī)械控制自動(dòng)化，它被設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)需求文件中對(duì)DDG-1000的人員配置要求。對(duì)于軟件，承包商工作分解結(jié)構(gòu)將分割分解為要素，同時(shí)進(jìn)一步分解為組件。

然而，為了能充分理解工程控制系統(tǒng)控制功能，與船舶系統(tǒng)分割域外的一些特殊功能的相關(guān)性也必須考慮。在DDG-1000上的自動(dòng)化層次中，最高級(jí)別的控制指令從指揮、控制和情報(bào)(CCI)系統(tǒng)要素中的軟件發(fā)出，跨越分割進(jìn)入船舶控制系統(tǒng)要素。另外，DDG-1000的人機(jī)界面(HCI)位于人機(jī)接口架構(gòu)(HII)要素(位于全船計(jì)算環(huán)境架構(gòu)(TSCE-I)系統(tǒng)分割中)中，向包括指揮、控制和情報(bào)(CCI)系統(tǒng)和船舶控制系統(tǒng)在內(nèi)的許多應(yīng)用提供人性化操作界面。值得注意的是，軟件功能的層次結(jié)構(gòu)與承包商工作分解結(jié)構(gòu)不同。關(guān)于這類(lèi)交叉的域的接口還有一些其他的例子，在本文中將會(huì)進(jìn)一步討論[2]。

2.2 軟件層次結(jié)構(gòu)

在軟件層次結(jié)構(gòu)中，指揮、控制和情報(bào)系統(tǒng)與船舶域控制器之間，以及船舶域控制器與工程控制系統(tǒng)之間接口的抽象概念上的層次按照固有的功能劃分。指揮和控制系統(tǒng)通過(guò)綜合艦船計(jì)劃(ISP)在任務(wù)層定義了艦船的需求，這使得一系列的任務(wù)被發(fā)送到艦船的各個(gè)域中去。船舶域控制器對(duì)域內(nèi)組件有更加詳細(xì)的了解，為了實(shí)施需要的預(yù)定義行為，域控制器將為下一層級(jí)軟件組件生成更加詳細(xì)和精確的后續(xù)指令。在船舶控制中這些指令被工程控制系統(tǒng)完整接收，并被進(jìn)一步分解成I/O(模擬量，開(kāi)關(guān)量和串行的)監(jiān)控活動(dòng)，這些監(jiān)控活動(dòng)遍布在工程控制系統(tǒng)控制下的船體機(jī)電系統(tǒng)中。當(dāng)ECS指令是從船舶域控制器接收時(shí)，工程控制系統(tǒng)工作為自動(dòng)模式，當(dāng)這些指令來(lái)自人機(jī)界面時(shí)，工程控制系統(tǒng)工作為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式。在工程控制系統(tǒng)下面的設(shè)備層有多個(gè)響應(yīng)工程控制系統(tǒng)發(fā)出的命令含有嵌入式控制器的系統(tǒng)。設(shè)備層的復(fù)雜性和能力有所不同，但在有些情況下非常復(fù)雜(例如，發(fā)電機(jī)負(fù)載分配、燃?xì)廨啓C(jī)控制、設(shè)備和系統(tǒng)的自我保護(hù)和安全功能等)。

從指揮、控制和情報(bào)系統(tǒng)發(fā)出的信息以任務(wù)的形式被執(zhí)行多種功能的船舶域控制器接收。船舶域控制器的功能包括指定可能發(fā)生沖突或者不能同時(shí)執(zhí)行的任務(wù)的優(yōu)先權(quán)和分解上一層級(jí)的艦船活動(dòng)。船舶域控制器能提供特殊的系統(tǒng)狀態(tài)限制和/或異常，能提供預(yù)期的船體機(jī)電系統(tǒng)的需求和/或負(fù)荷的指示，這些指示是成功執(zhí)行艦船任務(wù)所必需的。圖2顯示了指令和狀態(tài)活動(dòng)的界面。

圖2 DDG-1000的控制分層

2.3 全船計(jì)算環(huán)境

DDG-1000通過(guò)一個(gè)全船計(jì)算環(huán)境減少集成工作并獲得跨越多個(gè)域的通用模式優(yōu)勢(shì)。全船計(jì)算環(huán)境有三個(gè)層級(jí)：核心層(core)、適應(yīng)層(adaptation)和描述層(presentation)。

核心層提供了一個(gè)通用的環(huán)境來(lái)承載DDG-1000的大多數(shù)在冗余架構(gòu)上的軟件應(yīng)用，該冗余架構(gòu)的目標(biāo)硬件對(duì)應(yīng)用是透明的。核心層處理器是運(yùn)行著Red Hat Linux操作系統(tǒng)的IBM平板服務(wù)器，被封裝在電子模塊中分布在船上的各個(gè)位置。

描述層是全船計(jì)算環(huán)境中負(fù)責(zé)在控制臺(tái)上執(zhí)行顯示的那部分。

適應(yīng)層利用更加緊湊的硬件來(lái)提供一種手段把軟件集成到全船計(jì)算環(huán)境中，但處理器可以位于任何合適的位置。

工程控制系統(tǒng)的適應(yīng)層采用在Versa歐卡模塊(VME)機(jī)架上安裝的，稱(chēng)為組合控制器(EC)的，成對(duì)搭配使用的Radstone單板機(jī)(SBC)和通用的微型系統(tǒng)單板機(jī)。Radstone單板機(jī)上運(yùn)行Lynx操作系統(tǒng)(LynxOS)即UNIX，并且使用Java和/或C++代碼編寫(xiě)的應(yīng)用軟件，被稱(chēng)為分布式自適應(yīng)處理器(DAP)。這些應(yīng)用軟件用于實(shí)現(xiàn)與其它應(yīng)用(運(yùn)行在全船計(jì)算環(huán)境架構(gòu)上)的控制和接口。工程控制系統(tǒng)控制器對(duì)中的通用微型系統(tǒng)單板機(jī)中運(yùn)行具有實(shí)時(shí)內(nèi)核微軟視窗和西門(mén)子Simatic WinAC RTX PLC應(yīng)用軟件，通過(guò)梯形邏輯來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)被稱(chēng)為遠(yuǎn)程終端單元(RTU)的遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，RTU是連接到工程設(shè)備的接口。工程控制系統(tǒng)在其體系內(nèi)利用了32個(gè)適應(yīng)層處理器，使得軟件集合緊密地靠近他們所控制的系統(tǒng)[3-4]。

2.4 工程控制系統(tǒng)分布式軟件和功能

工程控制系統(tǒng)應(yīng)用程序駐留在分布于全船各處的16個(gè)分布式控制單元(DCU)中。16個(gè)DCU中有32個(gè)組合控制器，工程控制系統(tǒng)控制代碼駐留在組合控制器中。組合控制器使用分布式自適應(yīng)處理器通過(guò)全船計(jì)算環(huán)境千兆局域網(wǎng)絡(luò)與其他應(yīng)用連接，并具有在全船計(jì)算環(huán)境核心層中獨(dú)立運(yùn)行其它應(yīng)用程序的附加功能(手動(dòng)模式下直接連接到人機(jī)界面)。工程控制系統(tǒng)和人機(jī)界面的內(nèi)核獨(dú)立運(yùn)行提供了在降級(jí)運(yùn)行中的系統(tǒng)恢復(fù)能力，降級(jí)運(yùn)行有可能是擴(kuò)展電源中斷或者設(shè)備損害造成的。

在EC上的第2種控制器——通用微系統(tǒng)單板機(jī)中運(yùn)行的西門(mén)子Simatic WinAC RTX PLC軟件通過(guò)Profinet協(xié)議(Profibus&Profinet以太網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))與其它的DCU以及RTU進(jìn)行通訊。共有180個(gè)RTU安裝在非?？拷麄兯B接硬件的偏僻的位置。DCU和RTU使用艦上廣泛應(yīng)用的Profinet網(wǎng)絡(luò)(被稱(chēng)為工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò))穿越防火區(qū)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)DCU到DCU、DCU到RTU的通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主備處理器的故障切換、監(jiān)控工程設(shè)備和系統(tǒng)。圖3展示了工程控制系統(tǒng)的分布式特性。

圖3 DDG-1000分布式機(jī)械控制

DDG-1000的工程設(shè)備包括大多數(shù)海軍已經(jīng)嘗試設(shè)計(jì)和建造的自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備。大多數(shù)設(shè)備和系統(tǒng)的自動(dòng)化采用有數(shù)字端口的嵌入式控制，這些數(shù)字端口使用通用網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。有超過(guò)80 000個(gè)信號(hào)可以用于監(jiān)控，然而經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的系統(tǒng)工程處理后確定，在這些信號(hào)中，工程控制系統(tǒng)只需要使用大約30 000個(gè)。相比之下，目前服役的海軍艦艇上的機(jī)械控制系統(tǒng)大多數(shù)使用4 000～10 000個(gè)信號(hào)。這30 000個(gè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)DDG-1000所要到達(dá)的人員配備水平所必需的。

DDG-1000的需求規(guī)定：在初始化系統(tǒng)隊(duì)列之后，在機(jī)械層不需要手動(dòng)介入的所有船級(jí)任務(wù)的正常操作期間，工程控制系統(tǒng)自動(dòng)化的層級(jí)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)操作員即可協(xié)調(diào)全部工程設(shè)備。但在設(shè)備發(fā)生故障或損壞期間，預(yù)設(shè)至少有一個(gè)其他的操作者將參與關(guān)鍵系統(tǒng)的控制，并且系統(tǒng)控制權(quán)的轉(zhuǎn)移是工程控制系統(tǒng)的一種固有功能。如果能有效地通過(guò)一個(gè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控端口，工程控制系統(tǒng)可以為個(gè)別設(shè)備的部件或傳感器提供“向下挖掘”(drill-down)能力。該能力允許操作者根據(jù)需要觀察底層數(shù)據(jù)作為備用信息。操作者同樣有能力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和直接發(fā)送指令給工程控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖2的HCI接口)；這同樣支持維修觀念，如果認(rèn)為有必要，操作者有能力停止自動(dòng)化功能。對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)所有數(shù)據(jù)都是可以利用的，并且可以將它們提供給其它應(yīng)用，例如能夠自動(dòng)識(shí)別和安排維修操作的基于狀態(tài)的檢修(CBM)。綜合電力系統(tǒng)控制集合駐留在位于靠近前主發(fā)電機(jī)艙和船尾發(fā)電機(jī)艙安裝的4個(gè)分布式自適應(yīng)處理器(2個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)，2個(gè)冗余備用的處理器)中。工程控制系統(tǒng)的大多數(shù)設(shè)備和子系統(tǒng)與綜合電力系統(tǒng)的接口都使用全船計(jì)算環(huán)境網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)(VLAN)，綜合電力系統(tǒng)控制集合使用的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有Ethernet Global Data(EGD)，MODBUS TCP和OpenSea。

工程控制系統(tǒng)的綜合電力系統(tǒng)控制集合除了監(jiān)測(cè)電站設(shè)備，還要執(zhí)行電源管理。這些活動(dòng)被船舶域控制器分解并作為指令提供給工程控制系統(tǒng)。電源管理是集合了高低壓電力系統(tǒng)功能的通用名稱(chēng)，高低壓電力系統(tǒng)包含電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電力分配設(shè)備和支持艦船活動(dòng)的負(fù)載。綜合電力系統(tǒng)控制集合協(xié)調(diào)系統(tǒng)隊(duì)列順序，執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)和停止，排序并管理系統(tǒng)恢復(fù)操作，并基于這些指令以一種自動(dòng)化方式來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)重新配置。綜合電力系統(tǒng)控制集合通過(guò)計(jì)算一個(gè)區(qū)域內(nèi)的可利用和消耗的電量來(lái)管理設(shè)備供電。這個(gè)區(qū)域由系統(tǒng)隊(duì)列命名的“電力中心”確定，綜合電力系統(tǒng)控制集合的“電力計(jì)算”特點(diǎn)被用于進(jìn)一步確定有多少負(fù)載獲得了電源(發(fā)電機(jī)和/或電源轉(zhuǎn)換器/逆變器)供電，被用于按照優(yōu)先權(quán)連接和斷開(kāi)負(fù)載，根據(jù)需要增加發(fā)電量，并且被用于與船上其它工程控制系統(tǒng)集合和域外通信來(lái)協(xié)調(diào)電力的使用。

輔助控制集合(MACS)駐留在16個(gè)分布式自適應(yīng)處理器(8個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)、8個(gè)冗余備用的處理器)中，這些分布式自適應(yīng)處理器位于輔助設(shè)備所在區(qū)域附近的若干位置。輔助系統(tǒng)包括冷卻水、燃料油、淡水生產(chǎn)和排水等。輔助控制集合除了監(jiān)測(cè)輔助設(shè)備外，還執(zhí)行系統(tǒng)管理。盡管沒(méi)有動(dòng)力設(shè)備管理那樣復(fù)雜，輔助控制集合同樣協(xié)調(diào)系統(tǒng)隊(duì)列順序，執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)和停止，排序并管理系統(tǒng)活動(dòng)，并基于指令以一種自動(dòng)化方式來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)重新配置，這些指令來(lái)自綜合電力系統(tǒng)控制集合和自動(dòng)損管集合。

自動(dòng)損管集合駐留于12個(gè)分布式自適應(yīng)處理器中(6個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)、6個(gè)冗余備用的處理器)，這些分布式自適應(yīng)處理器位于損管設(shè)備所在區(qū)域附近的若干位置。損管系統(tǒng)包括海水供水(用于壓艙和排水)、水成膜泡沫(AFFF)、高壓水霧等。在大多數(shù)情況下，自動(dòng)損管集合監(jiān)測(cè)已經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)激活的損管設(shè)備，但是在某些情況下，自動(dòng)損管集合也提供遠(yuǎn)程控制功能。自動(dòng)損管集合與輔助控制集合一起協(xié)調(diào)系統(tǒng)隊(duì)列順序，執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)和停止，排序并管理系統(tǒng)活動(dòng)，以自動(dòng)化方式來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)重新配置必需有輔助系統(tǒng)支撐的損管系統(tǒng)的支持。

2.5 嵌入式控制

在設(shè)備層，在一些子系統(tǒng)中有多套操作特殊設(shè)備的嵌入式控制器。例如，高壓配電板有與發(fā)電機(jī)接口的控制器。這些控制器順序執(zhí)行步驟，設(shè)置發(fā)電機(jī)在線(xiàn)和離線(xiàn)，平衡有功和無(wú)功負(fù)載，當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，平衡有功和無(wú)功負(fù)載，并可以為電源管理提供所需的信息。

嵌入式子系統(tǒng)控制器的其他例子包括用于主消防泵和閥的可邏輯編程控制器(PLC)、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)和補(bǔ)給系統(tǒng)的PLC控制等。

3 硬件

3.1 硬件組成

工程控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的分布式控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)監(jiān)控DDG-1000的工程設(shè)備。工程控制系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)DCU和與船上船體機(jī)電設(shè)備連接的RTU來(lái)監(jiān)控傳感器、執(zhí)行器、接觸器和電力設(shè)備等。工程控制系統(tǒng)是全船計(jì)算環(huán)境硬件和商業(yè)技術(shù)的結(jié)合，除了滿(mǎn)足嚴(yán)格的環(huán)境要求的外殼設(shè)計(jì)外，商業(yè)成熟的產(chǎn)品(COTS)和器件未經(jīng)修改地用在了工程控制系統(tǒng)的硬件里；船舶控制系統(tǒng)的生存能力需求要求控制系統(tǒng)完全冗余，對(duì)于艦船能力的控制狀態(tài)、艦員的健康和安全要具有強(qiáng)大容錯(cuò)能力；DCU作為主要的處理組件，它是與船舶主TSCE-I網(wǎng)絡(luò)的連接接口。控制和運(yùn)行船舶軟件集合，并使用閉環(huán)控制、預(yù)定義順序和其它控制算法監(jiān)控推進(jìn)、輔助、電氣和損管系統(tǒng)。RTU是嵌入式控制器、各種模擬和數(shù)字輸入/輸出的接口點(diǎn)。

每個(gè)DCU包含兩對(duì)在Versa歐卡模塊(VME)機(jī)架上安裝的Radstone和通用微型統(tǒng)單板機(jī)。Radstone單板機(jī)在Lynx操作系統(tǒng)(LynxOS)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，通過(guò)兩條每秒1 000 bit/s的光纖以太網(wǎng)與艦船主TSCE相連。正如前面提到的，這對(duì)處理器被稱(chēng)作組合控制器。分布式自適應(yīng)處理器運(yùn)行應(yīng)用程序代碼并利用全船計(jì)算環(huán)境架構(gòu)為DDG-1000開(kāi)發(fā)的一些功能，如傳輸機(jī)制，數(shù)據(jù)庫(kù)特性等?；趩伟鍣C(jī)的通用微型統(tǒng)(GMS)視窗執(zhí)行西門(mén)子Simatic WinAC RTX PLC應(yīng)用軟件。PLC應(yīng)用軟件含有第三方的實(shí)時(shí)內(nèi)核，能提供艦船系統(tǒng)的監(jiān)控，掃描時(shí)間可配置。分布式自適應(yīng)處理器通過(guò)直接接口給PLC處理器軟件傳送命令，艦船設(shè)備和裝置的狀態(tài)通過(guò)同一接口從PLC軟件傳送給分布式自適應(yīng)處理器。

兩個(gè)組合控制器中軟件集合的每個(gè)實(shí)例都提供冗余配置，一個(gè)運(yùn)行在激活狀態(tài)，另一個(gè)處在備用狀態(tài)。激活和備用對(duì)在物理上分屬于一個(gè)防火區(qū)內(nèi)不同的DCU，增加了存活能力。激活和備用PLC軟件通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)相互監(jiān)視，當(dāng)激活的單元失效或探測(cè)到一個(gè)故障時(shí)，能夠自動(dòng)切換。

3.2 DCU布置和工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

16個(gè)使用西門(mén)子Profinet架構(gòu)的DCU分布在整條軍艦上。在艦上4個(gè)防火區(qū)中的每一個(gè)都有4個(gè)DCU(見(jiàn)圖4)，DCU1和DCU 2在在防火區(qū)1中，DCU3和DCU 4在防火區(qū)2中，依此類(lèi)推。每個(gè)DCU包含了3個(gè)Siemens Scalence X408-2交換機(jī)。X408-2提供了1 000 Mbit/s光纖“管理環(huán)”網(wǎng)絡(luò)把所有DCU連接到一起的端口，見(jiàn)圖4。X408-2交換機(jī)同樣提供了與PLC軟件連接的網(wǎng)絡(luò)接口。

圖4 DDG-1000的DCU的內(nèi)部鏈接

每個(gè)DCU在物理上使用X408-2交換機(jī)與其它3個(gè)或4個(gè)DCU連接，并提供與Siemens Scalence X202-2IRT交換機(jī)相連的網(wǎng)絡(luò)接口，這些X202-2IRT交換機(jī)用來(lái)連接冗余的100 Mbit/s的RTU光纖網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖5)。DCU和RTU網(wǎng)絡(luò)的組合稱(chēng)為工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

在工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里使用的西門(mén)子交換機(jī)允許配置對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)切換，這可以提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性和大量的診斷選項(xiàng)，提供高傳輸速率，支持光線(xiàn)和銅介質(zhì)傳輸。工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包含幾個(gè)由激活和備用的通信鏈路組成的“管理環(huán)”以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)界面(用于確保避免有激活的以太網(wǎng)環(huán))。在圖5中，激活的鏈路用實(shí)線(xiàn)表示，備用的鏈路用虛線(xiàn)表示。管理環(huán)方法保持環(huán)的一部分被指定為不活動(dòng)和無(wú)響應(yīng)，當(dāng)激活的環(huán)上發(fā)生任意錯(cuò)誤或者故障時(shí)，可以在300 ms內(nèi)自動(dòng)地激活這部分(停用另一條邊)。

圖5 DDG-1000的RTU的內(nèi)部鏈接

有180個(gè)RTU分布在全艦各處。每個(gè)RTU都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字和模擬模塊以及串行現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)/通信網(wǎng)關(guān)連接到船體機(jī)電設(shè)備。RTU包括商業(yè)成熟的西門(mén)子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，接口模塊和PLC功能，I/O模塊和接線(xiàn)端子。RTU包含一個(gè)單獨(dú)的西門(mén)子Scalence X204-2網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用來(lái)與工程控制系統(tǒng)中DCU組合的PLC軟件部分進(jìn)行通訊。X204-2有4個(gè)RJ45網(wǎng)絡(luò)端口和兩個(gè)光纖端口。兩個(gè)光纖端口通過(guò)100 M bps RTU網(wǎng)絡(luò)與DCU的通訊。DCU和RTU的通信是建立在Profinet CBA協(xié)議的基礎(chǔ)上。Profinet CBA是由通過(guò)TCP/IP基于組件的通信和與組件的實(shí)時(shí)通信組成的。Profinet CBA使整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)分成自主運(yùn)行的子系統(tǒng)，通過(guò)子系統(tǒng)對(duì)接口數(shù)據(jù)的分組使網(wǎng)絡(luò)上任意應(yīng)用都可以使用這些數(shù)據(jù)。由于Profinet CBA的限制，每個(gè)控制器只能有64個(gè)Profinet CBA連接點(diǎn)。這造成了了8個(gè)軟件集合體連接到任意一個(gè)RTU的限制。

3.3 與工程設(shè)備相連的RTU接口

在RTU里的西門(mén)子CPU接口模塊、IM151-8、片式I/O和串行網(wǎng)關(guān)提供船船體機(jī)電系統(tǒng)和DCU PLC軟件集合體之間的監(jiān)控。IM151-8接口模塊發(fā)送并接收來(lái)自片式I/O和串行網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，為DCU PLC軟件集合提供I/O狀態(tài)信息來(lái)協(xié)調(diào)船體機(jī)電設(shè)備的監(jiān)視和閉環(huán)控制。IM151-8包含故障切換的梯形邏輯代碼，用于收集并輸出數(shù)據(jù)給一個(gè)DCU集合或者它的備用DCU。模塊的模擬和數(shù)字I/O和串行網(wǎng)關(guān)與IM151-8通訊，并與靠近RTU的艦船系統(tǒng)裝備連接。RTU傳輸數(shù)據(jù)給全艦上適當(dāng)?shù)腄CU和它們的組合。每個(gè)RTU中的IM151-8接口模塊都有獨(dú)特的梯形邏輯代碼。這由Siemens Step 7開(kāi)發(fā)軟件編程。在RTU中的軟件代碼包含用來(lái)初始化I/O模塊和串行網(wǎng)關(guān)的配置數(shù)據(jù)。RTU包含通用的片式I/O模塊和幾種不同類(lèi)型的用于與船體機(jī)電設(shè)備連接和通訊的串行網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)模塊連接的設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)傳感器、獨(dú)立的智能組件和系統(tǒng)/設(shè)備的本地控制器。

3.4 區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

串行網(wǎng)關(guān)使用有限的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議與船體機(jī)電設(shè)備連接。這些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)統(tǒng)稱(chēng)為區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(ZFB)。為了最大限度地降低成本，改善配置管理和生命周期支持，在DDG-1000上有幾種不同類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議：Profibus DP(over copper)，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(EthernetIP)，ControlNet，Modbus和LonWorks。經(jīng)過(guò)大量的商業(yè)研究，這些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)被確定為在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)最常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，并能滿(mǎn)足船體機(jī)電設(shè)備的需求。DDG-1000項(xiàng)目的未來(lái)依賴(lài)于一個(gè)開(kāi)放的架構(gòu)、設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)成熟的硬件未來(lái)的穩(wěn)定性，使得整個(gè)項(xiàng)目在它的生命周期內(nèi)能夠保持當(dāng)前的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)使用工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)來(lái)降低成本。因?yàn)檫@些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的類(lèi)型在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)之前已經(jīng)被選用了，所以船舶設(shè)計(jì)師以及他們的供應(yīng)商能夠使用這些標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一來(lái)設(shè)計(jì)或調(diào)整他們?cè)械脑O(shè)備[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)海軍21世紀(jì)新型多任務(wù)驅(qū)逐艦DDG-1000是第一個(gè)包含海軍最先進(jìn)工程控制系統(tǒng)的平臺(tái),艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和復(fù)雜化程度達(dá)到了空前的水平，超過(guò)了其它所有已經(jīng)為海軍水面艦艇開(kāi)發(fā)的機(jī)械控制系統(tǒng)。

[1] 谷榮亮，馬紅霞.美軍新型驅(qū)逐艦DDG-1000未被大批量采購(gòu)的原因分析[J].國(guó)防科技,2012，273(2):14-16.

[2] 郭遠(yuǎn)星，施一明，葉瑩.艦船綜合控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船,2010，51(3):192-194.

[3] 董曉明，石朝明，黃 坤，等.美海軍DDG-1000全艦計(jì)算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)探析[J].中國(guó)艦船研究,2012，7(6):9-11.

[4] DESAI D M，BRADICICH T M，CHAMPION D，et al. Blade center system overview [J]. IBM Journal of Research and Development，2005，49(6)：809-821.

[5] 劉國(guó)平．船舶電氣與通信[M]．北京：海洋出版社，2004．