密閉環境模擬試驗艙綜合監控系統設計?

陽世榮

（中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

水下作業平臺內部的艙室空間相對狹小，設備數量較多，人員也相對密集，當其處于水下作業狀態時，艙室內部環境為密閉空間，設備運行、材料揮發釋放、管路泄漏乃至人體新陳代謝均會直接影響艙內環境，艙內環境變化將對人員的生理心理產生直接影響，甚至可能危及人身安全［1～4］。另外，艙內空氣的溫度與濕度也直接影響人體的生理健康、工作效率以及設備性能和可靠性［5～7］。因此，密閉艙室內的大氣環境有一定的特殊性，有必要專門研究其特性及控制措施。密閉環境模擬試驗艙能夠模擬水下作業平臺內部的大氣環境，為深入、全面地研究密閉艙室內的環境特性、安全邊界條件、應急處置措施等提供了試驗與驗證平臺。本文涉及的密閉環境模擬試驗艙由I艙和II艙兩個模擬艙、綜合監控系統、供氣系統、通風空調系統、滅火系統、應急保障系統等組成。為盡可能真實地模擬水下作業平臺內部大氣環境和實施全過程監測，試驗艙內設置了大量的氣體濃度、溫濕度、壓力、流量等傳感器，其中，I艙容積較大，設置了上下兩層，用于模擬機艙環境，I艙的各傳感器布置比較分散；II艙容積較小用于模擬居住艙環境，II艙內的傳感器布置較為集中。另外，艙內與艙外管路系統上還設置了為數眾多的調節閥、電磁閥、電動蝶閥等執行機構。通過控制供氣系統向模擬試驗艙加入不同成分氣體，并實時調整各類氣體的成分占比以及溫濕度、壓力等，就能夠模擬密閉環境下的大氣環境，開展相關試驗與驗證研究工作。因此，綜合監控系統是環境模擬及試驗過程的控制中心，其主要功能包括環境模擬、成分測量、通風與空調控制、應急保障控制等，綜合監控系統的集控臺實時顯示并記錄整個模擬、試驗過程中的全部環境參數及操作信息，為密閉艙室大氣環境特性研究提供數據支持。為了保證環境模擬、過程測量以及控制措施的實時性和準確性，要求綜合監控系統必須滿足分布式和實時性的要求。

本文介紹了一種基于DeviceNet總線和OPC技術的綜合監控系統，通過設置分布式IO從站和高速數據交互網絡從而實現分布式實時監控，能夠滿足密閉環境模擬試驗艙的試驗過程監控需求。重點說明了其系統架構、設備技術方案、軟件程序流程等設計內容，并展望了其應用前景。

2 綜合監控系統架構

如前文所述，由于密閉環境模擬試驗艙設置有數量眾多的傳感器和執行器，且分散布置于環境模擬艙內部和艙外管路系統中，因此綜合監控系統采用分層分布式的系統架構，自下而上分為設備層、網絡層和信息層三個層級。其中，設備層應用了分布式IO技術和現場總線技術，能夠適應監控對象分散布置的應用場合；針對監控對象相對集中的場合，則采用現場集中監控技術；設備層主要實現現場信息采集和控制執行器動作，能夠將測量信息發送給網絡層，并接受網絡層轉發的指令。網絡層應用了工業以太網技術，確保信息傳輸的實時性快速性，是設備層與信息層之間的數據傳輸通道。信息層設置兩臺集控臺，用于集中顯示、操作控制，并進行數據分析、處理及存儲；兩臺集控臺相互備份，提高了信息層綜合監控的可靠性。綜合監控系統架構示意圖如圖1所示。

如前文所述，I艙用于模擬機艙環境，容積較大、監控對象多、傳感器布置較為分散；II艙用于模擬居住艙環境，容積較小、監控對象分布相對集中；艙外的監控對象主要為布置于供氣、通風、空調、滅火等管路系統上的閥件、流量計等，分布也較為零散。因此，圖1中的設備層設置了CAN子系統和RTU子系統，分別完成I艙與艙外系統、II艙的實時監控任務。CAN子系統采用基于DeviceNet現場總線的分布式IO監控技術，設置了一個CAN主站和5個分布式IO從站；其中兩個IO從站位于I艙上層，一個IO從站位于I艙下層，兩個IO從站位于艙外；每個IO從站通過IO接口采集現場傳感器信息、向現場執行器輸出控制信號；CAN主站通過Devi?ceNet總線與IO從站進行數據交互，并通過串口通信連接位于艙外的CAN主站現場操作屏，為人員提供現場操作界面。由于DeviceNet現場總線采用新的生產者/消費者通訊模式，能夠大幅提高網絡通信速率，具有可靠性高、實時性好、靈活性強、抗干擾能力強、易于擴展等優點［8～9］，因此CAN子系統能夠滿足I艙與艙外監控的分布式、實時性要求。RTU子系統采用集中式監控模式，由位于II艙的RTU主站直接采集傳感器信息和控制執行器動作，適應II艙監控對象較少且分布比較集中的特點；RTU主站同樣通過串口通信連接位于艙外的RTU主站現場操作屏，為人員提供現場操作界面。

圖1 綜合監控系統架構示意圖

圖1的網絡層應用了EtherNet工業以太網技術。EtherNet是一種具有較強互通性和確定性通信能力的網絡，能夠實現高速、大容量的數據交換［10］，在工業控制領域應用廣泛。應用EtherNet網絡作為設備層與信息層之間的數據傳輸通道，能夠確保兩層之間信息傳輸的快速性，為實現實時監控提供了技術保障。

圖1的信息層設置兩臺集控臺，是綜合監控系統的監視、控制及數據存儲、處理中心。兩臺集控臺互為備用，從而能夠提升綜合監控系統的可靠性。

綜合監控系統的基本工作流程為：CAN主站經DeviceNet總線接收分布式IO從站采集的現場測量信息、RTU主站直接采集現場測量信息；CAN主站和RTU主站將現場測量信息進行數據處理后，再經EtherNet網絡發送給集控臺；集控臺接收上傳的數據進行集中顯示、存儲、分析和處理，并將控制指令經EtherNet網絡發送給CAN主站和RTU主站；CAN主站經DeviceNet總線將接收的控制指令轉發給分布式IO從站，由IO從站驅動現場執行器動作；RTU主站接收控制指令后可直接驅動現場執行器動作。需要說明的是，CAN主站及RTU主站都配置了位于艙外的現場操作屏，當EtherNet網絡發生異常或故障、或者其他緊急情況導致集控臺無法實施綜合監控功能時，試驗人員可在模擬試驗艙外部利用現場操作屏實施就地緊急控制，最大程度保障試驗安全。

3 設備技術方案

如前文所述，綜合監控系統的設備層由CAN子系統和RTU子系統組成。有關設備技術方案詳述如下。

1）CAN子系統

CAN子系統由CAN主站、現場操屏和5個分布式IO從站組成，其原理框圖如圖2所示。主站與從站之間采用DeviceNet總線進行通信；CAN主站與CAN系統現場操作屏通過串口通信交互信息；CAN主站經EtherNet與信息層集控臺交互信息。

圖2 CAN子系統原理框圖

CAN子系統的基本工作原理如下。分布式IO從站采集現場測量傳感器信號并進行數據轉換，轉換后的數據通過DeviceNet網絡傳遞給CAN主站，CAN主站對采集的數據進行處理后，再經EtherNet網絡傳送給信息層集控臺，同時，CAN主站經串口通信與現場操作屏交互數據；另一方面，CAN主站接收集控臺或者現場操作屏的控制指令，根據指令要求，經DeviceNet網絡尋址相應的IO從站，轉發控制指令，由相應的IO從站輸出控制信號，對現場執行器進行控制。

如前文所述，I艙主要用于模擬水下平臺機艙的大氣環境，艙室容積較大、現場傳感器數量較多、布置分散，因此在圖2中，1＃、2＃IO從站布置在I艙上層，主要完成I艙上層環境參數監測；3＃IO從站布置在I艙下層，主要完成I艙下層環境參數監測；4＃、5＃IO從站均布置在艙外，主要用于監控設置于艙外的供氣系統、通風空調系統、滅火系統、照明系統、應急保障系統等。其中，4＃IO從站的主要監控對象為供氣管路的調節閥和流量計以及空調管路的風機和閥件，通過控制供氣、空調系統實現艙內大氣環境模擬和大氣成分、溫濕度等調整；5＃IO從站的控制對象包括各供氣總管電磁閥、吹掃控制閥、通風系統控制閥、滅火系統控制閥、艙室照明控制開關及其他應急保障裝置等，通過控制艙外各系統閥門及開關能夠實現整套試驗系統的啟動運行和緊急關停。CAN主站和CAN主站現場操作屏均布置在艙外，便于試驗人員現場操作。

2）RTU子系統

RTU子系統由RTU主站、現場操作屏組成。相比于CAN子系統的分布式結構，RTU子系統采用集中式結構，其原理框圖如圖3所示。RTU主站配置了處理器模塊與模擬量、開關量輸入輸出模塊，各模塊經過背板總線進行數據交互；RTU主站與現場操作屏通過串口通信交互信息，RTU主站經EtherNet網絡與信息層集控臺交互信息。

圖3 RTU子系統原理框圖

RTU子系統的基本工作原理如下。模擬量、開關量輸入輸出模塊采集現場測量傳感器信號并進行數據轉換，轉換后的數據通過背板總線傳送給處理器模塊，處理器模塊對采集的數據進行處理后，再經EtherNet網絡傳送給信息層集控臺，同時，RTU主站還通過串口通信與現場操作屏交互數據；另一方面，RTU主站接收集控臺或者現場操作屏的控制指令，根據指令要求，控制相應的模塊輸出控制信號，對現場執行器進行控制。

如前文所述，由于II艙主要用于模擬居住艙大氣環境，容積較小且傳感器布置較為集中，因此在圖3中，RTU主站布置于II艙內，實施集中監控；RTU主站現場操作屏則布置在艙外，便于試驗人員進行操作。

3）主要器件配置方案

AB公司的CompactLogix 1769系列及Flex?Logix 1794系列IO模塊提供了完備的分布式Devi?ceNet總線控制系統解決方案，在工業控制領域應用廣泛。CompactLogix 1769是一種緊湊型多功能控制器［11］，其模塊尺寸小巧、安裝靈活；FlexLogix 1794系列模塊可直接從安裝底座前部插入和拔出，從而減少安裝和更換的時間，擴展十分方便。其中，CAN子系統的CAN主站采用了內置串口和EtherNet網絡接口的CompactLogix 1769-L35E控制器，并配置了1769-SDN模塊，從而具備Devi?ceNet總線接口；IO從站則采用FlexLogix 1794系列遠程IO模塊，每個IO從站均配置1794-AND模塊從而構建DeviceNet總線節點；CAN主站與5個IO從站之間采用DeviceNet總線連接；CAN主站現場操作屏采用AB公司的2711P系列操作屏，內置6英寸液晶屏及RS232串口，經串口通信與CAN主站的串口連接。另外，CAN子系統采用直流24V供電，因此，還配置了24V直流電源箱，向CAN主站、分布式IO從站以及現場操作屏供電。CAN子系統的主要器件配置方案示意圖如圖4所示。

圖4中，各IO從站配置的1794-IE8為8路模擬量輸入模塊、1794-OE4為4路模擬量輸出模塊、1794-IB8為8路開關量輸入模塊、1794-OB8與1794-OM8為8路開關量輸出模塊；CAN主站配置的1769-PB2為主站自帶的電源模塊。

圖4 CAN子系統主要器件配置示意圖

需要說明的是，在圖4中，由于CAN主站分別和3#、4#IO從站直接相連，以CAN主站為分界點，I艙內與I艙外的兩段DeviceNet總線相對獨立。即使艙內發生意外導致艙內的DeviceNet總線段故障時，艙外的DeviceNet總線段通信也不會受到影響，CAN主站能及時控制艙外的供氣、通風、滅火、照明及應急保障等系統，從而采取有效措施解除艙內的緊急狀況，確保整個模擬艙環境試驗系統的安全可靠性。

RTU主站同樣采用CompactLogix 1769-L35E控制器，并配置1769-IQ16、1769-OB8、1769-IF8等開關量與模擬量輸入輸出模塊，以及1769-PB4電源模塊；RTU主站現場操作屏同樣采用2711P系列操作屏。RTU子系統也采用直流24V供電，因此，同樣配置了24V直流電源箱，向RTU主站以及現場操作屏供電。RTU子系統的主要器件配置示意圖如圖5所示。

圖5 RTU子系統主要器件配置示意圖

圖1的系統架構中，除設備層以外，網絡層設備主要選用通用的以太網交換機；信息層設備則采用常用的工業控制計算機構建集控臺，本文不再贅述。

4 軟件程序流程

本文所述綜合監控系統的軟件程序主要包括設備層CAN主站和RTU主站控制器的軟件程序，以及信息層集控臺的綜合監控應用程序和現場操作屏監控程序。為提高開發工作效率，縮短時間，CAN主站、RTU主站與集控臺之間的通信機制采用了OPC技術。

OPC是一套工業標準，為基于Windows平臺的應用程序與現場控制設備之間建立了溝通橋梁［12］。應用OPC之后，設備廠商可為自己的硬件產品開發統一的OPC接口程序，而軟件開發商則可免除開發設備驅動程序的繁重工作，將更多精力專注于系統集成，從而避免開發工作的重復性，另一方面也提高了系統的開放性和可互操作性。OPC采用客戶端（Client）/服務器（Server）模式，主流的設備廠商均提供了自己設備的OPC Server，上位機應用程序通過OPC Client訪問OPC Server中的數據，即可實現對設備控制器相應寄存器的讀寫。

由于CAN主站、RTU主站均采用AB公司的CompactLogix 1769-L35E控制器，因此采用AB公司RSLogix5000軟件開發控制邏輯程序，并裝載于1769-L35E控制器運行；相應的OPC Server采用AB公司的RSLinx，OPC Server運行于集控臺，從而實現集控臺與CAN主站、RTU主站的數據交互；集控臺的綜合監控應用程序采用圖形化顯示、數據分析功能強大的LabView軟件進行開發，LabView軟件自帶OPC Client工具，能夠直接訪問OPC Server，從而方便、快捷的實現與CAN主站、RTU主站進行數據交互。

CAN子系統軟件程序流程如圖6所示。圖6中，CAN主站的1769-L35E控制器驅動1769-SDN模塊實時掃描DeviceNet總線網絡，讀取5個IO從站的1794-AND模塊的輸入數據區，獲取各IO從站的現場采集數據；讀取采集數據后進行數據處理；將處理后的數據存入采集數據緩存區，經EtherNet網絡發送給集控臺的OPC Server；同時經EtherNet網絡讀取OPC Server接受的控制指令；讀取控制指令后進行數據處理；將處理后的數據發送給1769-SDN模塊的輸出數據區；驅動1769-SDN模塊掃描DeviceNet總線，將控制指令發送給各IO從站，由IO從站輸出控制信號，驅動現場執行器動作。從而完成將現場采集數據發送給集控臺，同時接收集控臺發送的控制指令，控制執行器動作。

圖6 CAN子系統軟件程序流程圖

RTU子系統軟件程序流程如圖7所示。

對比圖6與圖7，與CAN子系統相比，RTU子系統軟件程序流程無DeviceNet總線讀寫環節，而是由1769-L35E控制器經背板總線直接讀寫IO模塊，其他流程與CAN子系統基本一致，能夠將現場采集數據發送給集控臺，同時接收集控臺發送的控制指令，控制執行器動作。

圖7 RTU子系統程序流程圖

由于主要的數據采集及控制邏輯程序由CAN主站和RTU主站實現，所以集控臺綜合監控軟件主要完成信息集中顯示、控制指令下達以及數據存儲與分析處理等功能，LabView軟件自帶有強大的圖形化處理、數據分析處理工具，能夠較為容易地實現上述功能，且有諸多文獻進行了闡述，本文不再贅述。需要說明的是，CAN主站、RTU主站對應的OPC Server軟件RsLinx均運行于集控臺計算機上，便于與LabView的OPC Client實時進行數據交互，為監控信息的實時性提供了技術保障。

如圖1所示，信息層設置了兩個集控臺，為實現兩個集控臺功能自動互備，集控臺之間采用了文獻［13］介紹的雙機熱備技術。兩臺集控臺分別預定義為主用臺和備用臺，并都配置了綜合監控應用軟件，主備兩個集控臺經EtherNet網絡互相監測對方狀態。正常情況下，主用臺運行綜合監控軟件，執行綜合監控功能；若主用臺出現異常或故障，備用臺自動運行綜合監控應用軟件，接管綜合監控功能；當主用臺恢復正常后，備用臺自動關閉綜合監控軟件，主用臺恢復監控功能。

由于AB公司的2711P系列現場操作屏均已預先配置了RSView操作界面程序，只需按照AB公司的操作屏使用手冊進行簡單的配置即可實現現場操作功能，本文不再展開說明。

5 結語

綜上所述，本文介紹的密閉環境模擬試驗艙綜合監控系統采用分層分布式系統架構，應用了De?viceNet總線、分布式IO以及OPC技術，能夠適應監控對象數量多、空間布置分散、實時性要求高的應用場合；由于應用了OPC技術，并采用了工業領域應用廣泛的AB PLC控制器、IO模塊及LabView軟件，系統的可擴展性、兼容性較好，且監控軟件程序開發效率高、所需時間短，從而能夠大幅減少開發人員資源投入。該監控系統經適應性修改后，也可適用于石油、煤炭、化工、冶金、采礦等工業領域的現場監控應用場合，有著較為廣闊的應用前景。