工程船舶計算機控制系統的開發及應用

文/ 大連遼南船廠 范殿忠

工程船舶計算機控制系統的開發及應用

文/ 大連遼南船廠 范殿忠

根據疏浚船舶的實際工作需要，通過運用電子計算機控制系統原理和工程控制理論，開發了一套由平面定位系統、計算機網絡系統、SCADA系統和自動控制系統組成的船用挖泥監視控制系統，并在“青草沙”“瀏河沙”兩艘絞吸式挖泥船上得到應用。

工程船舶；計算機控制系統；挖泥船

一、開發工程船舶計算機控制系統的必要性

1. 經濟發展需要低耗高效工程船舶

隨著我國經濟的發展和沿海開發步伐的加大，港口建設、橋梁建設、石油開發、灘涂治理、圍海造地等工程需要大量專業工程船舶的投入使用。在強大的需求拉動下，近年來大量工程船舶被投入市場。據中國海事局統計數據，僅渤海灣內就有近千艘船舶參與施工建設。這些船舶，特別是大型挖泥船，在創造經濟奇跡的同時，也消耗了大量的能源，加重了環境污染。因此，如何有效提高船舶設備的利用率、完好率，提高船舶的作業精度、作業效率，降低環境污染，降低船舶運營成本，是我們這些造船人義不容辭的責任，也是我們占據造船市場高利潤點的需要。

2. 現代技術的發展為工程船舶的低耗高效提供了技術基礎

近年來，國際上一些先進的船舶系統公司，如德國西門子公司、英國羅爾斯-羅伊斯公司、荷蘭IHC公司等，紛紛將計算機集成技術、PLC控制技術、傳感器測量技術、網絡通信技術等應用于船舶智能監測和自動控制，其生產的船舶系統具有低耗高效的工作性能。這些技術在給用戶帶來利益的同時，也給這些國際公司帶來了豐厚的利潤。我們在消化吸收國外先進技術的同時，也開發了旨在提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船員勞動強度的工程船舶計算機控制系統。

二、計算機控制系統的主要功能

計算機控制系統可以實現整個工程船舶的施工過程控制、平面定位等功能，包含兩部分網絡：一部分是現場控制網絡，一部分是計算機網絡。兩個網絡之間通過TCP/IP實現信息的共享，具體由平面定位系統、計算機網絡系統、SCADA系統、自動控制系統四部分組成。

平面定位系統用于船舶、絞刀頭、定位樁臺車的平面定位。

計算機網絡系統負責將現場信號通過網絡的方式采集上來，軟件系統負責將信息顯示在畫面上，保存在數據庫中，分析歷史數據。

SCADA系統包含泵機系統、艙內泵系統、疏浚儀器儀表系統的數據監測與控制。SCADA系統是一套完整的軟件系統，PLC軟件、計算機軟件相互聯動、連鎖，實現可靠的控制。

自動控制系統包含兩個部分，一部分是基于安全的自動停止或啟動，一部分是基于提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船員勞動強度的自動控制系統。

計算機控制系統可以完成對整個疏浚過程的監測與控制，實現安全、方便、高效、可靠的過程控制，其系統組成如圖1所示。

1. 平面定位系統

平面定位系統的主要功能是通過安裝GPS、羅經這些設備，系統中的計算機軟件接收到當前船舶某一點的經緯度位置信息和船舶運動方向信息，然后根據船體參數以及設備安裝位置運用數學知識計算并顯示出船舶主要部分每天24 h實時位置信息。

在實際應用中，船舶的基本位置都是由GPS給出的，精度取決于GPS設備本身的精度，船舶的運動方向則主要采取雙GPS計算航向和電羅經測量航向兩種方式。其中，雙GPS計算航向這種方式的特點是設備安裝簡單、使用維護方便但精度和穩定性稍低，電羅經測量航向的特點是設備價格偏高、維修復雜，但精度高、穩定性強。

在系統軟件中，通過輸入設備安裝位置、船舶外形參數、引入臺車行程等信號，船舶工作人員對船舶整體位置可以有直觀形象的了解。通過輸入船舶施工背景文件、測量水深文件以及船舶施工區域工作線文件的方式，加上GPS轉換運算，可以在計算機上按要求呈現船舶模型，從而保證船舶施工在位置和質量上均滿足業主需要，同時盡量減少不必要的工作，以節約資源，提高效率。

2. 計算機網絡系統

計算機網絡系統主要分為信號采集網絡、船舶局域網和船舶無線傳輸網絡。信號采集網絡的主要功能為通過專門的信號網絡采集設備，采集船舶設備變化參數，經過處理轉換成網絡數據包，發送到船舶網絡中供服務器計算機獲取數據使用。此網絡非常重要，可以采集系統中大部分模擬量和開關量。船舶局域網的主要功能是實現系統監測數據在船舶各個用戶間的共享。其中包括駕駛臺可以監測到機艙設備數據，機艙可以監測到駕駛臺儀表數據，船舶其他人員（船長、大副、輪機長等）的計算機只要連入局域網就可以看到船舶施工的大部分數據（包括駕駛臺和機艙兩個主要位置）。船舶無線傳輸網絡的主要作用是把船舶現場施工信息通過船舶無線網絡上傳到船舶所屬公司岸上服務器，然后由岸上服務器把船舶的實時施工信息發布到岸上計算機網絡，供公司相關管理人員分析、管理、指導船舶施工。同時，以上所有施工監測數據都可以自動保存，供分析、回放之用。

3. SCADA系統

SCADA系統主要包括鉸刀轉速、橋梁下放位置、柴油機和發電機的轉速與溫度、水下泵和艙內泵壓力與轉速等設備運行的監測和控制。SCADA系統同時還包括機艙柴油機、發電機等設備的油溫報警、水溫報警等。船舶液壓控制各個電磁閥狀態的監測同樣位于SCADA系統之中。SCADA系統主要包括SCADA畫面和AMS主視圖，主要界面如圖2所示。

SCADA系統是一套完整的軟件系統，硬件設備、硬件傳感器、PLC軟件和計算機軟件相互聯動、相互連鎖共同實現對船舶系統的可靠控制。

4. 自動控制系統

自動控制系統主要包括兩個部分：一部分是基于安全的自動停止或啟動，主要通過PLC邏輯控制與機器設備信息的傳輸和反饋來實現。這種方式主要應用于船舶的液壓控制部分、鋼樁控制部分、絞車控制部分等。另一部分是基于提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船員勞動強度的自動控制系統，主要通過計算機軟件、PLC軟件以及相關船舶運動控制系統來實現。在此種模式下，船上人員只要在計算機軟件中設置好施工方式以及相關限定條件，船舶即可按要求自動施工作業。此種方式將大大降低船員勞動強度，使施工過程更加穩定，大大降低人為因素造成的產量波動問題，提高生產效率，降低能源消耗。此種自動控制技術最為先進，是未來發展的趨勢。

三、結論及建議

通過在交通運輸部長江口航道管理局新建造的“青草沙” “瀏河沙”兩艘絞吸式挖泥船的實際應用，該工程船舶計算機控制系統不僅提高了船舶的安全性，降低了船舶單位產量的能源消耗，提高了施工效率，而且降低了船員勞動強度，提高了船員的安全性，給用戶帶來了經濟效益。

隨著信息技術的發展，CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）技術在船舶行業的應用日臻成熟，國內船舶的計算機集成也在不斷提高，這必將促進行業的技術進步。但目前我們在系統中應用的相關傳感器與國外相比還有一定的差距。傳感器是整個系統的神經，其可靠性直接影響系統的可靠性。建議相關單位研發適應船舶特殊環境的傳感器，使船舶的作用精度更高、可靠性更強。通過不同行業的共同協作，使系統更加完善，從而在提高船舶的作業精度、作業效率，降低環境污染、船舶運營成本等方面做得更好。

[1]中華人民共和國海事局.船舶與海上設施法定檢驗規則[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]中華人民共和國海事局.船舶與海上設施法定檢驗規則2006年修改通報[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]任茂東.航海:用信息技術掌舵[N].中國交通報,2001-12-09(4) .

Computer aided system on dredge vessel

FAN Dian-zhong