海上核電站的綜合平臺管理系統(tǒng)設計

李 勇，吳國東，彭 柳，曹光明

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海上核電站的綜合平臺管理系統(tǒng)設計

李 勇，吳國東，彭 柳，曹光明

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

以海上核電站為應用背景，對船舶平臺綜合平臺管理系統(tǒng)（IPMS）傳統(tǒng)設計中存在的不足進行了分析，提出了基于雙冗余以太網(wǎng)的綜合平臺管理系統(tǒng)設計方案，對以太網(wǎng)絡化的綜合平臺管理系統(tǒng)的結構、功能及實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術進行了闡述。該系統(tǒng)的結構具有簡單開放、網(wǎng)絡化強、可擴展性強、可靠性高、可維護性高等特點，因此有著廣泛的應用前景。

海上核電站 雙冗余以太網(wǎng) 綜合平臺管理系統(tǒng)

0 引言

海上核電站可采用船舶浮動式平臺，是小型核反應堆與船舶工程的有機結合，主要業(yè)務為核能發(fā)電，為長期駐泊在海洋上的海洋工程船舶平臺或者遠離大陸的海島提供電能和淡水。

船舶平臺的綜合平臺管理系統(tǒng)（IPMS，Integration of Platform Management System）在綜合應用十分成熟的計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術、工業(yè)自動化控制技術、數(shù)據(jù)庫技術和信息融合及共享技術的基礎上，將船舶平臺上的各分系統(tǒng)及設備連接到一個以信息共享為核心目標的統(tǒng)一網(wǎng)絡，形成一個集信息綜合管理、集中監(jiān)視、綜合管控和船舶平臺安全于一體的高度自動化、信息化、智能化和網(wǎng)絡化的綜合大系統(tǒng)。該系統(tǒng)全面獲取船舶平臺上各分系統(tǒng)的傳感器信息、執(zhí)行器信息、設備信息、控制指令信息、安全信息等，集中監(jiān)視和管理船舶平臺各分系統(tǒng)及重要設備的數(shù)據(jù)信息，對突發(fā)的報警、故障等事件進行靈敏的檢測并給出快速的響應，及時發(fā)出各種針對報警、故障等突發(fā)事件的控制指令信息，對平臺各分系統(tǒng)實現(xiàn)及時有效的操作和控制，是船舶平臺的信息中心，是對船舶平臺進行指揮與控制的神經中樞?？偟膩碚f，設計該系統(tǒng)的目標是為日趨復雜化的船舶平臺各系統(tǒng)及設備的操作人員提供更實用可靠的操作界面，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)船舶平臺資源和信息的交互與共享，對船舶平臺所有系統(tǒng)及設備實現(xiàn)集中監(jiān)測和綜合管控，提高船舶平臺的綜合效能，簡化船舶平臺的運行操作，強化船舶平臺的可靠性和安全性[1-4]。

近年來，國內外的船舶平臺IPMS的底層控制網(wǎng)絡多采用基于現(xiàn)場CAN總線的分布式系統(tǒng)，上層信息管理網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，整個IPMS的信息系統(tǒng)集成需要實現(xiàn)CAN總線控制網(wǎng)絡與以太信息網(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、OPC技術等手段[5-8]來完成兩個異種網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交互和共享。鑒于以太網(wǎng)技術在我國船舶平臺IPMS中越來越廣泛的應用現(xiàn)狀[9-12]，本文主要研究了采用以太網(wǎng)技術實現(xiàn)信息系統(tǒng)集成的設計方案，實現(xiàn)了海上核電站基于雙冗余以太網(wǎng)的新型IPMS。

1 船舶平臺傳統(tǒng)IPMS的不足

目前，我國船舶平臺IPMS主要采用傳統(tǒng)的電氣自動化技術設計系統(tǒng)方案，從總體上來看，傳統(tǒng)IPMS的系統(tǒng)方案在設計上的不足主要體現(xiàn)在：

1）在傳統(tǒng)的設計方案中，船舶平臺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艙室艙段。這種模式使得系統(tǒng)整個結構復雜，穿艙線纜眾多，造成系統(tǒng)難以裝配、擴展、維修和維護的不利局面，大大增加了系統(tǒng)的研發(fā)成本。

2）在傳統(tǒng)的設計方案中，船舶平臺中的動力、船橋、保障、主機、電站、閉路電視等分系統(tǒng)的設備通常采購于不同的供應商，遵循不同的通信協(xié)議或標準，各分系統(tǒng)往往只能形成各自封閉的控制網(wǎng)絡，各自為政，彼此間實現(xiàn)信息的共享與交互比較困難。

3）在傳統(tǒng)的設計方案中，船舶平臺的底層控制網(wǎng)絡一般采用現(xiàn)場總線，上層管理信息網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，整個系統(tǒng)中有現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)兩者并存的異種網(wǎng)絡系統(tǒng)，使得信息的共享與交互很是困難。

4）在傳統(tǒng)的設計方案中，底層控制系統(tǒng)的對外接口往往不是統(tǒng)一的，如果需要擴展控制單元的接口數(shù)量和類型，船舶平臺的底層控制系統(tǒng)需要做較大的改動，系統(tǒng)網(wǎng)絡的可擴展性比較差。

5）在傳統(tǒng)的設計方案中，每一個控制單元都只是實現(xiàn)特定的功能，其功能需求增加時其軟硬件也需要做較大的改動，與此同時，對其他一些有邏輯聯(lián)系的控制單元的軟硬件也需要進行關聯(lián)性的更改，這使得系統(tǒng)軟硬件的可擴展性比較差。

6）在傳統(tǒng)的設計方案中，對于系統(tǒng)軟件的設計，由于每一個控制單元的軟件都只是實現(xiàn)特定的功能，這使得每一個控制單元在進行單機調試時都需要配置一套專用的模擬調試軟件，與此同時，由于整個系統(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)進度較慢，開發(fā)成本增加的后果。

針對船舶平臺傳統(tǒng)IPMS方案設計的不足，本文提出了一種新型的IPMS設計方案，整個系統(tǒng)從底層控制網(wǎng)絡到上層信息管理網(wǎng)絡均采用以太網(wǎng)，并對系統(tǒng)的軟硬件進行模塊化設計，有效地解決了以上所述問題，為將來的船舶平臺的IPMS方案設計提供了一個嶄新的應用方向。

2 IPMS構建方案

當前，我國船舶平臺中的底層傳感器/執(zhí)行機構數(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平臺各系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和控制，這往往造成船舶平臺中系統(tǒng)穿艙線纜過多、網(wǎng)絡連接結構因層次不清而復雜的局面，使得整個系統(tǒng)的組裝、調試和維護十分不便。

近年來，隨著以太網(wǎng)絡技術的發(fā)展，我國船舶平臺底層控制系統(tǒng)網(wǎng)絡從多采用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)應用到海上核電站的底層控制系統(tǒng)中，同時，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，通過接入交換機將各個艙室的控制單元掛接到雙冗余以太網(wǎng)，經光纖網(wǎng)絡傳輸?shù)胶笈_服務器，在后臺服務器完成數(shù)據(jù)的處理與存儲，并在顯控臺、顯示屏完成平臺各系統(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)絡連接結構層次分明，也極大地方便了系統(tǒng)的組裝、調試和維護。

2.1 底層控制系統(tǒng)構建（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)獨自實現(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平臺各系統(tǒng)進行艙室級采集與控制。圖1為底層控制系統(tǒng)方案結構圖。

圖1 底層控制系統(tǒng)方案結構

該系統(tǒng)方案采用分布式的采集控制方式，每個艙室配置兩個控制單元，兩者之間互為備份，通過艙室內冗余配置的接入交換機掛接到雙冗余光纖以太網(wǎng)，實現(xiàn)底層控制系統(tǒng)與上層信息管理網(wǎng)絡的互聯(lián)。控制單元可根據(jù)傳感器、執(zhí)行機構（泵、閥等）等外部接口對象的分布位置就近布置，物理上是對艙室中眾多的各系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機構的匯聚，穿艙線纜較少，也便于系統(tǒng)的連接與組裝。同時，控制單元的體積相對較小，空間占用較少，其布置位置可以根據(jù)平臺實際布置情況進行適當調整，布置具有一定的靈活性。

相較于船舶平臺底層控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計方案，該底層控制系統(tǒng)方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

1）打破以往船舶平臺分系統(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平臺底層的傳感器和執(zhí)行機構進行艙室級數(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，同時減少了IPMS底層功能模塊的數(shù)量，大大簡化了系統(tǒng)的設備配置。

2）不同于以往底層控制系統(tǒng)多采用CAN等現(xiàn)場總線的方式，控制單元經以太網(wǎng)關設備不再掛接到底層現(xiàn)場總線上，而是掛接到以太網(wǎng)上，再經接入交換機連接到上層信息管理網(wǎng)絡，兩層網(wǎng)絡不再屬于異種網(wǎng)絡系統(tǒng)，均為以太網(wǎng)絡，極為方便地實現(xiàn)了整個系統(tǒng)底層網(wǎng)絡和上層網(wǎng)絡的信息共享與交互。

3）每個艙室配置兩個控制單元，兩者之間互為備份。在其中一個發(fā)生故障時，可迅速將采集控制I/O接口轉換至另一個，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艙室中眾多的各系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機構的匯聚，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，只需更新升級軟件即可，便于故障維修和日常維護。

6）底層結構扁平化，控制單元相當于一個網(wǎng)絡節(jié)點，可以通過增加節(jié)點的方式方便地對底層設備進行擴充，提高了系統(tǒng)的可擴展性。

7）可對信號串擾、電磁干擾等因素造成的數(shù)據(jù)傳輸錯誤進行實時監(jiān)測與糾正，并對監(jiān)測到的故障進行存儲，方便系統(tǒng)的在線或離線故障診斷，為系統(tǒng)的快速調試和維護節(jié)省了時間。

2.2 以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)構建（網(wǎng)絡層）

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?？刂茊卧ㄟ^接入交換機把平臺各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)掛在雙冗余光纖以太網(wǎng)，通過核心交換機的匯聚，平臺各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_服務器進行數(shù)據(jù)處理和存儲。圖2為以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)方案結構圖。

在平臺各艙室布置接入交換機，其向下連接控制單元，向上連接核心交換機，形成全平臺一體化網(wǎng)絡，進行檢測、控制、預警等信息的可靠、快速、便捷傳輸。根據(jù)海上核電站各系統(tǒng)信息對網(wǎng)絡的需求，新型綜合平臺管理系統(tǒng)在星型拓撲結構的基礎上構建一體化信息傳輸網(wǎng)絡，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，主要電子設備配備冗余網(wǎng)卡，結合每艙兩個接入交換機以及配置為冗余結構的兩個核心交換機，構建冗余網(wǎng)絡傳輸架構，能夠在各主要電子設備網(wǎng)絡通信部件出現(xiàn)單點故障時，保障網(wǎng)絡通信的連續(xù)性，有效提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)方案結構

圖3 基于雙冗余以太網(wǎng)的IPMS結構圖

以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)方案具有以下優(yōu)點：

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

2）工業(yè)以太網(wǎng)交換機可以提供諸如虛擬局域網(wǎng)、組播、服務質量控制等技術來滿足船舶環(huán)境對網(wǎng)絡和實時性的要求。

3）本方案采用星型無環(huán)路的網(wǎng)絡拓撲結構，各個層面設置冗余鏈路或設備備份，充分考慮了鏈路中斷、設備故障等意外情況，有效提高網(wǎng)絡的可靠性。

4）本方案采用雙冗余光纖以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡傳輸，應用星型無環(huán)路的網(wǎng)絡拓撲結構，使用TCP/IP協(xié)議，由接入交換機、核心交換機和傳輸媒質等組成。以太網(wǎng)配置為雙冗余方式，在其中一個光纖以太網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡故障或組成設備出現(xiàn)單點故障的情況下，整個系統(tǒng)可以通過另一個光纖以太網(wǎng)繼續(xù)正常工作。

2.3 基于雙冗余以太網(wǎng)技術的新型IPMS信息集成方案

整個系統(tǒng)在結構上從下到上依次分為分散控制層、網(wǎng)絡層和監(jiān)視操作層，如圖3所示。

1）分散控制層是對數(shù)據(jù)信息進行采集與控制的部分，所有底層設備的數(shù)據(jù)信息通過控制單元接入以太網(wǎng)絡：傳感器、執(zhí)行器通過具有相應數(shù)據(jù)處理能力的控制單元，采集與控制信息經協(xié)議轉換成以太網(wǎng)格式，最終通過接入交換機接入到全平臺一體化網(wǎng)絡。

2）網(wǎng)絡層是對數(shù)據(jù)信息進行傳輸與服務的部分，是雙冗余光纖以太網(wǎng)的骨架，是構成平臺一體化網(wǎng)絡的主要組成部分。各艙室經控制單元匯聚的底層信息經接入交換機、核心交換機掛接到平臺一體化網(wǎng)絡，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_服務器處理與儲存。

3）監(jiān)視管理層是對數(shù)據(jù)信息進行集中監(jiān)控與綜合管理的部分，是船舶平臺的信息中心，是對船舶平臺進行指揮與控制的神經中樞。IPMS通過船體顯控臺、船舶操控臺、綜合報警信息顯示屏、視頻監(jiān)控信息顯示屏等實現(xiàn)全平臺的系統(tǒng)級監(jiān)視管理。船體顯控臺、船舶操控臺（不止這兩個顯控臺，可根據(jù)平臺系統(tǒng)需要增加或共用）等安裝平臺各業(yè)務系統(tǒng)對應的人機交互軟件，通過核心服務器直接調閱平臺各系統(tǒng)信息及設備運行狀態(tài)，并根據(jù)運行需求進行平臺各系統(tǒng)執(zhí)行設備的遠程操作控制；綜合報警信息顯示屏、視頻監(jiān)控信息顯示屏（不止這兩個顯示屏，可根據(jù)平臺信息顯示的需要另行增加）等通過核心交換機從后臺服務器直接調取數(shù)據(jù)，實時監(jiān)視平臺各系統(tǒng)的運行狀態(tài)和參數(shù)信息、視頻監(jiān)控信息、報警信息、核控與電力信息。

2.4 新型綜合平臺管理系統(tǒng)設計方案的優(yōu)點

系統(tǒng)總體架構采用雙冗余光纖以太網(wǎng)，網(wǎng)絡具有可靠性高、高速傳輸、價格低廉、組網(wǎng)應用方便等特點。作為當今應用越來越廣泛的通信網(wǎng)絡，以太網(wǎng)有著多種傳輸媒質可選、傳輸速度快、價格低廉等優(yōu)點。雙冗余結構的應用，可進一步提高以太網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性。組網(wǎng)應用方便是以太網(wǎng)的應用中突出的特點，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的閉路電視網(wǎng)絡等其他的監(jiān)控網(wǎng)絡，也便于和船舶平臺的岸基監(jiān)控中心進行通訊。

系統(tǒng)整個結構層次分明而簡單，設備之間的連接線很少，可以很容易地進行設計、故障維修和日常維護等，明顯提高了整個系統(tǒng)的可維護性能。系統(tǒng)主要通過網(wǎng)線連接各個設備，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，掛接到一體化以太網(wǎng)網(wǎng)絡上，再通過核心交換機傳輸給后臺服務器、顯控臺和顯示屏等設備。

如果系統(tǒng)中某一艙室的控制單元需要增加新的功能，只需要修改對應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)具有更強的適應性。

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

在傳統(tǒng)的設計方案中，單機調試時每一個控制單元都需要一套模擬調試軟件，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)的艙室級采集控制方法，整個系統(tǒng)只需一套模擬調試軟件，就可以滿足每一個控制單元的單機調試需求，從而使得系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作量減少，開發(fā)進度加快，開發(fā)成本降低。

當前，國內外較多的船舶平臺IPMS的底層控制網(wǎng)絡采用CAN總線，上層信息管理網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，整個IPMS中有CAN總線和以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡，兩者并存，由于屬于異種網(wǎng)絡系統(tǒng)，其信息系統(tǒng)的集成需要實現(xiàn)CAN總線控制網(wǎng)絡與以太信息網(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)絡和上層信息管理網(wǎng)絡，建立全平臺一體化信息網(wǎng)絡，極大地方便了平臺信息的交互和共享。

3 新型IPMS關鍵技術

3.1 雙冗余光纖以太網(wǎng)技術

雙冗余光纖以太網(wǎng)是整個綜合平臺管理系統(tǒng)的核心部分，網(wǎng)絡應用星型無環(huán)路的網(wǎng)絡拓撲結構，使用TCP/IP協(xié)議，由接入交換機、核心交換機和傳輸媒質等組成。光纖以太網(wǎng)配置為雙冗余方式，在其中一個光纖以太網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)絡故障或組成設備出現(xiàn)單點故障的情況下，整個系統(tǒng)可以通過另一個光纖以太網(wǎng)繼續(xù)正常工作。

3.2 硬件模塊化設計技術

綜合平臺管理系統(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，各模塊的結構標準化；供電標準化，統(tǒng)一使用直流24 V模式；通訊協(xié)議標準化，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計的好處有：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)的硬件設計成本，明顯提高系統(tǒng)的可裝配性、可維護性能。2）采用模塊化方法設計系統(tǒng)硬件，有效提高了系統(tǒng)配置與擴展的便捷化程度。根據(jù)船舶平臺的大小及類型，可以很方便地進行合理又經濟的系統(tǒng)設備配置；而且，整個系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡技術，使得系統(tǒng)的擴展功能十分強大。3）為軟件的模塊化設計提供基礎，可以明顯減少系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作量。4）由于系統(tǒng)中的每個控制單元通過以太網(wǎng)進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，如果需要對系統(tǒng)的功能進行擴展，通過增加控制單元模塊就可以實現(xiàn)，可以很方便地接入系統(tǒng)的以太信息網(wǎng)絡，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展性。

3.3 軟件模塊化設計技術

綜合平臺管理系統(tǒng)中的每一個控制單元采用通用統(tǒng)一的硬件模塊來實現(xiàn)各自的采集和控制功能，在軟件功能上硬件的底層驅動是相同的部分。采用軟件模塊化的設計思路，對硬件的底層驅動進行統(tǒng)一的軟件設計，使得每一個控制單元均配置一樣的硬件底層驅動軟件。這就使得軟件開發(fā)只需關注應用層軟件的功能設計，在減少系統(tǒng)軟件開發(fā)時間的同時又提高了軟件的可靠性。

4 結論

本文首先分析了我國船舶平臺傳統(tǒng)IPMS的系統(tǒng)方案在設計上的諸多不足，在此基礎上，以海上核電站為應用背景，提出了基于雙冗余以太網(wǎng)的新型綜合平臺管理系統(tǒng)，采用雙冗余以太網(wǎng)絡作為網(wǎng)絡架構整合底層控制網(wǎng)絡和上層信息管理網(wǎng)絡，并對系統(tǒng)的軟硬件進行模塊化設計，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、軟件不易擴展等諸多問題。該系統(tǒng)的結構具有簡單開放、網(wǎng)絡化強、可擴展性強、可靠性高、可維護性高等特點，可以極大降低系統(tǒng)總體的研發(fā)成本，對于提高船舶平臺的操控管理自動化水平和信息化程度具有重要的意義，有著廣泛的應用前景。

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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

國家能源局海洋核動力平臺總體關鍵技術及裝備研發(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