全船自動(dòng)化典型解決方案解析

王 芳， 吳炎彪， 王 劍

(1.杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018；2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150001；3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058；4.浙江源創(chuàng)建筑智能科技有限公司， 浙江 杭州 310053；5.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

0 引 言

船舶與海洋工程裝備的研究開(kāi)發(fā)必須通過(guò)質(zhì)量管理(ISO9000系列)、海上人命安全、船舶操作安全、防污染與船舶入級(jí)等一系列標(biāo)準(zhǔn)、公約和規(guī)范[1-2]。同時(shí)在性能上，電氣、電子設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)、安裝要求、電磁兼容性能測(cè)試方法與等級(jí)劃分等方面[3-5]還須符合國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission, IEC)的標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)。因而，高附加值船舶與海洋工程配套設(shè)備的面世，對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)的研發(fā)投入、水平及經(jīng)營(yíng)管理都提出較高的要求。

1 全船綜合自動(dòng)化技術(shù)分析

“海洋石油981”深水鉆井平臺(tái)上配套的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(Integrated Automation System, IAS)如圖1所示，對(duì)其解決方案的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖1 “海洋石油981”鉆井平臺(tái)上配套的IAS

1.1 齊全的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品

IAS涵蓋對(duì)平臺(tái)自身的運(yùn)動(dòng)控制及對(duì)平臺(tái)上的生產(chǎn)設(shè)施系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、生產(chǎn)輔助系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)、報(bào)警等，已形成集機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警、電站管理、輔機(jī)監(jiān)控、航行自動(dòng)化等于一體的船舶綜合管理系統(tǒng)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)

出于安全性與安裝、操作方便的考慮，船舶IAS的結(jié)構(gòu)一般采取分散控制、集中操作與集中管理的設(shè)計(jì)原則。由圖1可見(jiàn)：各個(gè)子系統(tǒng)在硬件組成上一般由標(biāo)準(zhǔn)化的操作站(Operator Station, OS)、分布式處理單元(Distributed Processing Unit, DPU)/分布式控制器(Distributed Controller, DC)、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集模塊及與其連接的通信網(wǎng)絡(luò)組成。

按照相關(guān)船級(jí)社的規(guī)范要求，OS會(huì)分別布置在橋樓/中央控制室、機(jī)艙控制室、貨艙控制室等，同時(shí)各類(lèi)輔助顯示屏須安裝在船舶的各主要部位，所有OS與顯示屏并行工作。綜合自動(dòng)化解決方案中的每個(gè)子控制系統(tǒng)都具有相應(yīng)的OS，提供人機(jī)交互界面(Human Machine Interface, HMI)供操作人員下達(dá)操作指令。只要有合法的用戶(hù)權(quán)限就可以通過(guò)任一操作臺(tái)或就地顯示屏進(jìn)入船舶IAS中的任一子系統(tǒng)。OS的操作系統(tǒng)采用基于Windows XP的應(yīng)用控制環(huán)境、500 ms基本控制執(zhí)行環(huán)境，具備對(duì)象連接與嵌入(Object Linking and Embedding, OLE)的過(guò)程控制(OLE for Process Control, OPC)標(biāo)準(zhǔn)的集成數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，使不同供應(yīng)廠(chǎng)商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化，使全船數(shù)據(jù)交換更加簡(jiǎn)單化。OS具備良好的圖形用戶(hù)界面(Graphical User Interface, GUI)與HMI，方便用戶(hù)及時(shí)下達(dá)操作指令并實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的運(yùn)行狀態(tài)。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)(Dynamic Positioning Control System, DPCS)中OS的GUI和HMI如圖2和圖3所示。船舶監(jiān)測(cè)與綜合控制系統(tǒng)(Ship Monitoring and Integrated Control System, SMICS)中OS的GUI如圖4所示，包括流程圖、列表圖、趨勢(shì)圖、事件列表圖、系統(tǒng)配置圖、PDF視圖、系統(tǒng)導(dǎo)航索引圖等，以滿(mǎn)足不同子系統(tǒng)的監(jiān)控要求。

圖2 DPCS中OS的GUI

圖3 DPCS中OS的HMI

圖4 SMICS中OS的GUI

DPU/DC是整個(gè)IAS的計(jì)算中心，分布于船舶的各個(gè)控制現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)報(bào)警、控制、安全等實(shí)時(shí)任務(wù)。DPU的中央處理器(Central Processing Unit, CPU)模塊、動(dòng)力模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)均采用1∶1熱備份冗余，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)冗余控制器之間的切換，當(dāng)然用戶(hù)也可以手動(dòng)進(jìn)行切換。冗余控制模塊可以相互診斷其對(duì)應(yīng)的冗余控制器系統(tǒng)中的設(shè)備是否發(fā)生故障，某一控制器發(fā)生故障將不會(huì)影響其余冗余配置的控制器，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)的正常進(jìn)行?？凳坎咎峁┒鄠€(gè)不同類(lèi)型的DPU模塊，以適應(yīng)控制現(xiàn)場(chǎng)的不同輸入/輸出(Input/ Output, I/O)點(diǎn)的需求與應(yīng)用情況。同時(shí)，在I/O點(diǎn)分布較為集中的位置設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集箱。

1.3 可靠的網(wǎng)絡(luò)體系

船舶IAS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)不同的應(yīng)用需求可將其分為信息管理層、實(shí)時(shí)控制層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，3層分別采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?！昂Ｑ笫?81”深水鉆井平臺(tái)上，信息管理層利用雙重冗余的工業(yè)局域網(wǎng)(Local Area Network, LAN)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)OS、工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器及顯示終端設(shè)備間的通信；實(shí)時(shí)控制層采用冗余控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)OS與DPU之間的通信。為了保證網(wǎng)絡(luò)的整體安全性與可靠性，在終端與終端之間設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分配單元(Network Distribution Unit, NDU)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擴(kuò)展，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)故障隔離。DPU與第三方設(shè)備或系統(tǒng)的通信一般通過(guò)串口通信協(xié)議(Serial Communication Protocol, SCP)。對(duì)于某些特殊系統(tǒng)，如DPCS，主DPCS與備用DPCS通過(guò)冗余光纖連成網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到信息共享。

除了可靠的產(chǎn)品質(zhì)量，由于康士伯公司所配套的大型船舶主要在無(wú)限航區(qū)航行，因此建立完善的全球售后網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系是提高產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量、贏(yíng)得品牌信任的又一營(yíng)銷(xiāo)手段。

2 子系統(tǒng)分析

康士伯公司的全船IAS主要包括DPCS、推進(jìn)器控制系統(tǒng)(Thruster Control System, TCS)、綜合導(dǎo)航控制系統(tǒng)(Integrated Navigation Control System, INCS)、SMICS、綜合安全控制系統(tǒng)(Integrated Safety Control System, ISCS)等。

2.1 DPCS + TCS

動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System, DPS)的功能是僅使用船上推進(jìn)器系統(tǒng)的推力來(lái)保持船舶與海洋平臺(tái)在海上的位置或預(yù)先確定的航跡。近年來(lái)，隨著石油與天然氣的開(kāi)發(fā)不斷向深海區(qū)域拓展，DPS的需求逐年上升，逐漸取代傳統(tǒng)的錨泊定位方式，動(dòng)力定位(Dynamic Positioning, DP)將成為各類(lèi)海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行深海作業(yè)的唯一選擇。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)與中國(guó)船級(jí)社(China Classification Society, CCS)、挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas, DNV)、美國(guó)船級(jí)社(American Bureau of Shipping, ABS)等各大船級(jí)社在相關(guān)規(guī)范中提出要求：DPS不僅須具備自動(dòng)控制方式，而且須具備一套獨(dú)立的操縱桿控制系統(tǒng)，同時(shí)須使用單獨(dú)的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)推進(jìn)器的手動(dòng)控制(起動(dòng)、停車(chē)、方向與螺距控制等)。為此，康士伯公司的DPCS還包括一套獨(dú)立的聯(lián)合操縱桿(CJoy)控制系統(tǒng)，同時(shí)TCS與DPCS一起進(jìn)行銷(xiāo)售。由于康士伯公司的DPCS基于相同的軟硬件平臺(tái)，采取模塊化的設(shè)計(jì)，因此根據(jù)IMO與各大船級(jí)社對(duì)DPS的不同等級(jí)/附加標(biāo)志要求，DPCS中DP可以靈活進(jìn)行配置與擴(kuò)展，升級(jí)至附加標(biāo)志等級(jí)較高的系統(tǒng)，如表1所示。

表1 DPCS中DP的等級(jí)/附加標(biāo)志

2.2 INCS

INCS的主要特點(diǎn)是具有完善的綜合導(dǎo)航、自動(dòng)操船、自動(dòng)避碰、通信和航行管理、控制自動(dòng)化等多種功能及豐富的圖形界面，從而實(shí)現(xiàn)船舶航行的高度自動(dòng)化，提高航行的安全性與經(jīng)濟(jì)性[5]。從OS的布局來(lái)看，康士伯公司的INCS一般包括自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀(Automatic Radar Plotting Aid, ARPA)、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System, ECDIS)、橋樓航行值班報(bào)警系統(tǒng)(Bridge Navigational Watch Alarm System, BNWAS)、駕駛指揮系統(tǒng)(Conning System, CS)、自動(dòng)駕駛儀與航跡控制系統(tǒng)(Autopilot and Track Control System, ATCS)。

船舶導(dǎo)航與駕駛自動(dòng)化技術(shù)是具有航海專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)及國(guó)際通用電子海圖技術(shù)支持的數(shù)字化、智能化、模塊化和集成化的綜合導(dǎo)航與駕駛控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5]。國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)商已研制推出第3代、第4代的INCS，未來(lái)將進(jìn)一步融合航海專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、通用型ECDIS技術(shù)、多導(dǎo)航傳感器的信息融合處理技術(shù)、基于多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)、系統(tǒng)導(dǎo)航功能模塊化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)智能駕駛。

2.3 SMICS

SMICS是集機(jī)艙動(dòng)力系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)的自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警等于一體的監(jiān)控系統(tǒng)，保障機(jī)艙、貨物系統(tǒng)及其輔助設(shè)備的安全與有效運(yùn)行，包括動(dòng)力管理系統(tǒng)(Power Management System, PMS)、報(bào)警與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Alarm and Monitoring System, AMS)、輔助機(jī)械控制系統(tǒng)(Auxiliary Machinery Control System, AMCS)、壓載自動(dòng)化系統(tǒng)(Ballast Automation System, BAS)、裝載與穩(wěn)定管理系統(tǒng)(Load and Stability Management System, LSMS)、貨物監(jiān)控系統(tǒng)(Cargo Control and Monitoring System, CCMS)等。

康士伯公司的SMICS采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，將機(jī)艙的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行有效集成，可以根據(jù)船舶的不同類(lèi)型及船舶的不同應(yīng)用需求靈活地進(jìn)行配置。目前國(guó)內(nèi)部分船舶配套企業(yè)已有各自的機(jī)艙子系統(tǒng)面世，但還沒(méi)有一家企業(yè)推出集機(jī)艙、貨物、動(dòng)力等管理于一體的SMICS，同時(shí)國(guó)產(chǎn)設(shè)備在成熟度、工藝、性能等方面都與國(guó)外產(chǎn)品有較大差距，尚未形成全球服務(wù)體系，因而在大型民船上的裝船率很低。

2.4 ISCS

康士伯公司的ISCS符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)安全完整性等級(jí)(Safety Integrity Level, SIL)的要求，具備SIL 1級(jí)、SIL 2級(jí)、SIL 3級(jí)。ISCS主要包括應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(Emergency Shutdown System, ESD)、火災(zāi)報(bào)警與氣體檢測(cè)系統(tǒng)((Fire Alarm and Gas Detector System, FAGDS)，簡(jiǎn)稱(chēng)火氣監(jiān)控系統(tǒng)/火氣系統(tǒng)(Fire & Gas System, FGS))、過(guò)程關(guān)斷系統(tǒng)(Process Shutdown System, PSD)及對(duì)系統(tǒng)電腦的深層監(jiān)控等。

ESD一般具備較高的安全等級(jí)，通常為SIL 2級(jí)或SIL 3級(jí)，控制器嚴(yán)格按照船上所設(shè)定的應(yīng)急因果邏輯圖實(shí)施控制，輸出各相應(yīng)級(jí)別的關(guān)斷信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)或控制設(shè)備，產(chǎn)生各相應(yīng)級(jí)別的應(yīng)急關(guān)斷，某一級(jí)別關(guān)斷不能引起較高級(jí)別的關(guān)斷，只能啟動(dòng)本級(jí)和所有較低級(jí)別的關(guān)斷。PSD在功能上與ESD類(lèi)似，只是對(duì)船上的生產(chǎn)流程實(shí)施不同級(jí)別的關(guān)斷，但在系統(tǒng)的安全等級(jí)上偏低，一般為SIL 1級(jí)或SIL 2級(jí)。

FGS的主要功能是及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)到可能或已經(jīng)發(fā)生的可燃?xì)怏w泄漏事故和火情，并能對(duì)意外危險(xiǎn)火源進(jìn)行報(bào)警。在危險(xiǎn)情況下，可以通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式啟動(dòng)船上的消防系統(tǒng)，以保護(hù)船上人員和設(shè)施的安全。FGS主要由監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)火氣探測(cè)設(shè)備和報(bào)警設(shè)備等組成?，F(xiàn)場(chǎng)火氣探測(cè)與報(bào)警設(shè)備包括火焰探測(cè)器、熱探測(cè)器、煙探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警站、手動(dòng)二氧化碳釋放站、蜂鳴報(bào)警器、各類(lèi)狀態(tài)燈等，應(yīng)根據(jù)船上現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)合理進(jìn)行布置。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，F(xiàn)GS的安全等級(jí)可以為SIL 1級(jí)或SIL 2級(jí)，也可以沒(méi)有SIL等級(jí)。

3 結(jié) 語(yǔ)

雖然我國(guó)在造船總量、造船效率等方面已經(jīng)上升到一個(gè)新的高度，但船舶配套工業(yè)水平與船舶工業(yè)整體效益與世界先進(jìn)造船國(guó)家相比還存在較大差距，特別表現(xiàn)在高附加值、高技術(shù)含量的裝船設(shè)備方面。船舶配套設(shè)備如果長(zhǎng)期不能立足于國(guó)內(nèi)，勢(shì)必對(duì)我國(guó)的造船業(yè)帶來(lái)深遠(yuǎn)的不良影響。應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到提高船用設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率對(duì)振興我國(guó)船舶工業(yè)的重要意義，只有不斷提高船用設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率與裝船率，才能使我國(guó)的造船業(yè)得到健康、長(zhǎng)久、穩(wěn)定的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)的船舶配套企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)投入與研發(fā)力量，吸收與借鑒國(guó)外著名產(chǎn)品的技術(shù)，真正抓好船舶配套產(chǎn)品的質(zhì)量與性能，這是提高船用設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率的基礎(chǔ)和前提。同時(shí)，在性能與國(guó)外產(chǎn)品相匹敵的基礎(chǔ)上，更應(yīng)重視降低產(chǎn)品成本的工作。當(dāng)然，提高船用設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率也離不開(kāi)船舶設(shè)計(jì)院、船廠(chǎng)的共同努力和支持。應(yīng)鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)各船廠(chǎng)、船舶設(shè)計(jì)院(所)與船舶配套企業(yè)密切合作，共同為提高船用設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率作出貢獻(xiàn)。最后，需要采取必要和適當(dāng)?shù)恼{(diào)控政策，包括嚴(yán)格執(zhí)行許可證制造技術(shù)合同(如船用低速柴油機(jī))有關(guān)銷(xiāo)售地區(qū)條款規(guī)定，嚴(yán)格執(zhí)行《國(guó)內(nèi)投資項(xiàng)目不予免稅的進(jìn)口商品目錄》，制訂船舶行業(yè)裝船國(guó)產(chǎn)設(shè)備推薦產(chǎn)品目錄，加強(qiáng)船用設(shè)備進(jìn)口管理工作和必要的稅收調(diào)節(jié)政策等。