摘 要：以“海洋石油286”工程船項(xiàng)目的全集成自動化系統(tǒng)為實(shí)例，介紹了全集成自動化系統(tǒng)在海洋工程船項(xiàng)目上的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了海洋工程船全集成自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)，闡述了海洋工程船自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對海洋工程船自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：海洋工程船;全集成自動化;應(yīng)用;設(shè)計(jì)

0 引言

隨著國家海洋戰(zhàn)略的不斷深入，我國對海洋探索和開發(fā)的力度也逐年加大。近年來各類型高科技海洋工程船項(xiàng)目不斷交付使用，對海洋工程船自動化系統(tǒng)的要求也越來越高，全集成自動化系統(tǒng)需同時(shí)具備先進(jìn)性、穩(wěn)定性、快速性和兼容性等特征。西門子作為全球自動化系統(tǒng)的引領(lǐng)者，其提供的船舶全集成自動化系統(tǒng)在眾多海洋石油工程船項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用，如“海洋石油286”“海洋石油760”“海洋石油720”“海洋石油721”等。

本文將基于“海洋石油286”工程船項(xiàng)目自動化系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹海洋工程船全集成自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 海洋工程船項(xiàng)目全集成自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)

現(xiàn)代的海洋工程船科技含量越來越高，功能也越來越多，通常具有油氣資源開發(fā)、電纜敷設(shè)、大型結(jié)構(gòu)吊裝等功能?？紤]到海洋工程的作業(yè)功能，其動力定位DP要求都較高，通常為DP2或DP3，這對船上各系統(tǒng)的冗余性提出了嚴(yán)格的要求。

例如，“海洋石油286”深水工程船是中國首艘作業(yè)能力達(dá)到3 000 m水深的世界頂級技術(shù)難度的海洋工程船舶，專門用于深海油氣資源開發(fā)，其配有升沉補(bǔ)償功能的400 t大型海洋工程起重機(jī)和最大作業(yè)水深達(dá)3 000 m的水下機(jī)器人，具有深水大型結(jié)構(gòu)物吊裝、臍帶纜與電纜敷設(shè)、飽和潛水作業(yè)支持以及深水設(shè)施檢驗(yàn)、維護(hù)等多項(xiàng)功能。

“海洋石油286”是CCS和DNV雙船級社，動力定位要求等級是最高的DP3。由于該船綜合作業(yè)能力強(qiáng)，因此船上設(shè)備也比一般船要更多，報(bào)警點(diǎn)達(dá)到8 000點(diǎn)（硬點(diǎn)約3 500點(diǎn)，通信點(diǎn)約4 500點(diǎn)），對自動化系統(tǒng)的要求非常高，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）冗余性：船級社DP3要求在任何情況下的單點(diǎn)故障不應(yīng)影響到船只的動力定位功能。本項(xiàng)目自動化系統(tǒng)采用的是兩套冗余CPU417H和一組獨(dú)立的CPU416，OS操作站與CPU之間的通信及CPU與采集箱之間的通信都是使用光纖雙環(huán)網(wǎng)，任何一個(gè)單點(diǎn)故障都不會影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）控制邏輯復(fù)雜性：該船需要自動化系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控的設(shè)備（包括配電板斷路器、泵、閥門）有200多個(gè)，為保證該船能達(dá)到技術(shù)規(guī)格書要求的船級社等級符號，需要做大量復(fù)雜的聯(lián)鎖控制邏輯。

2 全集成自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

“海洋石油286”工程船項(xiàng)目全集成自動化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余性，以滿足船舶動力定位DP3要求，采用的三層網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)均為光纖雙環(huán)網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，如圖1所示。

2.1? ? 現(xiàn)場總線（Field Bus）

現(xiàn)場采集箱（FS柜）與過程處理柜（PCU柜）之間的現(xiàn)場總線采用Profibus DP協(xié)議的雙環(huán)網(wǎng)光纖通信，通信速率為100 Mbps。

2.2? ? 過程總線（Process Bus）

操作站服務(wù)器（OSS）與過程處理柜（PCU柜）之間的過程總線采用的是ISO協(xié)議的雙環(huán)網(wǎng)光纖通信，通信速率最高可達(dá)到1 000 Mbps。

2.3? ? 終端總線（Terminal Bus）

操作站服務(wù)器（OSS）與操作站客戶端（OSC）之間的終端總線采用的是TCP/IP協(xié)議的雙環(huán)網(wǎng)光纖通信，通信速率最高可達(dá)到1 000 Mbps。

上述三層網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)任何單點(diǎn)故障均不會影響到系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 全集成自動化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

“海洋石油286”工程船項(xiàng)目全集成自動化系統(tǒng)的主要元器件如表1所示。

“海洋石油286”工程船項(xiàng)目自動化系統(tǒng)報(bào)警點(diǎn)有約8 000點(diǎn)，因此PLC使用的是兩套西門子冗余CPU417-5H，處理數(shù)據(jù)量最大可達(dá)10 000點(diǎn)，而且該P(yáng)LC具有熱冗余性能，當(dāng)一個(gè)CPU出現(xiàn)故障的時(shí)候，可自動切換到備用CPU，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。它的Profibus DP接口最多可連接125個(gè)ET200 IO分站。

根據(jù)該船DP3要求，互為冗余的兩個(gè)CPU需放置在兩個(gè)單獨(dú)的防火分隔里，避免一個(gè)CPU所處的艙室進(jìn)水或發(fā)生火災(zāi)時(shí)，另一個(gè)CPU受影響。在“海洋石油286”項(xiàng)目中冗余配置兩個(gè)CPU417-5H，一個(gè)安裝在前機(jī)艙配電板間的PCU1柜，另一個(gè)安裝在后機(jī)艙配電板間的PCU2柜內(nèi)。

上位機(jī)采用Server（服務(wù)器）-Client（客戶端）架構(gòu)，如圖2所示。

“海洋石油286”項(xiàng)目采用兩臺OS服務(wù)器，服務(wù)器選用的是西門子高性能工控機(jī)SIMATIC IPC647C，服務(wù)器負(fù)責(zé)從PLC中讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給11臺OS客戶端，所有客戶端從服務(wù)器而不是從PLC獲取數(shù)據(jù)，這樣可以緩解PLC側(cè)的通信量。兩臺服務(wù)器互為熱冗余備用，當(dāng)一臺OS服務(wù)器故障時(shí)，立即切換到備用服務(wù)器，使系統(tǒng)能不間斷地繼續(xù)工作，滿足該船動力定位DP3的要求。

4 全集成自動化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

“海洋石油286”項(xiàng)目全集成自動化系統(tǒng)軟件使用的是西門子SIMATIC PCS7軟件，它是國際領(lǐng)先的過程控制系統(tǒng)，無縫集成了STEP7編程軟件及WinCC畫面處理軟件，廣泛應(yīng)用于西門子各行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中。

STEP7軟件用于S7-400 CPU的組態(tài)及功能塊、數(shù)據(jù)塊的設(shè)計(jì)與程序的編寫。

自動化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)充分考慮到了海洋石油工程船的性能特點(diǎn)，除了一些自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能，如報(bào)警顯示、閥門及泵的控制等，還增加了一些特殊的邏輯功能。

4.1? ? 備用泵自動啟動

因海洋工程船項(xiàng)目大多動力定位DP等級較高，海水泵、淡水泵、燃油輸送泵、滑油輸送泵等都是一主一備，在自動模式下，當(dāng)主泵出現(xiàn)故障和報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會立刻自動切換到備用泵，船員也可在電腦畫面上手動切換，保證了船舶系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.2? ? 推進(jìn)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)一鍵啟動

當(dāng)船員需要啟動推進(jìn)器時(shí)，需要先啟動推進(jìn)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，如液壓泵、滑油泵等。為了方便船員操作，在自動化系統(tǒng)中，做了“輔助系統(tǒng)一鍵啟動”功能，只需要在畫面上點(diǎn)擊一次該按鈕，相應(yīng)的推進(jìn)輔助泵就會啟動運(yùn)行，并在輔助系統(tǒng)啟動完畢后給予操作員一個(gè)綠色圖標(biāo)指示，則船員可直接啟動推進(jìn)器。

4.3? ? 全船失電后的自動恢復(fù)（Blackout Recovery）

當(dāng)船上遇到緊急情況造成全船失電時(shí)，自動化系統(tǒng)將記錄下部分主要設(shè)備（如開關(guān)、泵、風(fēng)機(jī)等）的工作狀態(tài)，在主配電板得電后，將自動發(fā)出命令，將失電之前運(yùn)行的泵、風(fēng)機(jī)及合閘的開關(guān)恢復(fù)至失電前的狀態(tài)。

5 全集成自動化系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

“海洋石油286”項(xiàng)目自動化人機(jī)界面采用的是SIMATIC WinCC設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的畫面設(shè)計(jì)既考慮到了美觀，也考慮到了操作的安全和便捷性，總共約有110幅Mimic圖，圖片遵循了西門子自動化系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)的基本原則：

（1）不同的區(qū)域通過模擬圖的方式顯示，并提供整個(gè)系統(tǒng)的總覽。

（2）通過模擬圖操作員可以對設(shè)備執(zhí)行操作。模擬圖向操作員提供重要的設(shè)備信息（執(zhí)行器、閥門、測量值、信號顯示等）。

（3）操作：1）操作主要通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)，鍵盤用來輸入數(shù)據(jù);2）鍵盤上F1～F10均設(shè)置為快捷熱鍵，方便操作員的使用;3）操作設(shè)備前，首先在模擬圖上選擇設(shè)備，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)，打開相應(yīng)的窗口（faceplate）;4）出于安全考慮，過程相關(guān)的操作，操作員必須要有相應(yīng)的權(quán)限;5）切換驅(qū)動器或者輸入設(shè)定值的操作會在消息系統(tǒng)記錄下來。

（4）系統(tǒng)提供大量的診斷功能支持維護(hù)人員。

（5）系統(tǒng)的顏色標(biāo)準(zhǔn)化并附帶一些特定的信息，例如電機(jī)運(yùn)行是綠色的，停止是白色，報(bào)警顯示紅色、警告顯示黃色等。

（6）圖形顯示和對象標(biāo)準(zhǔn)化。

針對“海洋石油286”工程船的特點(diǎn)，自動化系統(tǒng)專門增加了DP操作界面，如圖3所示。將與動力定位相關(guān)的設(shè)備，如開關(guān)、推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)、主要參數(shù)及控制集中到幾幅畫面，極大地方便了船員在動力定位時(shí)的操作和觀察。

6 全集成自動化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷功能

海洋工程船長時(shí)間在海上作業(yè)，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，船員無法解決，設(shè)備服務(wù)工程師上船又耽誤時(shí)間，這時(shí)候遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)就能發(fā)揮作用。在“海洋石油286”工程船上就安裝了西門子自動化遠(yuǎn)程診斷（RDS）系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

船上各電氣系統(tǒng)（如配電、自動化、推進(jìn)等系統(tǒng)）可將信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給全集成自動化系統(tǒng)的工程師站。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，岸上工程師可使用RDS服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連上船上的工程師站，實(shí)時(shí)在線分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)及曲線，幫助船員查找故障原因，指導(dǎo)其排除故障。出于安全考慮，船上裝有防火墻，可有效防止無關(guān)人員的網(wǎng)絡(luò)入侵。

從實(shí)際使用效果來看，遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用極大地減少了設(shè)備服務(wù)商上船的次數(shù)，縮短了故障排除時(shí)間。

7 海洋工程船自動化系統(tǒng)展望

隨著海洋科技的發(fā)展，人們對海洋工程船自動化系統(tǒng)的要求也越來越高，未來海洋工程船自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

7.1? ? 遠(yuǎn)程管理化

因?yàn)楹Ｑ蠊こ檀Ｄ昶≡诤Ｉ献鳂I(yè)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和診斷功能在船舶上顯得非常重要。

（1）數(shù)據(jù)傳送：船舶管理方需要在岸上辦公室實(shí)時(shí)了解各船舶主要設(shè)備的運(yùn)行狀況，得到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳送的數(shù)據(jù)，便于船舶管理人員做出合理的調(diào)度和安排。

（2）遠(yuǎn)程診斷：如果船舶設(shè)備遇到故障，安排人員上船服務(wù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)可以讓專家、服務(wù)商在線遠(yuǎn)程幫助分析、解決問題。

7.2? ? 數(shù)字智能化

隨著大數(shù)據(jù)及人工智能的發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)將會越來越多地運(yùn)用到海洋工程船的自動化系統(tǒng)中。

（1）通過大數(shù)據(jù)判斷，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障;

（2）通過人工智能及專家系統(tǒng)，給出故障解決方案;

（3）通過大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)更換備件，防患于未然。

全集成自動化系統(tǒng)在海洋工程船上的應(yīng)用和發(fā)展，將使海洋工程船的使用和操作更加高效、便捷、智能。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 梁國彬.基于PLC控制的船舶機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)及其軟件實(shí)現(xiàn)[J].自動化博覽，2008，25（7）：84-86.

[2] 孫鳳玲，高鳳平.船舶集中控制與監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)[J].機(jī)電設(shè)備，2000（5）：18-20.

[3] 戰(zhàn)興群，趙雋，張炎華，等.機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)研制[J].船舶工程，2001（3）：42-46.

[4] 侯馨光.我國應(yīng)加快推進(jìn)船舶與海洋工程自動化研發(fā)[J].船舶經(jīng)濟(jì)貿(mào)易，2012（2）：28-30.

[5] 張旭，李迪陽，孫建波，等.船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41（22）：229-232.

[6] 王琪.船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)電設(shè)備，2007，24（6）：32-35.

[7] 張春.西門子STEP 7編程語言與使用技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[8] 胡健.西門子S7-300 PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[9] Siemens AG.Programming with S7-SCL[Z].

[10] Siemens AG.WinCC組態(tài)手冊（共3冊）[Z].

收稿日期：2021-01-11

作者簡介：阮昊（1979—），男，江西新余人，工程師，研究方向：船舶電氣自動化。