船舶綜合集成自動化系統設計和試驗

姜濤 王永珊 鄭楚忠 李素美

摘 要：本文以我司建造的3 000 m水深多功能水下作業支持船為依托，介紹了復雜海工產品的綜合自動化系統設計方案，并作簡要冗余度分析；總結了實船試驗的內容、流程和注意事項，為類似船舶的綜合自動化系統設計和試驗提供參考。

關鍵詞：集成自動化；設計；調試

中圖分類號：U674.98 文獻標識碼：A

Abstract： By taking the 3 000 m deep water multi-purpose offshore construction vessel as an example， this paper introduces the design of integrated automation system for complex marine engineering ships， makes a simple redundancy analysis and summarizes the contents， procedures and matters needing attention during the ship's sea trial.

Key words： Integrated automation system； Design； Trial

1 前言

3 000 m水深多功能水下作業支持船能在3 000 m水深及復雜海況下作業，并且具有優異的操縱性、耐波性和定位能力。該船配置有400 t大型海洋工程起重機（具有主動升沉補償功能）、350 t A字架、250 t錨處理絞車、ROV等裝備，具有飽和潛水支持、立式深水柔性管鋪設、深水錨系處理作業、深水ROV（水下機器人）作業和IMR（檢驗、維護和維修）作業支持能力。按中國船級社（CCS）和挪威船級社（DNV）現行的規范規則進行設計和建造，并取得如下船級符號：

CCS船級符號：

★ CSA， Special Purpose Ship （2008）， Ice Class B， DP-3， Lifting Appliance， Helicopter Facilities， PSPC（B）， In Water Survey

★ CSM， AUT-0， OMBO， Clean， COMF （NOISE 3）， COMF （VIB 3）

DNV船級符號：

+1A1， ICE-E， SPS， DPS3， CRANE， HELDK， BIS， COAT-PSPC（B）， CLEAN， E0， NAUT-OSV（A）， DK（+）， COMF-V（3）C（3）

本文主要針對為滿足這兩種符號要求的綜合自動化系統配置、調試和試驗技術開展研究。

與一般海工船相比，該船作業功能更多、設備和系統更先進、設備、管路和電纜布置更復雜。該船綜合集成自動化系統配置具有系統更龐大、自動化程度更高、接口更復雜等特點，設計時需綜合考慮其先進性、可靠性、通用性、經濟性和方便性，而對設備和系統的安裝和調試技術亦需要開展深入的研究。

該船的集成自動化系統采用了西門子生產的產品，基于S7-400 PLC可編程序控制器，分布式信號采集，冗余設計。全船共有22個信號采集箱，兩臺服務器、兩個中央控制單元、10個工作站（OS）。整個網絡采用光纖通訊、雙網冗余，可實現高速度、低干擾的數據傳輸，其冗余性大大地增加了船舶各數據監測的安全性。

該船綜合集成自動化系統的設計須滿足DP3規范要求和FMEA分析驗證，保證其航行要求和工程作業的安全可靠性，最大限度地規避由于單一故障導致的系統癱瘓而造成的船舶的航行或作業的風險。該綜合集成自動化系統擁有近7300個報警點，其中硬線連接近4000個點，涉及與柴油機、電站、空調、主動力等外部系統近40路通訊，能夠進行電站功率管理（PMS）、閥門遙控、液位遙測、泵浦自動切換、斷電自動恢復等功能。

電源設計也采用了冗余設計，采用了220 VAC / 24 VDC電源設計，在每個信號采集箱都配備了不間斷電源UPS，以保證其在斷電情況下采集箱能夠工作30分鐘以上，其主回路電源220 V也采用了雙路供電，分別由主配電板及應急配電板供電。

2 綜合集成自動化系統的配置

2.1 系統網絡組成

該船自動化系統采用分布式總線監控的形式，根據系統對冗余度的要求，主網絡采用雙環網形式，大大提高了系統的可靠性。自動化系統拓撲圖如圖1所示。

綜合該船集成自動化系統的結構，可分為三層：

（1）現場層

現場層的系統和設備獨立于全集成監測報警和控制系統，例如電站功率管理系統，或通過串行接口把數據傳送到全集成監測報警和控制系統的主控制站（PCU），或通過以太網數據環網把數據傳送到全集成監測報警和控制系統的服務器。全集成監測報警和控制系統對收到的數據進行處理并顯示在工作站的人機界面上，以便操作人員對現場層的系統和設備進行監視和遙控。

（2）數據收集和過程處理層

全集成監測報警和控制系統的控制單元（PCU）和信號采集單元（SCU）都連接在第二層。 過程控制單元（PCU）對收到的數據進行處理，執行控制任務，并把處理完畢的過程信息發送到系統總線上。過程控制單元（PCU）通常安裝在集控室，通過以太網通信模塊與光纖環網進行數據通信。

過程控制單元主要包括：中央處理器（CPU）模塊、通信處理器（CP）模塊、以太網交換機、中繼器、ET200輸入輸出模塊、電源和UPS模塊、絕緣監測儀等。 集單元（SCU）主要執行現場數據采集以及控制輸出；信號采集單元（SCU）采用ET200 模塊作為PROFIBUS-DP的從站組成分布式系統，將分布在全船各處并通過Profibus DP現場總線與過程控制單元（PCU）進行通訊。信號采集單元主要包括ET200輸入輸出模塊、電源和UPS模塊、絕緣監測儀等。

延伸報警系統將通過一套獨立的SIMATIC S7 300系列可編程控制器連接到第二層，并通過系統總線（工業以太網）與過程控制單元PCU進行通訊，收集自動化系統的報警并延伸到值班輪機員房間。

（3）人機界面層

第三層是上層用戶層，用于監視、長期存檔和信息分析的記錄、操作單元均連接在該層。第三層的主要設備是工作站（OS），包含人機界面（HMI）、報警記錄打印機以及日志打印機。 工作站主要由計算機、顯視器、鍵盤、軌跡球等組成，通過網絡交換機與終端總線相連。每一工作站都可以獨立保持自己的當前過程數據，而與其他工作站無關。因為系統響應時間與工作站的數量以及單個工作站的工作性能無關。特別的數據更新機制將保證每一個工作站的過程數據即時動態自動更新。 完備的圖形功能和基于微軟視窗技術的操作系統為操作人員提供了直觀的用戶導航和全圖形環境。人機界面將以易于理解的方式顯示船上各個系統的工作狀態，操作人員可以準確觀察到實際發生的情況，實時獲得過程處理的信息，使用鼠標或軌跡球和鍵盤就可以輕松地執行遙控操作。此外，可以方便地直接調用全船的所有重要功能和信息，進一步提高了操作的安全性

2.2 系統布置

該船自動化系統龐大、監測報警點多，共設置了22個采集箱。由于報警點數量多，必需要考慮電纜的走向布置，在設計過程中既要考慮設備報警信號接入就近的采集箱，同時還要兼顧DP3的冗余分隔布置要求。

整個綜合集成自動化系統的采集箱配置如圖2。在每個采集箱內都安裝了用以通訊的交換器，由于DP3規范要求，將所有的采集箱劃分成兩個部分，分別形成兩個互不干擾的環網，且每個環網都由兩組網絡組成，分別命名為NET A、NET B。

2.3 電源配置

根據DP分區冗余供電要求，自動化系統在全船各區域配置了5個不間斷電源UPS，用于工作站、服務器和打印機供電。每個采集箱內各設有一個UPS給信號采集模塊供電，UPS由兩路AC220V電源自動切換供電，其中一路主電源來自主控制站PCU，一路備用電源來自220V助航分電箱電箱。同時UPS還設置有電源故障報警，這樣保證了任何由電源引起的單一故障將不會影響到整個系統的正常運行，提供了系統可靠性。

2.4 冗余性分析

為了增強系統的可靠性，該系統組件都采取了冗余配置。服務器和過程控制單元的終端總線和過程總線是以環網總線的形式布置。若一條總線發生中斷，如交換器故障或光纖斷開，則環網結構仍然能保持該總線上的所有設備的通信暢通；各OS站和服務器也都配有雙網卡，這兩張網卡擁有不同的IP地址，當一張網卡出現通信故障時，會自動切換到另一個網卡以保證通信。

雙過程控制單元分別布置了兩個中央處理器（CPU），并且采用獨立電源，若其中一個CPU發生故障，另一個CPU就由Slave變成Master，且這兩個CPU擁有兩條獨立的單模光纖進行同步。

綜合集成自動化系統設計了一個與過程控制單元相連的冗余OS服務器對，CPU對數據信號進行處理后會同時發送到這兩個服務器，若其中一臺服務器出現故障，則相關的OS站就會自動切換到運行中的另一臺服務器；故障服務器恢復后，OS站就會切換回原來連接的服務器，并且運行中的服務器會對故障恢復服務器進行數據更新。

3 綜合集成自動化系統的調試和試驗

在船舶進入調試階段，綜合集成自動化系統會作為全船的一個調試重點，其主要的功能有：故障監測報警、遙控控制、數據記錄、數據中轉等。

對各種信號的調試過程，可依據綜合集成自動化系統配備的接線圖查找各信號的接線端子。為確保被監測的設備輸出信號的穩定性，要求電纜均需有屏蔽層并且要牢靠接地，接線過程需按電氣工藝規程進行。

3.1 內外接口標準

綜合集成自動化系統接收的信號主要由數字量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出，這4種信號構成綜合集成自動化系統的大部分硬線信號。在這些信號中又分成有源和無源信號，所以在調試過程中，需特別注意此類信號的區分，以免損壞模塊。

信號采集箱主要使用了以下型號的模塊：

（1）數字輸入模塊DI：6ES7131-4BD01-0AB0；

（2）數字輸出模塊RO：6ES7132-4HB12-0AB0；

（3）模擬量輸入AI（4-20mA）：6ES7134-4GB01-0AB0；

AI（PT100）：6ES7134-4NB51-0AB0；

（4）模擬量輸出AO： 6ES7135-4MB02-0AB0；

這四種模塊的用途不一樣，其接線方法也不一樣。

3.2 集成網絡調試

在整個綜合集成自動化系統的網絡建立并正常運行后，龐大的集成網絡將進入調試與報驗階段，整個系統擁有的硬線報警點有4000個左右，與其進行軟通訊的設備有40個左右?；诰C合集成自動化系統的設備調試主要分為：報警點調試、遙控功能調試、自動操作調試。

3.2.1 報警點調試

在系統近4000個報警點中，每個報警點都有一個與之對應的接線通道，其接線方法可根據設計的接線圖進行查對或從I/O List表中進行查找。每個報警點的調試都需先對報警點進行類型判斷及供源判斷，在確定接線后進行報警模擬，通過對設備的故障模擬，檢驗報警值設定是否正確。在對模擬量進行模擬時可以采取機械模擬的方法，用信號模擬發生器對溫度信號和壓力信號進行模擬，檢查其顯示值與模擬值是否一致。

3.2.2 遙控功能調試

該船的高度自動化主要表現為綜合集成自動化系統提供的全船大部分的遙控控制功能，如泵的切換、閥門的開閉、照明的遙控、配電板開關的遙控等。對遙控功能的調試是檢驗設備的軟件邏輯及信號采取的正確與否。整個遙控功能的調試步驟，可按圖3流程進行。

3.2.3 自動操作功能測試

對設備的自動操作功能，是建立在設備的機旁功能和遙控功能完成測試完成后才可以進行，這樣可以避免測試過程中由于信號問題進行的重復檢查。自動操作功能的測試首先在MINIC圖上將遙控的設備選成“AUTO”，在設備的右下方會有“A”顯示。自動操作功能和遙控功能的唯一區別在于：自動操作功能設備的起停是由外面某一信號的觸發而引起；而遙控功能則是靠人為在MINIC圖上點擊“起動（Start）”或“停止（Stop）”來實現的。所以測試自動功能，唯一要檢查的信號就是觸發信號是否正確，如壓力開關、失電等信號，然后就是檢驗整個軟件邏輯的功能。

4 結束語

該船綜合集成自動化系統作為全船重要的控制和監測系統，具有系統龐大、接口復雜等特點，不僅滿足CCS AUT-0和DNV E0雙船級社無人機艙要求，同時須滿足CCS DP-3和DNV DPS3雙船級社三級動力定位系統的規范要求，并通過FMEA實船驗證，在出現單點故障，包括一個艙失火或浸水情況下不會導致整個系統崩潰。本項研究可為類似復雜海工船舶的綜合集成自動化系統設計和調試提供經驗借鑒。