超大型耙吸船“浚洋1”分散型集成控制系統(tǒng)分析

（中交廣州航道局有限公司技術(shù)中心 廣州510230）

引 言

船舶大型化和自動化的發(fā)展方向?qū)Υ翱刂葡到y(tǒng)的要求體現(xiàn)在強(qiáng)實時性、高可靠性以及惡劣環(huán)境適應(yīng)性。船舶涉及的設(shè)備類型龐雜、標(biāo)準(zhǔn)各異，控制網(wǎng)絡(luò)還須有一定的開放性。分析有前沿技術(shù)的控制系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)將有較強(qiáng)的啟發(fā)意義。“浚洋1”為中交集團(tuán)廣州航道局有限公司投資建造的新一代超大型耙吸式挖泥船，其控制系統(tǒng)由世界領(lǐng)先的疏浚海工設(shè)備生產(chǎn)商IHC整體設(shè)計，與其他現(xiàn)役船舶相比有質(zhì)的變化。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 主要構(gòu)成

該船控制網(wǎng)由25臺光纖交換機(jī)組成，全船構(gòu)成一個外環(huán)網(wǎng)，分別組建機(jī)艙區(qū)域、駕駛室區(qū)域、變流機(jī)間，變頻間等4個內(nèi)環(huán)網(wǎng)。交換機(jī)分布情況見表1。

表1 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)數(shù)量

所有遠(yuǎn)程輸入輸出機(jī)架、工作站計算機(jī)、本地控制板均就近接入?yún)^(qū)域環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。2臺SCADA服務(wù)器分別布置于駕駛室和集控室。10臺工作站分布于駕駛臺、挖泥臺、集控室、變頻間、輪機(jī)長房等位置。一臺數(shù)據(jù)日志服務(wù)器位于駕駛臺。

PLC均采用大型耙吸船挖泥控制系統(tǒng)等常用的美國羅克韋爾ControlLogix系列產(chǎn)品。負(fù)責(zé)與傳感器、執(zhí)行元件、主令元件的連接，并完成基本的輸入輸出及控制、保護(hù)等邏輯。通過羅克韋爾冗余機(jī)架技術(shù)實現(xiàn)PLC CPU的在線冗余功能。

1.2 系統(tǒng)功能

工作站客戶端（HMI）的開發(fā)使用了通用電氣Cimplicity平臺，對羅克韋爾PLC有很好的支持。該船HMI的設(shè)計將傳統(tǒng)的船舶控制系統(tǒng)概念融合起來，不同系統(tǒng)不同功能的界面整合在一個客戶端中，根據(jù)用戶名、分布位置進(jìn)行權(quán)限劃分。管理員在任一工作站均擁有全功能權(quán)限，便于維護(hù)系統(tǒng)。不同權(quán)限的工作站能夠共享設(shè)備的各種參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的功能。實際上，HMI能同時負(fù)責(zé)機(jī)艙報警、挖泥控制、驅(qū)動控制、功率管理等船舶控制任務(wù)。

1.3 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比存在的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)據(jù)共享程度高，PLC間數(shù)據(jù)的共享使用羅克韋爾NetLinx網(wǎng)絡(luò)體系的核心技術(shù)“生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式”［1］，接入PLC的任一設(shè)備、傳感器等信息均可在系統(tǒng)中使用。

系統(tǒng)冗余性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵控制設(shè)備均設(shè)計為熱備式冗余，故障自主應(yīng)對表現(xiàn)好。

各系統(tǒng)互聯(lián)互通，對設(shè)備和系統(tǒng)自身的診斷能力得到加強(qiáng)。例如將傳統(tǒng)的船舶機(jī)艙報警系統(tǒng)覆蓋至疏浚設(shè)備，進(jìn)而實現(xiàn)全船設(shè)備的監(jiān)控。這也促成了人機(jī)交互能力的提升。對于使用者來說，過去需要通過不同的控制站執(zhí)行專門的監(jiān)控任務(wù)，現(xiàn)在集成控制系統(tǒng)實現(xiàn)了“一站式”操控，全面地展示設(shè)備狀態(tài)。

2 優(yōu)勢分析

2.1 光纖組成環(huán)網(wǎng)，雙絞線解決終端接入，通過以太網(wǎng)協(xié)議共享數(shù)據(jù)

光纖由絕緣材料制成，不具有電流通路的高頻干擾等缺點(diǎn)［2］。光纖網(wǎng)有傳輸速度快、功耗低、不易受干擾、有效距離長的優(yōu)點(diǎn)。采用外環(huán)和內(nèi)環(huán)的形式組建高度冗余性的骨干網(wǎng)絡(luò)，為集成船舶控制系統(tǒng)提供更高的可靠性。局部產(chǎn)生故障點(diǎn)時，交換機(jī)能自動切換至備用連接以維持運(yùn)行。如圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

在大型船舶上應(yīng)用光纖網(wǎng)絡(luò)還能夠避免銅質(zhì)雙絞線傳輸距離過長導(dǎo)致的衰減問題。以往面對雙絞線距離超百米時，須加裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來“延伸”。但雙絞線以太網(wǎng)接口價格便宜、使用簡單，仍占據(jù)著主要的“最后一米”應(yīng)用環(huán)境，用于連接PLC以太網(wǎng)卡，串行轉(zhuǎn)TCP/IP設(shè)備，接入因特網(wǎng)等。

以太網(wǎng)技術(shù)在通信確定性、實時性、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的突破，為工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。以太網(wǎng)供電技術(shù)（PoE）還有直接給設(shè)備供電的能力［3］，在特殊應(yīng)用環(huán)境下提供了便捷的解決方案。

網(wǎng)絡(luò)共享大量數(shù)據(jù)省去了線纜等硬件成本和施工時間，后期升級也不涉及重新布線等問題。對比模擬信號的采集方式，利用通信通道，其人機(jī)接口幾乎接近零成本為用戶提供更多有效信息。

2.2 呈現(xiàn)去中心化特征，系統(tǒng)的可靠性和可用性得到根本性提升

控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)從集中化向分布式結(jié)構(gòu)逐步演進(jìn)。21028 m3耙吸船的控制系統(tǒng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的去中心化特征，系統(tǒng)間的相互影響降為最小。環(huán)網(wǎng)架構(gòu)結(jié)合主從服務(wù)器的分布位置和子系統(tǒng)雙PLC CPU的設(shè)計，保證了網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)或某一服務(wù)器故障時，系統(tǒng)能自動切換為冗余通道，完全不影響正常部分的控制功能。某一遠(yuǎn)程IO站自身出現(xiàn)問題，也僅影響與該IO站連接的設(shè)備，不會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的故障。

傳統(tǒng)的船舶控制系統(tǒng)大多從“需要”的角度來設(shè)計控制系統(tǒng)。用戶需要的功能，設(shè)備需要的保護(hù)是設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)和關(guān)鍵。對控制中心的依賴進(jìn)一步局限了操作者的注意力，把注意力傾向于保護(hù)“需要”上，對設(shè)備和系統(tǒng)容易形成片面孤立的理解。21028 m3耙吸船的控制系統(tǒng)破除了舊的劃分習(xí)慣，不局限于原有的對設(shè)備和設(shè)備系統(tǒng)的控制與保護(hù)理念，而是從整體出發(fā)，將控制、保護(hù)、操作者交互以及記錄診斷等功能整合，形成一個高度集成的人機(jī)接口與分布式控制器組成的有機(jī)整體。優(yōu)勢尤其在于這種HMI的設(shè)計思路能夠引導(dǎo)操作人員客觀全面地認(rèn)識和使用設(shè)備。

2.3 多種通用的通信協(xié)議支持不同設(shè)備/模塊兼容于控制系統(tǒng)

在集成被控對象時需要對應(yīng)接口的支持。21028 m3耙吸船主要涉及Profibus，Modbus TCP/IP，SSI，RS422轉(zhuǎn)TCP/IP等協(xié)議，完成與變頻驅(qū)動系統(tǒng)、柴油機(jī)控制系統(tǒng)等通信，而PLC與編碼器（角位移測量元件）采用SSI接口。上述接口均兼容于羅克韋爾1756 ControlLogix機(jī)架。

以編碼器接口AMCI 7264為例，它用同步串行接口協(xié)議（SSI）將編碼器信號以數(shù)字方式傳送，最多支持32位格雷碼或二進(jìn)制碼通信。20128 m3耙臂角度傳感器使用15位格雷碼，0°～360°對應(yīng)32768步，信號本身即達(dá)到（360/32768）°的分辨率，同時傳輸過程中不存在轉(zhuǎn)換損失，對比國產(chǎn)疏浚船普遍使用的模擬信號形式，其精確度、可靠性大幅提高。而且SSI采用差分信號傳輸，不易出現(xiàn)傳輸干擾問題。

此外，還利用多串口服務(wù)器（主要作用為采集通導(dǎo)設(shè)備NMEA消息）傳送數(shù)據(jù)給VDR（航行數(shù)據(jù)記錄儀），包括艏側(cè)推器等船舶操縱動作，不需要新增其他接口。

3 存在的問題和解決思路

3.1 通信時效性與設(shè)備安全性的矛盾

以變頻驅(qū)動系統(tǒng)為例，不再使用硬線傳輸起停、速度等關(guān)鍵信號，為了保證時效性，運(yùn)行全過程需監(jiān)測通信是否保持活化。當(dāng)通信循環(huán)時間超出保護(hù)值，驅(qū)動系統(tǒng)會將轉(zhuǎn)速立即置零。這一機(jī)制在通信出現(xiàn)問題時導(dǎo)致頻繁掉速加速，對設(shè)備產(chǎn)生沖擊。

如圖2驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，側(cè)推器為船舶推進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備，使用獨(dú)立的通道連接至Profibus接口。另一路包括6個從站（泥泵變頻1臺，沖水泵變頻1臺，封泵變頻4臺）。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)Profibus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（單邊)

網(wǎng)絡(luò)較長、設(shè)備分布范圍廣、受到干擾的幾率增加，時有通信問題導(dǎo)致掉速或從站掉線需人工復(fù)位的現(xiàn)象。

基于經(jīng)驗，為了維持設(shè)備的基本運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)鍵命令采用硬線連接以提高可靠性是比較常見的方式。故障時便于人工介入，或維持“機(jī)旁模式”使用，或利于故障排除。因此，類似設(shè)備自身可用狀態(tài)、起停命令、速度引用值、功率限制等等信號，通過硬線傳送可靠性高。

3.2 邏輯上過于依賴動態(tài)計算導(dǎo)致響應(yīng)速度受限

以太網(wǎng)的形式讓數(shù)據(jù)傳輸速度大幅提高，編程者在設(shè)計邏輯時會更加信賴實驗室特性。但現(xiàn)場數(shù)據(jù)的互相調(diào)用，設(shè)備頻繁變化的工作狀態(tài)使計算過程難以始終順暢。尤其船舶系統(tǒng)中負(fù)載與動力設(shè)備額定容量非常接近，保護(hù)失效將導(dǎo)致嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)。

使用精確計算值作關(guān)鍵的保護(hù)邏輯，系統(tǒng)需要同時完成檢測、運(yùn)算、控制和保護(hù)動作。響應(yīng)一慢，設(shè)備乃至整個電力、動力系統(tǒng)都將受到嚴(yán)重影響。所以在關(guān)鍵設(shè)備，重要保護(hù)動作中應(yīng)盡量直接調(diào)用確定、簡潔的信號。將核心保護(hù)功能還給設(shè)備本身，或直接利用設(shè)備自身明確的保護(hù)信號。例如變頻驅(qū)動裝置完善的防過載功能等等。

3.3 控制權(quán)限上移造成設(shè)備獨(dú)立性、可修復(fù)性變差

在21028 m3耙吸船系統(tǒng)里，出現(xiàn)設(shè)備控制權(quán)限上移現(xiàn)象。如前文提及的變頻驅(qū)動系統(tǒng)自身有保護(hù)能力，仍將保護(hù)功能讓渡給控制系統(tǒng)PLC。曾發(fā)生過變頻器廠家對設(shè)備升級后出現(xiàn)故障，提示直流匯流排預(yù)充電不成功，導(dǎo)致驅(qū)動不可用。實際上變頻器自身控制過程中始終監(jiān)測直流電壓，不需要由外部系統(tǒng)負(fù)責(zé)該邏輯。這樣的設(shè)計思路造成控制界限模糊，即使人機(jī)界面提供了詳細(xì)的診斷功能，對設(shè)備使用者/維護(hù)者仍明顯不利：首先，設(shè)備獨(dú)立性降低，需要依賴外部控制系統(tǒng)的支持才能運(yùn)行；其次，故障情況下修復(fù)時需要多點(diǎn)排除。

變頻器、PLC這樣自身監(jiān)測診斷功能強(qiáng)大的設(shè)備，最好保留原有控制權(quán)限。用好專業(yè)設(shè)備的功能，還能夠減輕控制系統(tǒng)的工作量。如今，人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，控制邏輯軟件化的趨勢越發(fā)明顯，應(yīng)當(dāng)警惕對專業(yè)設(shè)備的原則性顛覆。

4 趨勢展望

4.1 數(shù)字化通信逐步替代以銅線傳輸模擬信號的方式

對船舶而言，相比傳統(tǒng)方式所需要的大量銅線電纜，使用光通信不僅降低了空船質(zhì)量，對增加載重噸、提高船舶效率也有直接效果。

光通信的優(yōu)異特性讓其大顯身手。例如21028 m3耙吸船使用的ABB中壓交流傳動系統(tǒng)中，不僅逆變器相模塊與觸發(fā)模塊的通信采用光纖，一些保護(hù)電路板如電壓測量板在檢測完成后發(fā)出的信號也使用光傳輸，這就避免了“電傳感器存在的強(qiáng)電磁場干擾”［2］。光傳輸?shù)母咚偬匦砸财鹾咸岣唔憫?yīng)度的要求。

依賴銅線傳輸?shù)哪M信號元件在智能傳感器、集控式模塊等概念的引導(dǎo)下，逐步向通信協(xié)議式接口演進(jìn)。如美國1985年推出的用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的HART協(xié)議，在需要的情況下，測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息都可訪問［6］。西門子等公司共同提出的Profibus協(xié)議對工控網(wǎng)絡(luò)更是產(chǎn)生了明顯的推動作用?？偩€形式降低了施工復(fù)雜程度，提高了集成度和傳輸效率［4］。隨著診斷功能的完善，維護(hù)難度的降低，通信的優(yōu)勢更加突出，這將推動智能工控更加快速發(fā)展。

4.2 微機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的互相促進(jìn)

微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展到今天的分布式控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），始終影響著船舶控制系統(tǒng)PLC+SCADA的發(fā)展。GE（通用電氣）Proficy Cimplicity軟件在演進(jìn)過程中吸收了DCS的集成化特點(diǎn)，正向著“結(jié)合HMI/PLC和DCS功能的 Hybrid system 方向發(fā)展”［5］。

疏浚船舶工控系統(tǒng)因為其特有的工藝流程等因素，呈現(xiàn)出極強(qiáng)的定制化特征，微機(jī)控制系統(tǒng)暫時難以撼動之；并且由于船舶運(yùn)行過程中面臨自身狀態(tài)、特殊環(huán)境的連續(xù)、階躍變化（例如姿態(tài)的改變，天氣的多變等等），應(yīng)用智能控制的難度比車間、生產(chǎn)線要高。但智能控制的產(chǎn)生本就來源于被控系統(tǒng)的高度復(fù)雜性及不確定性、難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述［3］，隨著智能控制的逐步完善成熟，應(yīng)用于船舶將只是時間問題。其與集散控制系統(tǒng)邏輯上側(cè)重軟件程序的共性問題可能會削弱PLC+SCADA的地位。

相較于PC控制，PLC有著穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，但不可忽視的是，PLC一些專用接口價格昂貴，導(dǎo)致其有關(guān)兼容性的負(fù)面評價增加。PLC與軟PLC，PC控制的發(fā)展互相競爭，互相促進(jìn)。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的制定和控制系統(tǒng)開放性的要求使得從事工業(yè)控制計算機(jī)及工控卡件的生產(chǎn)商看到了進(jìn)入控制器市場的機(jī)會，順勢推出了PAC產(chǎn)品（可編程自動化控制器）。羅克韋爾公司的ControlLogix PLC也進(jìn)入到了PAC階段。［6］

5 結(jié) 語

21028 m3耙吸船的分散型集成船舶控制系統(tǒng)緊扣時代脈搏，體現(xiàn)了先進(jìn)的建造理念。在各系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上，為操作者提供了更多的過程數(shù)據(jù)和完善的控制流程，對維護(hù)者來說擁有了較詳細(xì)的診斷工具，讓船東的效率分析工作易于獲取數(shù)據(jù)，尤其突出的是引導(dǎo)操作者從設(shè)備層面用設(shè)備，從系統(tǒng)高度看系統(tǒng)。

人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步使控制系統(tǒng)開發(fā)的智慧化成為可能，主流組態(tài)軟件的發(fā)展也不斷向積木式、便捷化靠攏。在工控現(xiàn)場可將注意力集中到控制邏輯上，以更好地服務(wù)工業(yè)生產(chǎn)。