大型復合驅動耙吸挖泥船集成監控系統設計與實現

羅剛，李鵬超，于濤

（中交天津港航勘察設計研究院 工程船舶設計所，天津 300461）

0 引言

耙吸挖泥船是當前疏浚施工領域的重要施工船型。復合驅動是指耙吸挖泥船的柴油機能夠同時驅動推進器、軸帶發電機和艙內疏浚泥泵，是大型耙吸挖泥船的一種重要動力配置形式。集成監控系統是耙吸挖泥船重要裝備之一，也是反映耙吸挖泥船先進程度的重要標志之一。復合驅動耙吸挖泥船集成監控系統的作用就在于能夠更好地管理包括復合驅動設備在內的裝船設備，讓船舶操作人員能夠更好地完成各種航行和施工設備的操作，更好地發揮船舶的生產能力，提高船舶的施工效率和安全性。

1 大型復合驅動耙吸挖泥船集成監控系統的功能要求

大型復合驅動耙吸挖泥船全船設備眾多，借助于集成監控系統不僅能夠實現靈活操控，而且還能夠很便捷地實現許多高級功能。然而每一個靈活和便捷的操作，都是依靠集成監控系統各種控制功能來實現的。全船集成監控系統功能較復雜，從功能上劃分，主要可分為疏浚控制、功率管理、機艙監測報警等3個主要部分。能否結合復合驅動型耙吸挖泥船的特點和船東個性化的需求，理清以上3個部分的功能構成，對于全船控制系統設計開發的質量高低至關重要，進而直接影響到船舶建成投產后運營效益的好壞和安全性的高低。下面簡要介紹以上集成監控系統3個主要組成部分的功能構成。

1.1 疏浚控制

疏浚控制部分主要是指復合驅動耙吸挖泥船疏浚施工部分的監控功能，是對船舶施工作業影響最大的部分。耙吸挖泥船生產施工的主要功能是把海床上的疏浚物（泥土、砂礫或碎石等）通過耙吸管道吸入到泥艙之中，進而進行傾倒、通過管線輸往遠處或通過艏噴裝置噴入其他海域。疏浚控制系統主要功能如下：

1）精確定位控制功能：為實現船舶精確施工定位控制，需要集成監控系統能夠在電子海圖上實時監測顯示船舶及耙頭的位置及運動軌跡。船舶的施工通常都是按照事先計劃好的施工航線進行施工作業的，集成監控系統還需要有制作施工計劃航線功能。

2）耙臂位置與姿態控制及監測顯示功能：耙頭要能夠安全地下放到海床的合適位置和深度，就需要有能夠實時顯示耙管及耙頭位置與姿態的耙臂姿態指示功能。在施工過程中，對其他疏浚必需設備（絞車、吊架、疏浚管路閥門等）的控制，也是疏浚控制部分必須考慮的。

3）疏浚產量與效率監測顯示功能：疏浚物的裝艙過程是將水和疏浚物混合吸入泥艙內，然后將上層海水通過溢流裝置（溢流筒和舷側溢流門）排出艙外的過程。混合物濃度以及由此折算而來的產量率實時顯示，對于疏浚操作者來說十分重要。集成監控系統因此需要能夠實現濃度產量效率信息的實時顯示。

4）泥泵控制與監測功能：疏浚泥泵是疏浚物水力輸送的動力提供者，泥泵的水力輸送力量的大小是通過泥泵轉速來調節的，對于復合驅動耙吸挖泥船而言，由于柴油機帶著軸帶發電機，轉速可調范圍小（85%～100%），因此，泥泵的轉速需要通過齒輪箱的不同調速檔位來實現調速，泥泵齒輪箱及離合器的控制也是疏浚控制中不可缺少的內容。

5）溢流裝置和泥門控制功能：艙內疏浚物的傾倒和隨疏浚物進入艙內的海水的溢流，需要控制系統能夠實時監控溢流裝置的位置和大泥門的操作。在進行抽艙作業時，控制系統還要能夠實現對小泥門及引水閥的監控。

6）自主疏浚管理分析功能：疏浚過程的輔助分析功能也是十分必要的，如：疏浚過程各種實時/歷史曲線、疏浚過程歷史記錄回放等，它可以幫助施工操作人員及時調整施工方案，提高船舶施工作業效率。

1.2 電站與功率管理

電站與功率管理系統（PMS）不僅能夠實現對船舶重要設備的安全保護，更為重要的作用是能夠實現船舶動力資源的合理配置，提高船舶運行的經濟性。功率管理的主要功能有：實現電網供電模式的切換；實現電網部分失電后的自動恢復；實現對主要設備的過載保護；大功率負載啟動時，自動計算剩余功率，以決定是否允許大功率負載的啟動；實現功率分配自動控制功能。

1.3 機艙監測報警

機艙監測報警用于實現所有船舶設備必要的報警信息的提示及運行狀態顯示[1]。

2 硬件結構

在硬件結構上，集成監控系統由上層管理網和下層控制網兩層網絡結構組成。上層管理網絡是由服務器和客戶機組成的以太網；下層控制網絡是由西門子PLC組成PROFIBUS網絡。以太網的結構簡圖如圖1。

圖1 上層以太網結構簡圖

在上層以太網中，兩臺實時數據服務器用于采集PLC及其他數據采集模塊的數據，并為其它操作站客戶端計算機提供數據源。兩臺實時數據服務器互為熱備，當其中一臺出現問題時，另一臺自動替代并提供數據源。歷史服務器用于存儲船舶施工運行過程中的歷史數據，并能夠通過無線3G網絡將某些指定的數據信息傳送給岸基信息管理中心。疏浚臺、航行臺和集控臺操作站計算機用于船舶操作人員的操作使用，具有較高的操作權限。其他操作站計算機，如船長、輪機長、電機員計算機等，主要用于船舶施工管理，出于設備操作安全考慮，具有較低的操作權限，只提供監視功能，不具備船舶設備操作的功能。為了保證整個網絡的數據傳輸的可靠性，對于距離較遠的交換機采用光纖環網[2]進行互聯，降低了電磁干擾對網絡數據傳輸的影響。

下層由西門子PLC組成的PROFIBUS控制網絡[3]結構示意圖如圖2。

圖2 下層PLC控制網絡結構示意圖

疏浚控制、功率管理和機艙監測報警分別由3個s7-400 PLC系統構成，各個PLC系統之間通過DP/DPcoupler模塊實現相互之間的數據交換。下層PLC控制網絡和上層的管理以太網之間通過modbus TCP[4]實現相互通信。PLC網絡主要完成設備層的數據采集和控制邏輯。

3 軟件實現

集成監控系統上位機軟件采用VC++進行程序開發，上位機軟件的主要作用是實現操作人員和集成監控系統的人機交互，集成監控系統將全船所監控設備的信息顯示給操作人員，操作人員能夠將操作指令下達給集成監控系統，從而實現集成監控系統所具有的全部功能。上位機軟件監控畫面采用圖元組態[5]的形式實現，便于軟件監控畫面根據實際需要進行編輯修改。

上位機軟件分為服務器軟件和操作站客戶端軟件，為了能夠考慮到程序的調試、使用和維護方便，將服務器和客戶端的功能集中到同一個軟件中，在實際使用中，根據服務器和客戶端IP地址的不同來確定是否使軟件充當實時/歷史服務器或客戶端的作用。啟動運行流程如圖3。

圖3 軟件啟動運行流程圖

其中，歷史服務器程序除完成歷史數據記錄外，還負責將船舶施工數據傳送給岸基信息管理中心。

下位機采用西門子的s7-400系列PLC，用step7編寫邏輯控制程序，負責實現監控系統的底層邏輯控制功能，如疏浚設備的控制、船舶電網中斷路器的合閘/分斷控制等等。

4 結語

大型復合驅動耙吸挖泥船集成監控系統幾乎涉及了船舶的所有電氣相關設備，集成監控系統的功能也較多，限于篇幅，未能將所有功能及實現細節一一闡述。大型復合驅動耙吸挖泥船集成監控系統設計方案已在國內某疏浚公司泥艙容積超過10 000 m3的大型復合驅動耙吸挖泥船上成功實現并投入使用。使用過程中，系統運行穩定，各種設計功能穩定可靠。此設計方案還可為其他疏浚船舶監控系統設計提供借鑒。

[1]林治國，高孝洪.疏浚作業仿真訓練器集中監控報警系統的設計與實現[J].船海工程，2009（3）：77-79.

[2]紀云龍.西門子工業以太光纖環網技術在小方坯連鑄機上的應用[J].電工技術，2012（7）：53-53.

[3] 丁勁松，李敏.現場總線與電廠全集成自動化[J].電力自動化設備，2004，24（10）：65-68.

[4]SWALESA.Open Modbus/TCP Specification[J].Schneider Electric，1999，29.

[5] 王亞民，陳青，劉暢生，等.組態軟件設計與開發[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.