超大型耙吸船“浚洋1”分散型集成控制系統分析

（中交廣州航道局有限公司技術中心 廣州510230）

引 言

船舶大型化和自動化的發展方向對船舶控制系統的要求體現在強實時性、高可靠性以及惡劣環境適應性。船舶涉及的設備類型龐雜、標準各異，控制網絡還須有一定的開放性。分析有前沿技術的控制系統在行業內將有較強的啟發意義。“浚洋1”為中交集團廣州航道局有限公司投資建造的新一代超大型耙吸式挖泥船，其控制系統由世界領先的疏浚海工設備生產商IHC整體設計，與其他現役船舶相比有質的變化。

1 系統介紹

1.1 主要構成

該船控制網由25臺光纖交換機組成，全船構成一個外環網，分別組建機艙區域、駕駛室區域、變流機間，變頻間等4個內環網。交換機分布情況見表1。

表1 環網交換機數量

所有遠程輸入輸出機架、工作站計算機、本地控制板均就近接入區域環網交換機。2臺SCADA服務器分別布置于駕駛室和集控室。10臺工作站分布于駕駛臺、挖泥臺、集控室、變頻間、輪機長房等位置。一臺數據日志服務器位于駕駛臺。

PLC均采用大型耙吸船挖泥控制系統等常用的美國羅克韋爾ControlLogix系列產品。負責與傳感器、執行元件、主令元件的連接，并完成基本的輸入輸出及控制、保護等邏輯。通過羅克韋爾冗余機架技術實現PLC CPU的在線冗余功能。

1.2 系統功能

工作站客戶端（HMI）的開發使用了通用電氣Cimplicity平臺，對羅克韋爾PLC有很好的支持。該船HMI的設計將傳統的船舶控制系統概念融合起來，不同系統不同功能的界面整合在一個客戶端中，根據用戶名、分布位置進行權限劃分。管理員在任一工作站均擁有全功能權限，便于維護系統。不同權限的工作站能夠共享設備的各種參數，執行相應的功能。實際上，HMI能同時負責機艙報警、挖泥控制、驅動控制、功率管理等船舶控制任務。

1.3 與傳統系統相比存在的優點

數據共享程度高，PLC間數據的共享使用羅克韋爾NetLinx網絡體系的核心技術“生產者/消費者模式”［1］，接入PLC的任一設備、傳感器等信息均可在系統中使用。

系統冗余性強，網絡和關鍵控制設備均設計為熱備式冗余，故障自主應對表現好。

各系統互聯互通，對設備和系統自身的診斷能力得到加強。例如將傳統的船舶機艙報警系統覆蓋至疏浚設備，進而實現全船設備的監控。這也促成了人機交互能力的提升。對于使用者來說，過去需要通過不同的控制站執行專門的監控任務，現在集成控制系統實現了“一站式”操控，全面地展示設備狀態。

2 優勢分析

2.1 光纖組成環網，雙絞線解決終端接入，通過以太網協議共享數據

光纖由絕緣材料制成，不具有電流通路的高頻干擾等缺點［2］。光纖網有傳輸速度快、功耗低、不易受干擾、有效距離長的優點。采用外環和內環的形式組建高度冗余性的骨干網絡，為集成船舶控制系統提供更高的可靠性。局部產生故障點時，交換機能自動切換至備用連接以維持運行。如圖1網絡拓撲結構示意圖。

圖1 網絡拓撲結構示意

在大型船舶上應用光纖網絡還能夠避免銅質雙絞線傳輸距離過長導致的衰減問題。以往面對雙絞線距離超百米時，須加裝網絡設備來“延伸”。但雙絞線以太網接口價格便宜、使用簡單，仍占據著主要的“最后一米”應用環境，用于連接PLC以太網卡，串行轉TCP/IP設備，接入因特網等。

以太網技術在通信確定性、實時性、系統穩定性方面的突破，為工業以太網的發展打下堅實基礎。以太網供電技術（PoE）還有直接給設備供電的能力［3］，在特殊應用環境下提供了便捷的解決方案。

網絡共享大量數據省去了線纜等硬件成本和施工時間，后期升級也不涉及重新布線等問題。對比模擬信號的采集方式，利用通信通道，其人機接口幾乎接近零成本為用戶提供更多有效信息。

2.2 呈現去中心化特征，系統的可靠性和可用性得到根本性提升

控制系統和網絡從集中化向分布式結構逐步演進。21028 m3耙吸船的控制系統呈現強烈的去中心化特征，系統間的相互影響降為最小。環網架構結合主從服務器的分布位置和子系統雙PLC CPU的設計，保證了網絡中某一節點或某一服務器故障時，系統能自動切換為冗余通道，完全不影響正常部分的控制功能。某一遠程IO站自身出現問題，也僅影響與該IO站連接的設備，不會導致整個控制系統的故障。

傳統的船舶控制系統大多從“需要”的角度來設計控制系統。用戶需要的功能，設備需要的保護是設計的出發點和關鍵。對控制中心的依賴進一步局限了操作者的注意力，把注意力傾向于保護“需要”上，對設備和系統容易形成片面孤立的理解。21028 m3耙吸船的控制系統破除了舊的劃分習慣，不局限于原有的對設備和設備系統的控制與保護理念，而是從整體出發，將控制、保護、操作者交互以及記錄診斷等功能整合，形成一個高度集成的人機接口與分布式控制器組成的有機整體。優勢尤其在于這種HMI的設計思路能夠引導操作人員客觀全面地認識和使用設備。

2.3 多種通用的通信協議支持不同設備/模塊兼容于控制系統

在集成被控對象時需要對應接口的支持。21028 m3耙吸船主要涉及Profibus，Modbus TCP/IP，SSI，RS422轉TCP/IP等協議，完成與變頻驅動系統、柴油機控制系統等通信，而PLC與編碼器（角位移測量元件）采用SSI接口。上述接口均兼容于羅克韋爾1756 ControlLogix機架。

以編碼器接口AMCI 7264為例，它用同步串行接口協議（SSI）將編碼器信號以數字方式傳送，最多支持32位格雷碼或二進制碼通信。20128 m3耙臂角度傳感器使用15位格雷碼，0°～360°對應32768步，信號本身即達到（360/32768）°的分辨率，同時傳輸過程中不存在轉換損失，對比國產疏浚船普遍使用的模擬信號形式，其精確度、可靠性大幅提高。而且SSI采用差分信號傳輸，不易出現傳輸干擾問題。

此外，還利用多串口服務器（主要作用為采集通導設備NMEA消息）傳送數據給VDR（航行數據記錄儀），包括艏側推器等船舶操縱動作，不需要新增其他接口。

3 存在的問題和解決思路

3.1 通信時效性與設備安全性的矛盾

以變頻驅動系統為例，不再使用硬線傳輸起停、速度等關鍵信號，為了保證時效性，運行全過程需監測通信是否保持活化。當通信循環時間超出保護值，驅動系統會將轉速立即置零。這一機制在通信出現問題時導致頻繁掉速加速，對設備產生沖擊。

如圖2驅動網絡結構，側推器為船舶推進關鍵設備，使用獨立的通道連接至Profibus接口。另一路包括6個從站（泥泵變頻1臺，沖水泵變頻1臺，封泵變頻4臺）。

圖2 驅動系統Profibus網絡結構（單邊)

網絡較長、設備分布范圍廣、受到干擾的幾率增加，時有通信問題導致掉速或從站掉線需人工復位的現象。

基于經驗，為了維持設備的基本運轉，關鍵命令采用硬線連接以提高可靠性是比較常見的方式。故障時便于人工介入，或維持“機旁模式”使用，或利于故障排除。因此，類似設備自身可用狀態、起停命令、速度引用值、功率限制等等信號，通過硬線傳送可靠性高。

3.2 邏輯上過于依賴動態計算導致響應速度受限

以太網的形式讓數據傳輸速度大幅提高，編程者在設計邏輯時會更加信賴實驗室特性。但現場數據的互相調用，設備頻繁變化的工作狀態使計算過程難以始終順暢。尤其船舶系統中負載與動力設備額定容量非常接近，保護失效將導致嚴重的連鎖反應。

使用精確計算值作關鍵的保護邏輯，系統需要同時完成檢測、運算、控制和保護動作。響應一慢，設備乃至整個電力、動力系統都將受到嚴重影響。所以在關鍵設備，重要保護動作中應盡量直接調用確定、簡潔的信號。將核心保護功能還給設備本身，或直接利用設備自身明確的保護信號。例如變頻驅動裝置完善的防過載功能等等。

3.3 控制權限上移造成設備獨立性、可修復性變差

在21028 m3耙吸船系統里，出現設備控制權限上移現象。如前文提及的變頻驅動系統自身有保護能力，仍將保護功能讓渡給控制系統PLC。曾發生過變頻器廠家對設備升級后出現故障，提示直流匯流排預充電不成功，導致驅動不可用。實際上變頻器自身控制過程中始終監測直流電壓，不需要由外部系統負責該邏輯。這樣的設計思路造成控制界限模糊，即使人機界面提供了詳細的診斷功能，對設備使用者/維護者仍明顯不利：首先，設備獨立性降低，需要依賴外部控制系統的支持才能運行；其次，故障情況下修復時需要多點排除。

變頻器、PLC這樣自身監測診斷功能強大的設備，最好保留原有控制權限。用好專業設備的功能，還能夠減輕控制系統的工作量。如今，人工智能技術發展迅猛，控制邏輯軟件化的趨勢越發明顯，應當警惕對專業設備的原則性顛覆。

4 趨勢展望

4.1 數字化通信逐步替代以銅線傳輸模擬信號的方式

對船舶而言，相比傳統方式所需要的大量銅線電纜，使用光通信不僅降低了空船質量，對增加載重噸、提高船舶效率也有直接效果。

光通信的優異特性讓其大顯身手。例如21028 m3耙吸船使用的ABB中壓交流傳動系統中，不僅逆變器相模塊與觸發模塊的通信采用光纖，一些保護電路板如電壓測量板在檢測完成后發出的信號也使用光傳輸，這就避免了“電傳感器存在的強電磁場干擾”［2］。光傳輸的高速特性也契合提高響應度的要求。

依賴銅線傳輸的模擬信號元件在智能傳感器、集控式模塊等概念的引導下，逐步向通信協議式接口演進。如美國1985年推出的用于現場智能儀表和控制室設備之間的HART協議，在需要的情況下，測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息都可訪問［6］。西門子等公司共同提出的Profibus協議對工控網絡更是產生了明顯的推動作用。總線形式降低了施工復雜程度，提高了集成度和傳輸效率［4］。隨著診斷功能的完善，維護難度的降低，通信的優勢更加突出，這將推動智能工控更加快速發展。

4.2 微機控制系統和PLC控制系統的互相促進

微機控制系統發展到今天的分布式控制系統（DCS）、現場總線控制系統（FCS），始終影響著船舶控制系統PLC+SCADA的發展。GE（通用電氣）Proficy Cimplicity軟件在演進過程中吸收了DCS的集成化特點，正向著“結合HMI/PLC和DCS功能的 Hybrid system 方向發展”［5］。

疏浚船舶工控系統因為其特有的工藝流程等因素，呈現出極強的定制化特征，微機控制系統暫時難以撼動之；并且由于船舶運行過程中面臨自身狀態、特殊環境的連續、階躍變化（例如姿態的改變，天氣的多變等等），應用智能控制的難度比車間、生產線要高。但智能控制的產生本就來源于被控系統的高度復雜性及不確定性、難以用精確的數學模型描述［3］，隨著智能控制的逐步完善成熟，應用于船舶將只是時間問題。其與集散控制系統邏輯上側重軟件程序的共性問題可能會削弱PLC+SCADA的地位。

相較于PC控制，PLC有著穩定性好、可靠性高的特點，但不可忽視的是，PLC一些專用接口價格昂貴，導致其有關兼容性的負面評價增加。PLC與軟PLC，PC控制的發展互相競爭，互相促進。IEC61131-3標準的制定和控制系統開放性的要求使得從事工業控制計算機及工控卡件的生產商看到了進入控制器市場的機會，順勢推出了PAC產品（可編程自動化控制器）。羅克韋爾公司的ControlLogix PLC也進入到了PAC階段。［6］

5 結 語

21028 m3耙吸船的分散型集成船舶控制系統緊扣時代脈搏，體現了先進的建造理念。在各系統有機結合的基礎上，為操作者提供了更多的過程數據和完善的控制流程，對維護者來說擁有了較詳細的診斷工具，讓船東的效率分析工作易于獲取數據，尤其突出的是引導操作者從設備層面用設備，從系統高度看系統。

人工智能技術的不斷進步使控制系統開發的智慧化成為可能，主流組態軟件的發展也不斷向積木式、便捷化靠攏。在工控現場可將注意力集中到控制邏輯上，以更好地服務工業生產。