李 勇，吳國(guó)東，彭 柳，曹光明

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海上核電站的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 勇，吳國(guó)東，彭 柳，曹光明

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

以海上核電站為應(yīng)用背景，對(duì)船舶平臺(tái)綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)（IPMS）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足進(jìn)行了分析，提出了基于雙冗余以太網(wǎng)的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)化的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單開放、網(wǎng)絡(luò)化強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、可維護(hù)性高等特點(diǎn)，因此有著廣泛的應(yīng)用前景。

海上核電站 雙冗余以太網(wǎng) 綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)

0 引言

海上核電站可采用船舶浮動(dòng)式平臺(tái)，是小型核反應(yīng)堆與船舶工程的有機(jī)結(jié)合，主要業(yè)務(wù)為核能發(fā)電，為長(zhǎng)期駐泊在海洋上的海洋工程船舶平臺(tái)或者遠(yuǎn)離大陸的海島提供電能和淡水。

船舶平臺(tái)的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)（IPMS，Integration of Platform Management System）在綜合應(yīng)用十分成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息融合及共享技術(shù)的基礎(chǔ)上，將船舶平臺(tái)上的各分系統(tǒng)及設(shè)備連接到一個(gè)以信息共享為核心目標(biāo)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)集信息綜合管理、集中監(jiān)視、綜合管控和船舶平臺(tái)安全于一體的高度自動(dòng)化、信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的綜合大系統(tǒng)。該系統(tǒng)全面獲取船舶平臺(tái)上各分系統(tǒng)的傳感器信息、執(zhí)行器信息、設(shè)備信息、控制指令信息、安全信息等，集中監(jiān)視和管理船舶平臺(tái)各分系統(tǒng)及重要設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，對(duì)突發(fā)的報(bào)警、故障等事件進(jìn)行靈敏的檢測(cè)并給出快速的響應(yīng)，及時(shí)發(fā)出各種針對(duì)報(bào)警、故障等突發(fā)事件的控制指令信息，對(duì)平臺(tái)各分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的操作和控制，是船舶平臺(tái)的信息中心，是對(duì)船舶平臺(tái)進(jìn)行指揮與控制的神經(jīng)中樞。總的來說，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目標(biāo)是為日趨復(fù)雜化的船舶平臺(tái)各系統(tǒng)及設(shè)備的操作人員提供更實(shí)用可靠的操作界面，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)船舶平臺(tái)資源和信息的交互與共享，對(duì)船舶平臺(tái)所有系統(tǒng)及設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)和綜合管控，提高船舶平臺(tái)的綜合效能，簡(jiǎn)化船舶平臺(tái)的運(yùn)行操作，強(qiáng)化船舶平臺(tái)的可靠性和安全性[1-4]。

近年來，國(guó)內(nèi)外的船舶平臺(tái)IPMS的底層控制網(wǎng)絡(luò)多采用基于現(xiàn)場(chǎng)CAN總線的分布式系統(tǒng)，上層信息管理網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，整個(gè)IPMS的信息系統(tǒng)集成需要實(shí)現(xiàn)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)與以太信息網(wǎng)的互聯(lián)，使得信息的交互和共享很是困難，一般需要借助Socket（套接字）、中間件技術(shù)、OPC技術(shù)等手段[5-8]來完成兩個(gè)異種網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互和共享。鑒于以太網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)船舶平臺(tái)IPMS中越來越廣泛的應(yīng)用現(xiàn)狀[9-12]，本文主要研究了采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了海上核電站基于雙冗余以太網(wǎng)的新型IPMS。

1 船舶平臺(tái)傳統(tǒng)IPMS的不足

目前，我國(guó)船舶平臺(tái)IPMS主要采用傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，從總體上來看，傳統(tǒng)IPMS的系統(tǒng)方案在設(shè)計(jì)上的不足主要體現(xiàn)在：

1）在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，船舶平臺(tái)一般多段組裝拼合建造，傳感器/執(zhí)行器分散分布于所有艙室艙段，而若干控制單元集中分布于某個(gè)艙室艙段。這種模式使得系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穿艙線纜眾多，造成系統(tǒng)難以裝配、擴(kuò)展、維修和維護(hù)的不利局面，大大增加了系統(tǒng)的研發(fā)成本。

2）在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，船舶平臺(tái)中的動(dòng)力、船橋、保障、主機(jī)、電站、閉路電視等分系統(tǒng)的設(shè)備通常采購(gòu)于不同的供應(yīng)商，遵循不同的通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)，各分系統(tǒng)往往只能形成各自封閉的控制網(wǎng)絡(luò)，各自為政，彼此間實(shí)現(xiàn)信息的共享與交互比較困難。

3）在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，船舶平臺(tái)的底層控制網(wǎng)絡(luò)一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線，上層管理信息網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)中有現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)兩者并存的異種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得信息的共享與交互很是困難。

4）在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，底層控制系統(tǒng)的對(duì)外接口往往不是統(tǒng)一的，如果需要擴(kuò)展控制單元的接口數(shù)量和類型，船舶平臺(tái)的底層控制系統(tǒng)需要做較大的改動(dòng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性比較差。

5）在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，每一個(gè)控制單元都只是實(shí)現(xiàn)特定的功能，其功能需求增加時(shí)其軟硬件也需要做較大的改動(dòng)，與此同時(shí)，對(duì)其他一些有邏輯聯(lián)系的控制單元的軟硬件也需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)性的更改，這使得系統(tǒng)軟硬件的可擴(kuò)展性比較差。

6）在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，由于每一個(gè)控制單元的軟件都只是實(shí)現(xiàn)特定的功能，這使得每一個(gè)控制單元在進(jìn)行單機(jī)調(diào)試時(shí)都需要配置一套專用的模擬調(diào)試軟件，與此同時(shí)，由于整個(gè)系統(tǒng)中控制單元的數(shù)量眾多，造成開發(fā)工作量較大，開發(fā)進(jìn)度較慢，開發(fā)成本增加的后果。

針對(duì)船舶平臺(tái)傳統(tǒng)IPMS方案設(shè)計(jì)的不足，本文提出了一種新型的IPMS設(shè)計(jì)方案，整個(gè)系統(tǒng)從底層控制網(wǎng)絡(luò)到上層信息管理網(wǎng)絡(luò)均采用以太網(wǎng)，并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，有效地解決了以上所述問題，為將來的船舶平臺(tái)的IPMS方案設(shè)計(jì)提供了一個(gè)嶄新的應(yīng)用方向。

2 IPMS構(gòu)建方案

當(dāng)前，我國(guó)船舶平臺(tái)中的底層傳感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量眾多，而且分散分布于各艙室艙段，集中分布于某一艙室艙段的若干控制單元對(duì)平臺(tái)各系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，這往往造成船舶平臺(tái)中系統(tǒng)穿艙線纜過多、網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)因?qū)哟尾磺宥鴱?fù)雜的局面，使得整個(gè)系統(tǒng)的組裝、調(diào)試和維護(hù)十分不便。

近年來，隨著以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)船舶平臺(tái)底層控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從多采用CAN總線向采用光纖以太網(wǎng)的方向發(fā)展，本方案將雙冗余光纖以太網(wǎng)應(yīng)用到海上核電站的底層控制系統(tǒng)中，同時(shí)，采用通用化統(tǒng)一化的控制單元模塊來解決海上核電站的控制單元多樣化的難題，通過接入交換機(jī)將各個(gè)艙室的控制單元掛接到雙冗余以太網(wǎng)，經(jīng)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，在后臺(tái)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)，并在顯控臺(tái)、顯示屏完成平臺(tái)各系統(tǒng)的集中監(jiān)視與管理。該方案可以明顯減少穿艙線纜的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)層次分明，也極大地方便了系統(tǒng)的組裝、調(diào)試和維護(hù)。

2.1 底層控制系統(tǒng)構(gòu)建（分散控制層）

海上核電站的底層控制系統(tǒng)打破以往分系統(tǒng)獨(dú)自實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的方式，采用通用化統(tǒng)一化的控制單元模塊對(duì)平臺(tái)各系統(tǒng)進(jìn)行艙室級(jí)采集與控制。圖1為底層控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖。

圖1 底層控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)方案采用分布式的采集控制方式，每個(gè)艙室配置兩個(gè)控制單元，兩者之間互為備份，通過艙室內(nèi)冗余配置的接入交換機(jī)掛接到雙冗余光纖以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)底層控制系統(tǒng)與上層信息管理網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)?？刂茊卧筛鶕?jù)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（泵、閥等）等外部接口對(duì)象的分布位置就近布置，物理上是對(duì)艙室中眾多的各系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的匯聚，穿艙線纜較少，也便于系統(tǒng)的連接與組裝。同時(shí)，控制單元的體積相對(duì)較小，空間占用較少，其布置位置可以根據(jù)平臺(tái)實(shí)際布置情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，布置具有一定的靈活性。

相較于船舶平臺(tái)底層控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該底層控制系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1）打破以往船舶平臺(tái)分系統(tǒng)各自為政的傳統(tǒng)，通過通用化統(tǒng)一化的控制單元模塊對(duì)平臺(tái)底層的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行艙室級(jí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集與控制，規(guī)避了由于不同分系統(tǒng)配置不同控制單元造成的不兼容問題，同時(shí)減少了IPMS底層功能模塊的數(shù)量，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)備配置。

2）不同于以往底層控制系統(tǒng)多采用CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，控制單元經(jīng)以太網(wǎng)關(guān)設(shè)備不再掛接到底層現(xiàn)場(chǎng)總線上，而是掛接到以太網(wǎng)上，再經(jīng)接入交換機(jī)連接到上層信息管理網(wǎng)絡(luò)，兩層網(wǎng)絡(luò)不再屬于異種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，均為以太網(wǎng)絡(luò)，極為方便地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)的信息共享與交互。

3）每個(gè)艙室配置兩個(gè)控制單元，兩者之間互為備份。在其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，可迅速將采集控制I/O接口轉(zhuǎn)換至另一個(gè)，可以有效提高分散控制的可靠性和穩(wěn)定性。

4）控制單元物理上是對(duì)艙室中眾多的各系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的匯聚，明顯減少線纜線束的數(shù)量及體積，使得底層布線、安裝、集成既簡(jiǎn)單又方便。

5）控制單元硬件通用化、統(tǒng)一化，如果增加新的功能，硬件無需任何改動(dòng)，只需更新升級(jí)軟件即可，便于故障維修和日常維護(hù)。

6）底層結(jié)構(gòu)扁平化，控制單元相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以通過增加節(jié)點(diǎn)的方式方便地對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)充，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

7）可對(duì)信號(hào)串?dāng)_、電磁干擾等因素造成的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與糾正，并對(duì)監(jiān)測(cè)到的故障進(jìn)行存儲(chǔ)，方便系統(tǒng)的在線或離線故障診斷，為系統(tǒng)的快速調(diào)試和維護(hù)節(jié)省了時(shí)間。

2.2 以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)構(gòu)建（網(wǎng)絡(luò)層）

海上核電站IPMS通過以太網(wǎng)系統(tǒng)完成采集與控制信息的傳輸、處理和存儲(chǔ)?？刂茊卧ㄟ^接入交換機(jī)把平臺(tái)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)掛在雙冗余光纖以太網(wǎng)，通過核心交換機(jī)的匯聚，平臺(tái)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。圖2為以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖。

在平臺(tái)各艙室布置接入交換機(jī)，其向下連接控制單元，向上連接核心交換機(jī)，形成全平臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行檢測(cè)、控制、預(yù)警等信息的可靠、快速、便捷傳輸。根據(jù)海上核電站各系統(tǒng)信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，新型綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)建一體化信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，具體組網(wǎng)方式為雙冗余星型無環(huán)路光纖以太網(wǎng)方式，主要電子設(shè)備配備冗余網(wǎng)卡，結(jié)合每艙兩個(gè)接入交換機(jī)以及配置為冗余結(jié)構(gòu)的兩個(gè)核心交換機(jī)，構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，能夠在各主要電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信部件出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，保障網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

圖3 基于雙冗余以太網(wǎng)的IPMS結(jié)構(gòu)圖

以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）不同于以往的CAN總線組網(wǎng)方式，本方案的網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，在網(wǎng)絡(luò)可靠性、抗惡劣環(huán)境能力、信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與確定性等方面比普通商用以太網(wǎng)有很大的改進(jìn)和改善。

2）工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以提供諸如虛擬局域網(wǎng)、組播、服務(wù)質(zhì)量控制等技術(shù)來滿足船舶環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)性的要求。

3）本方案采用星型無環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)層面設(shè)置冗余鏈路或設(shè)備備份，充分考慮了鏈路中斷、設(shè)備故障等意外情況，有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

4）本方案采用雙冗余光纖以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，應(yīng)用星型無環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用TCP/IP協(xié)議，由接入交換機(jī)、核心交換機(jī)和傳輸媒質(zhì)等組成。以太網(wǎng)配置為雙冗余方式，在其中一個(gè)光纖以太網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或組成設(shè)備出現(xiàn)單點(diǎn)故障的情況下，整個(gè)系統(tǒng)可以通過另一個(gè)光纖以太網(wǎng)繼續(xù)正常工作。

2.3 基于雙冗余以太網(wǎng)技術(shù)的新型IPMS信息集成方案

整個(gè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上從下到上依次分為分散控制層、網(wǎng)絡(luò)層和監(jiān)視操作層，如圖3所示。

1）分散控制層是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與控制的部分，所有底層設(shè)備的數(shù)據(jù)信息通過控制單元接入以太網(wǎng)絡(luò)：傳感器、執(zhí)行器通過具有相應(yīng)數(shù)據(jù)處理能力的控制單元，采集與控制信息經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)格式，最終通過接入交換機(jī)接入到全平臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)。

2）網(wǎng)絡(luò)層是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸與服務(wù)的部分，是雙冗余光纖以太網(wǎng)的骨架，是構(gòu)成平臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。各艙室經(jīng)控制單元匯聚的底層信息經(jīng)接入交換機(jī)、核心交換機(jī)掛接到平臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器處理與儲(chǔ)存。

3）監(jiān)視管理層是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中監(jiān)控與綜合管理的部分，是船舶平臺(tái)的信息中心，是對(duì)船舶平臺(tái)進(jìn)行指揮與控制的神經(jīng)中樞。IPMS通過船體顯控臺(tái)、船舶操控臺(tái)、綜合報(bào)警信息顯示屏、視頻監(jiān)控信息顯示屏等實(shí)現(xiàn)全平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視管理。船體顯控臺(tái)、船舶操控臺(tái)（不止這兩個(gè)顯控臺(tái)，可根據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)需要增加或共用）等安裝平臺(tái)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互軟件，通過核心服務(wù)器直接調(diào)閱平臺(tái)各系統(tǒng)信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行需求進(jìn)行平臺(tái)各系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備的遠(yuǎn)程操作控制；綜合報(bào)警信息顯示屏、視頻監(jiān)控信息顯示屏（不止這兩個(gè)顯示屏，可根據(jù)平臺(tái)信息顯示的需要另行增加）等通過核心交換機(jī)從后臺(tái)服務(wù)器直接調(diào)取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視平臺(tái)各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)信息、視頻監(jiān)控信息、報(bào)警信息、核控與電力信息。

2.4 新型綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)總體架構(gòu)采用雙冗余光纖以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、高速傳輸、價(jià)格低廉、組網(wǎng)應(yīng)用方便等特點(diǎn)。作為當(dāng)今應(yīng)用越來越廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)有著多種傳輸媒質(zhì)可選、傳輸速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。雙冗余結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可進(jìn)一步提高以太網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。組網(wǎng)應(yīng)用方便是以太網(wǎng)的應(yīng)用中突出的特點(diǎn)，系統(tǒng)間的互聯(lián)往往很容易，可無縫連接和集成船舶平臺(tái)的閉路電視網(wǎng)絡(luò)等其他的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，也便于和船舶平臺(tái)的岸基監(jiān)控中心進(jìn)行通訊。

系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)層次分明而簡(jiǎn)單，設(shè)備之間的連接線很少，可以很容易地進(jìn)行設(shè)計(jì)、故障維修和日常維護(hù)等，明顯提高了整個(gè)系統(tǒng)的可維護(hù)性能。系統(tǒng)主要通過網(wǎng)線連接各個(gè)設(shè)備，底層控制單元采集的數(shù)據(jù)均通過網(wǎng)線傳輸給接入交換機(jī)，掛接到一體化以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，再通過核心交換機(jī)傳輸給后臺(tái)服務(wù)器、顯控臺(tái)和顯示屏等設(shè)備。

如果系統(tǒng)中某一艙室的控制單元需要增加新的功能，只需要修改對(duì)應(yīng)控制單元的軟件即可，其他艙室的控制單元的軟件無需任何更改，系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

如果系統(tǒng)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，如增加更多的控制單元，則系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案無需改變，只需要將新增加的控制單元接入所在艙室的接入交換機(jī)即可，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的硬件可擴(kuò)展性。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，單機(jī)調(diào)試時(shí)每一個(gè)控制單元都需要一套模擬調(diào)試軟件，用來模擬該控制單元的接口功能。如果采取本方案不分系統(tǒng)的艙室級(jí)采集控制方法，整個(gè)系統(tǒng)只需一套模擬調(diào)試軟件，就可以滿足每一個(gè)控制單元的單機(jī)調(diào)試需求，從而使得系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作量減少，開發(fā)進(jìn)度加快，開發(fā)成本降低。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外較多的船舶平臺(tái)IPMS的底層控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線，上層信息管理網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，整個(gè)IPMS中有CAN總線和以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)，兩者并存，由于屬于異種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其信息系統(tǒng)的集成需要實(shí)現(xiàn)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)與以太信息網(wǎng)的互聯(lián)，使得信息的共享與交互很是困難。該方案采用雙冗余以太網(wǎng)整合底層控制網(wǎng)絡(luò)和上層信息管理網(wǎng)絡(luò)，建立全平臺(tái)一體化信息網(wǎng)絡(luò)，極大地方便了平臺(tái)信息的交互和共享。

3 新型IPMS關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙冗余光纖以太網(wǎng)技術(shù)

雙冗余光纖以太網(wǎng)是整個(gè)綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的核心部分，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用星型無環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用TCP/IP協(xié)議，由接入交換機(jī)、核心交換機(jī)和傳輸媒質(zhì)等組成。光纖以太網(wǎng)配置為雙冗余方式，在其中一個(gè)光纖以太網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或組成設(shè)備出現(xiàn)單點(diǎn)故障的情況下，整個(gè)系統(tǒng)可以通過另一個(gè)光纖以太網(wǎng)繼續(xù)正常工作。

3.2 硬件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)中含有眾多的控制單元，包括控制器模塊、I/O模塊和通信模塊等核心部分，各模塊的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化；供電標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一使用直流24 V模式；通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議，保證控制單元在硬件上通用化、統(tǒng)一化。在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)的好處有：1）控制單元采用通用統(tǒng)一的硬件模塊，可以有效降低系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)成本，明顯提高系統(tǒng)的可裝配性、可維護(hù)性能。2）采用模塊化方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件，有效提高了系統(tǒng)配置與擴(kuò)展的便捷化程度。根據(jù)船舶平臺(tái)的大小及類型，可以很方便地進(jìn)行合理又經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)設(shè)備配置；而且，整個(gè)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得系統(tǒng)的擴(kuò)展功能十分強(qiáng)大。3）為軟件的模塊化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，可以明顯減少系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作量。4）由于系統(tǒng)中的每個(gè)控制單元通過以太網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，如果需要對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，通過增加控制單元模塊就可以實(shí)現(xiàn)，可以很方便地接入系統(tǒng)的以太信息網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)硬件及線纜都不需要做任何的更改，使得系統(tǒng)硬件有著極好的可擴(kuò)展性。

3.3 軟件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)中的每一個(gè)控制單元采用通用統(tǒng)一的硬件模塊來實(shí)現(xiàn)各自的采集和控制功能，在軟件功能上硬件的底層驅(qū)動(dòng)是相同的部分。采用軟件模塊化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)硬件的底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)一的軟件設(shè)計(jì)，使得每一個(gè)控制單元均配置一樣的硬件底層驅(qū)動(dòng)軟件。這就使得軟件開發(fā)只需關(guān)注應(yīng)用層軟件的功能設(shè)計(jì)，在減少系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)間的同時(shí)又提高了軟件的可靠性。

4 結(jié)論

本文首先分析了我國(guó)船舶平臺(tái)傳統(tǒng)IPMS的系統(tǒng)方案在設(shè)計(jì)上的諸多不足，在此基礎(chǔ)上，以海上核電站為應(yīng)用背景，提出了基于雙冗余以太網(wǎng)的新型綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)，采用雙冗余以太網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)整合底層控制網(wǎng)絡(luò)和上層信息管理網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，有效解決了傳統(tǒng)方案中出現(xiàn)的系統(tǒng)線纜眾多、信息集成困難、硬件多樣化、軟件不易擴(kuò)展等諸多問題。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單開放、網(wǎng)絡(luò)化強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、可維護(hù)性高等特點(diǎn)，可以極大降低系統(tǒng)總體的研發(fā)成本，對(duì)于提高船舶平臺(tái)的操控管理自動(dòng)化水平和信息化程度具有重要的意義，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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Design for Integrated Platform Management System of Marine Nuclear Power Station

Li Yong, Wu Guodong, Peng Liu, Cao Guangming

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TP302

A

1003-4862（2019）02-017-06

2018-09-17

國(guó)家能源局海洋核動(dòng)力平臺(tái)總體關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)（NY20150201、NY20150202）。

李勇（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶綜合信息與控制。E-mail: liyonglynn@163.com