密閉環(huán)境模擬試驗艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計?

陽世榮

（中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）

1 引言

水下作業(yè)平臺內(nèi)部的艙室空間相對狹小，設(shè)備數(shù)量較多，人員也相對密集，當其處于水下作業(yè)狀態(tài)時，艙室內(nèi)部環(huán)境為密閉空間，設(shè)備運行、材料揮發(fā)釋放、管路泄漏乃至人體新陳代謝均會直接影響艙內(nèi)環(huán)境，艙內(nèi)環(huán)境變化將對人員的生理心理產(chǎn)生直接影響，甚至可能危及人身安全［1～4］。另外，艙內(nèi)空氣的溫度與濕度也直接影響人體的生理健康、工作效率以及設(shè)備性能和可靠性［5～7］。因此，密閉艙室內(nèi)的大氣環(huán)境有一定的特殊性，有必要專門研究其特性及控制措施。密閉環(huán)境模擬試驗艙能夠模擬水下作業(yè)平臺內(nèi)部的大氣環(huán)境，為深入、全面地研究密閉艙室內(nèi)的環(huán)境特性、安全邊界條件、應急處置措施等提供了試驗與驗證平臺。本文涉及的密閉環(huán)境模擬試驗艙由I艙和II艙兩個模擬艙、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、通風空調(diào)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、應急保障系統(tǒng)等組成。為盡可能真實地模擬水下作業(yè)平臺內(nèi)部大氣環(huán)境和實施全過程監(jiān)測，試驗艙內(nèi)設(shè)置了大量的氣體濃度、溫濕度、壓力、流量等傳感器，其中，I艙容積較大，設(shè)置了上下兩層，用于模擬機艙環(huán)境，I艙的各傳感器布置比較分散；II艙容積較小用于模擬居住艙環(huán)境，II艙內(nèi)的傳感器布置較為集中。另外，艙內(nèi)與艙外管路系統(tǒng)上還設(shè)置了為數(shù)眾多的調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電動蝶閥等執(zhí)行機構(gòu)。通過控制供氣系統(tǒng)向模擬試驗艙加入不同成分氣體，并實時調(diào)整各類氣體的成分占比以及溫濕度、壓力等，就能夠模擬密閉環(huán)境下的大氣環(huán)境，開展相關(guān)試驗與驗證研究工作。因此，綜合監(jiān)控系統(tǒng)是環(huán)境模擬及試驗過程的控制中心，其主要功能包括環(huán)境模擬、成分測量、通風與空調(diào)控制、應急保障控制等，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集控臺實時顯示并記錄整個模擬、試驗過程中的全部環(huán)境參數(shù)及操作信息，為密閉艙室大氣環(huán)境特性研究提供數(shù)據(jù)支持。為了保證環(huán)境模擬、過程測量以及控制措施的實時性和準確性，要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足分布式和實時性的要求。

本文介紹了一種基于DeviceNet總線和OPC技術(shù)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過設(shè)置分布式IO從站和高速數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡從而實現(xiàn)分布式實時監(jiān)控，能夠滿足密閉環(huán)境模擬試驗艙的試驗過程監(jiān)控需求。重點說明了其系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備技術(shù)方案、軟件程序流程等設(shè)計內(nèi)容，并展望了其應用前景。

2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

如前文所述，由于密閉環(huán)境模擬試驗艙設(shè)置有數(shù)量眾多的傳感器和執(zhí)行器，且分散布置于環(huán)境模擬艙內(nèi)部和艙外管路系統(tǒng)中，因此綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，自下而上分為設(shè)備層、網(wǎng)絡層和信息層三個層級。其中，設(shè)備層應用了分布式IO技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)，能夠適應監(jiān)控對象分散布置的應用場合；針對監(jiān)控對象相對集中的場合，則采用現(xiàn)場集中監(jiān)控技術(shù)；設(shè)備層主要實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和控制執(zhí)行器動作，能夠?qū)y量信息發(fā)送給網(wǎng)絡層，并接受網(wǎng)絡層轉(zhuǎn)發(fā)的指令。網(wǎng)絡層應用了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，確保信息傳輸?shù)膶崟r性快速性，是設(shè)備層與信息層之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。信息層設(shè)置兩臺集控臺，用于集中顯示、操作控制，并進行數(shù)據(jù)分析、處理及存儲；兩臺集控臺相互備份，提高了信息層綜合監(jiān)控的可靠性。綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

如前文所述，I艙用于模擬機艙環(huán)境，容積較大、監(jiān)控對象多、傳感器布置較為分散；II艙用于模擬居住艙環(huán)境，容積較小、監(jiān)控對象分布相對集中；艙外的監(jiān)控對象主要為布置于供氣、通風、空調(diào)、滅火等管路系統(tǒng)上的閥件、流量計等，分布也較為零散。因此，圖1中的設(shè)備層設(shè)置了CAN子系統(tǒng)和RTU子系統(tǒng)，分別完成I艙與艙外系統(tǒng)、II艙的實時監(jiān)控任務。CAN子系統(tǒng)采用基于DeviceNet現(xiàn)場總線的分布式IO監(jiān)控技術(shù)，設(shè)置了一個CAN主站和5個分布式IO從站；其中兩個IO從站位于I艙上層，一個IO從站位于I艙下層，兩個IO從站位于艙外；每個IO從站通過IO接口采集現(xiàn)場傳感器信息、向現(xiàn)場執(zhí)行器輸出控制信號；CAN主站通過Devi?ceNet總線與IO從站進行數(shù)據(jù)交互，并通過串口通信連接位于艙外的CAN主站現(xiàn)場操作屏，為人員提供現(xiàn)場操作界面。由于DeviceNet現(xiàn)場總線采用新的生產(chǎn)者/消費者通訊模式，能夠大幅提高網(wǎng)絡通信速率，具有可靠性高、實時性好、靈活性強、抗干擾能力強、易于擴展等優(yōu)點［8～9］，因此CAN子系統(tǒng)能夠滿足I艙與艙外監(jiān)控的分布式、實時性要求。RTU子系統(tǒng)采用集中式監(jiān)控模式，由位于II艙的RTU主站直接采集傳感器信息和控制執(zhí)行器動作，適應II艙監(jiān)控對象較少且分布比較集中的特點；RTU主站同樣通過串口通信連接位于艙外的RTU主站現(xiàn)場操作屏，為人員提供現(xiàn)場操作界面。

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖1的網(wǎng)絡層應用了EtherNet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。EtherNet是一種具有較強互通性和確定性通信能力的網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)交換［10］，在工業(yè)控制領(lǐng)域應用廣泛。應用EtherNet網(wǎng)絡作為設(shè)備層與信息層之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，能夠確保兩層之間信息傳輸?shù)目焖傩?，為實現(xiàn)實時監(jiān)控提供了技術(shù)保障。

圖1的信息層設(shè)置兩臺集控臺，是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)存儲、處理中心。兩臺集控臺互為備用，從而能夠提升綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基本工作流程為：CAN主站經(jīng)DeviceNet總線接收分布式IO從站采集的現(xiàn)場測量信息、RTU主站直接采集現(xiàn)場測量信息；CAN主站和RTU主站將現(xiàn)場測量信息進行數(shù)據(jù)處理后，再經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡發(fā)送給集控臺；集控臺接收上傳的數(shù)據(jù)進行集中顯示、存儲、分析和處理，并將控制指令經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡發(fā)送給CAN主站和RTU主站；CAN主站經(jīng)DeviceNet總線將接收的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給分布式IO從站，由IO從站驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行器動作；RTU主站接收控制指令后可直接驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行器動作。需要說明的是，CAN主站及RTU主站都配置了位于艙外的現(xiàn)場操作屏，當EtherNet網(wǎng)絡發(fā)生異?；蚬收?、或者其他緊急情況導致集控臺無法實施綜合監(jiān)控功能時，試驗人員可在模擬試驗艙外部利用現(xiàn)場操作屏實施就地緊急控制，最大程度保障試驗安全。

3 設(shè)備技術(shù)方案

如前文所述，綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備層由CAN子系統(tǒng)和RTU子系統(tǒng)組成。有關(guān)設(shè)備技術(shù)方案詳述如下。

1）CAN子系統(tǒng)

CAN子系統(tǒng)由CAN主站、現(xiàn)場操屏和5個分布式IO從站組成，其原理框圖如圖2所示。主站與從站之間采用DeviceNet總線進行通信；CAN主站與CAN系統(tǒng)現(xiàn)場操作屏通過串口通信交互信息；CAN主站經(jīng)EtherNet與信息層集控臺交互信息。

圖2 CAN子系統(tǒng)原理框圖

CAN子系統(tǒng)的基本工作原理如下。分布式IO從站采集現(xiàn)場測量傳感器信號并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DeviceNet網(wǎng)絡傳遞給CAN主站，CAN主站對采集的數(shù)據(jù)進行處理后，再經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡傳送給信息層集控臺，同時，CAN主站經(jīng)串口通信與現(xiàn)場操作屏交互數(shù)據(jù)；另一方面，CAN主站接收集控臺或者現(xiàn)場操作屏的控制指令，根據(jù)指令要求，經(jīng)DeviceNet網(wǎng)絡尋址相應的IO從站，轉(zhuǎn)發(fā)控制指令，由相應的IO從站輸出控制信號，對現(xiàn)場執(zhí)行器進行控制。

如前文所述，I艙主要用于模擬水下平臺機艙的大氣環(huán)境，艙室容積較大、現(xiàn)場傳感器數(shù)量較多、布置分散，因此在圖2中，1＃、2＃IO從站布置在I艙上層，主要完成I艙上層環(huán)境參數(shù)監(jiān)測；3＃IO從站布置在I艙下層，主要完成I艙下層環(huán)境參數(shù)監(jiān)測；4＃、5＃IO從站均布置在艙外，主要用于監(jiān)控設(shè)置于艙外的供氣系統(tǒng)、通風空調(diào)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、應急保障系統(tǒng)等。其中，4＃IO從站的主要監(jiān)控對象為供氣管路的調(diào)節(jié)閥和流量計以及空調(diào)管路的風機和閥件，通過控制供氣、空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)艙內(nèi)大氣環(huán)境模擬和大氣成分、溫濕度等調(diào)整；5＃IO從站的控制對象包括各供氣總管電磁閥、吹掃控制閥、通風系統(tǒng)控制閥、滅火系統(tǒng)控制閥、艙室照明控制開關(guān)及其他應急保障裝置等，通過控制艙外各系統(tǒng)閥門及開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)整套試驗系統(tǒng)的啟動運行和緊急關(guān)停。CAN主站和CAN主站現(xiàn)場操作屏均布置在艙外，便于試驗人員現(xiàn)場操作。

2）RTU子系統(tǒng)

RTU子系統(tǒng)由RTU主站、現(xiàn)場操作屏組成。相比于CAN子系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)，RTU子系統(tǒng)采用集中式結(jié)構(gòu)，其原理框圖如圖3所示。RTU主站配置了處理器模塊與模擬量、開關(guān)量輸入輸出模塊，各模塊經(jīng)過背板總線進行數(shù)據(jù)交互；RTU主站與現(xiàn)場操作屏通過串口通信交互信息，RTU主站經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡與信息層集控臺交互信息。

圖3 RTU子系統(tǒng)原理框圖

RTU子系統(tǒng)的基本工作原理如下。模擬量、開關(guān)量輸入輸出模塊采集現(xiàn)場測量傳感器信號并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過背板總線傳送給處理器模塊，處理器模塊對采集的數(shù)據(jù)進行處理后，再經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡傳送給信息層集控臺，同時，RTU主站還通過串口通信與現(xiàn)場操作屏交互數(shù)據(jù)；另一方面，RTU主站接收集控臺或者現(xiàn)場操作屏的控制指令，根據(jù)指令要求，控制相應的模塊輸出控制信號，對現(xiàn)場執(zhí)行器進行控制。

如前文所述，由于II艙主要用于模擬居住艙大氣環(huán)境，容積較小且傳感器布置較為集中，因此在圖3中，RTU主站布置于II艙內(nèi)，實施集中監(jiān)控；RTU主站現(xiàn)場操作屏則布置在艙外，便于試驗人員進行操作。

3）主要器件配置方案

AB公司的CompactLogix 1769系列及Flex?Logix 1794系列IO模塊提供了完備的分布式Devi?ceNet總線控制系統(tǒng)解決方案，在工業(yè)控制領(lǐng)域應用廣泛。CompactLogix 1769是一種緊湊型多功能控制器［11］，其模塊尺寸小巧、安裝靈活；FlexLogix 1794系列模塊可直接從安裝底座前部插入和拔出，從而減少安裝和更換的時間，擴展十分方便。其中，CAN子系統(tǒng)的CAN主站采用了內(nèi)置串口和EtherNet網(wǎng)絡接口的CompactLogix 1769-L35E控制器，并配置了1769-SDN模塊，從而具備Devi?ceNet總線接口；IO從站則采用FlexLogix 1794系列遠程IO模塊，每個IO從站均配置1794-AND模塊從而構(gòu)建DeviceNet總線節(jié)點；CAN主站與5個IO從站之間采用DeviceNet總線連接；CAN主站現(xiàn)場操作屏采用AB公司的2711P系列操作屏，內(nèi)置6英寸液晶屏及RS232串口，經(jīng)串口通信與CAN主站的串口連接。另外，CAN子系統(tǒng)采用直流24V供電，因此，還配置了24V直流電源箱，向CAN主站、分布式IO從站以及現(xiàn)場操作屏供電。CAN子系統(tǒng)的主要器件配置方案示意圖如圖4所示。

圖4中，各IO從站配置的1794-IE8為8路模擬量輸入模塊、1794-OE4為4路模擬量輸出模塊、1794-IB8為8路開關(guān)量輸入模塊、1794-OB8與1794-OM8為8路開關(guān)量輸出模塊；CAN主站配置的1769-PB2為主站自帶的電源模塊。

圖4 CAN子系統(tǒng)主要器件配置示意圖

需要說明的是，在圖4中，由于CAN主站分別和3#、4#IO從站直接相連，以CAN主站為分界點，I艙內(nèi)與I艙外的兩段DeviceNet總線相對獨立。即使艙內(nèi)發(fā)生意外導致艙內(nèi)的DeviceNet總線段故障時，艙外的DeviceNet總線段通信也不會受到影響，CAN主站能及時控制艙外的供氣、通風、滅火、照明及應急保障等系統(tǒng)，從而采取有效措施解除艙內(nèi)的緊急狀況，確保整個模擬艙環(huán)境試驗系統(tǒng)的安全可靠性。

RTU主站同樣采用CompactLogix 1769-L35E控制器，并配置1769-IQ16、1769-OB8、1769-IF8等開關(guān)量與模擬量輸入輸出模塊，以及1769-PB4電源模塊；RTU主站現(xiàn)場操作屏同樣采用2711P系列操作屏。RTU子系統(tǒng)也采用直流24V供電，因此，同樣配置了24V直流電源箱，向RTU主站以及現(xiàn)場操作屏供電。RTU子系統(tǒng)的主要器件配置示意圖如圖5所示。

圖5 RTU子系統(tǒng)主要器件配置示意圖

圖1的系統(tǒng)架構(gòu)中，除設(shè)備層以外，網(wǎng)絡層設(shè)備主要選用通用的以太網(wǎng)交換機；信息層設(shè)備則采用常用的工業(yè)控制計算機構(gòu)建集控臺，本文不再贅述。

4 軟件程序流程

本文所述綜合監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序主要包括設(shè)備層CAN主站和RTU主站控制器的軟件程序，以及信息層集控臺的綜合監(jiān)控應用程序和現(xiàn)場操作屏監(jiān)控程序。為提高開發(fā)工作效率，縮短時間，CAN主站、RTU主站與集控臺之間的通信機制采用了OPC技術(shù)。

OPC是一套工業(yè)標準，為基于Windows平臺的應用程序與現(xiàn)場控制設(shè)備之間建立了溝通橋梁［12］。應用OPC之后，設(shè)備廠商可為自己的硬件產(chǎn)品開發(fā)統(tǒng)一的OPC接口程序，而軟件開發(fā)商則可免除開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序的繁重工作，將更多精力專注于系統(tǒng)集成，從而避免開發(fā)工作的重復性，另一方面也提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。OPC采用客戶端（Client）/服務器（Server）模式，主流的設(shè)備廠商均提供了自己設(shè)備的OPC Server，上位機應用程序通過OPC Client訪問OPC Server中的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對設(shè)備控制器相應寄存器的讀寫。

由于CAN主站、RTU主站均采用AB公司的CompactLogix 1769-L35E控制器，因此采用AB公司RSLogix5000軟件開發(fā)控制邏輯程序，并裝載于1769-L35E控制器運行；相應的OPC Server采用AB公司的RSLinx，OPC Server運行于集控臺，從而實現(xiàn)集控臺與CAN主站、RTU主站的數(shù)據(jù)交互；集控臺的綜合監(jiān)控應用程序采用圖形化顯示、數(shù)據(jù)分析功能強大的LabView軟件進行開發(fā)，LabView軟件自帶OPC Client工具，能夠直接訪問OPC Server，從而方便、快捷的實現(xiàn)與CAN主站、RTU主站進行數(shù)據(jù)交互。

CAN子系統(tǒng)軟件程序流程如圖6所示。圖6中，CAN主站的1769-L35E控制器驅(qū)動1769-SDN模塊實時掃描DeviceNet總線網(wǎng)絡，讀取5個IO從站的1794-AND模塊的輸入數(shù)據(jù)區(qū)，獲取各IO從站的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)；讀取采集數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理；將處理后的數(shù)據(jù)存入采集數(shù)據(jù)緩存區(qū)，經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡發(fā)送給集控臺的OPC Server；同時經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡讀取OPC Server接受的控制指令；讀取控制指令后進行數(shù)據(jù)處理；將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給1769-SDN模塊的輸出數(shù)據(jù)區(qū)；驅(qū)動1769-SDN模塊掃描DeviceNet總線，將控制指令發(fā)送給各IO從站，由IO從站輸出控制信號，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行器動作。從而完成將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)發(fā)送給集控臺，同時接收集控臺發(fā)送的控制指令，控制執(zhí)行器動作。

圖6 CAN子系統(tǒng)軟件程序流程圖

RTU子系統(tǒng)軟件程序流程如圖7所示。

對比圖6與圖7，與CAN子系統(tǒng)相比，RTU子系統(tǒng)軟件程序流程無DeviceNet總線讀寫環(huán)節(jié)，而是由1769-L35E控制器經(jīng)背板總線直接讀寫IO模塊，其他流程與CAN子系統(tǒng)基本一致，能夠?qū)F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)發(fā)送給集控臺，同時接收集控臺發(fā)送的控制指令，控制執(zhí)行器動作。

圖7 RTU子系統(tǒng)程序流程圖

由于主要的數(shù)據(jù)采集及控制邏輯程序由CAN主站和RTU主站實現(xiàn)，所以集控臺綜合監(jiān)控軟件主要完成信息集中顯示、控制指令下達以及數(shù)據(jù)存儲與分析處理等功能，LabView軟件自帶有強大的圖形化處理、數(shù)據(jù)分析處理工具，能夠較為容易地實現(xiàn)上述功能，且有諸多文獻進行了闡述，本文不再贅述。需要說明的是，CAN主站、RTU主站對應的OPC Server軟件RsLinx均運行于集控臺計算機上，便于與LabView的OPC Client實時進行數(shù)據(jù)交互，為監(jiān)控信息的實時性提供了技術(shù)保障。

如圖1所示，信息層設(shè)置了兩個集控臺，為實現(xiàn)兩個集控臺功能自動互備，集控臺之間采用了文獻［13］介紹的雙機熱備技術(shù)。兩臺集控臺分別預定義為主用臺和備用臺，并都配置了綜合監(jiān)控應用軟件，主備兩個集控臺經(jīng)EtherNet網(wǎng)絡互相監(jiān)測對方狀態(tài)。正常情況下，主用臺運行綜合監(jiān)控軟件，執(zhí)行綜合監(jiān)控功能；若主用臺出現(xiàn)異?；蚬收?，備用臺自動運行綜合監(jiān)控應用軟件，接管綜合監(jiān)控功能；當主用臺恢復正常后，備用臺自動關(guān)閉綜合監(jiān)控軟件，主用臺恢復監(jiān)控功能。

由于AB公司的2711P系列現(xiàn)場操作屏均已預先配置了RSView操作界面程序，只需按照AB公司的操作屏使用手冊進行簡單的配置即可實現(xiàn)現(xiàn)場操作功能，本文不再展開說明。

5 結(jié)語

綜上所述，本文介紹的密閉環(huán)境模擬試驗艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)架構(gòu)，應用了De?viceNet總線、分布式IO以及OPC技術(shù)，能夠適應監(jiān)控對象數(shù)量多、空間布置分散、實時性要求高的應用場合；由于應用了OPC技術(shù)，并采用了工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛的AB PLC控制器、IO模塊及LabView軟件，系統(tǒng)的可擴展性、兼容性較好，且監(jiān)控軟件程序開發(fā)效率高、所需時間短，從而能夠大幅減少開發(fā)人員資源投入。該監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)適應性修改后，也可適用于石油、煤炭、化工、冶金、采礦等工業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)場監(jiān)控應用場合，有著較為廣闊的應用前景。