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(yè)支持船為依托，介紹了復(fù)雜海工產(chǎn)品的綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計方案，并作簡要冗余度分析；總結(jié)了實船試驗的內(nèi)容、流程和注意事項，為類似船舶的綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計和試驗提供參考。

關(guān)鍵詞：集成自動化；設(shè)計；調(diào)試

中圖分類號：U674.98 文獻標(biāo)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(yè)支持船能在3 000 m水深及復(fù)雜海況下作業(yè)，并且具有優(yōu)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(shè)、深水錨系處理作業(yè)、深水ROV（水下機器人）作業(yè)和IMR（檢驗、維護和維修）作業(yè)支持能力。按中國船級社（CCS）和挪威船級社（DNV）現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)則進行設(shè)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(tǒng)配置、調(diào)試和試驗技術(shù)開展研究。

與一般海工船相比，該船作業(yè)功能更多、設(shè)備和系統(tǒng)更先進、設(shè)備、管路和電纜布置更復(fù)雜。該船綜合集成自動化系統(tǒng)配置具有系統(tǒng)更龐大、自動化程度更高、接口更復(fù)雜等特點，設(shè)計時需綜合考慮其先進性、可靠性、通用性、經(jīng)濟性和方便性，而對設(shè)備和系統(tǒng)的安裝和調(diào)試技術(shù)亦需要開展深入的研究。

該船的集成自動化系統(tǒng)采用了西門子生產(chǎn)的產(chǎn)品，基于S7-400 PLC可編程序控制器，分布式信號采集，冗余設(shè)計。全船共有22個信號采集箱，兩臺服務(wù)器、兩個中央控制單元、10個工作站（OS）。整個網(wǎng)絡(luò)采用光纖通訊、雙網(wǎng)冗余，可實現(xiàn)高速度、低干擾的數(shù)據(jù)傳輸，其冗余性大大地增加了船舶各數(shù)據(jù)監(jiān)測的安全性。

該船綜合集成自動化系統(tǒng)的設(shè)計須滿足DP3規(guī)范要求和FMEA分析驗證，保證其航行要求和工程作業(yè)的安全可靠性，最大限度地規(guī)避由于單一故障導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓而造成的船舶的航行或作業(yè)的風(fēng)險。該綜合集成自動化系統(tǒng)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(diào)、主動力等外部系統(tǒng)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(fù)等功能。

電源設(shè)計也采用了冗余設(shè)計，采用了220 VAC / 24 VDC電源設(shè)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(yīng)急配電板供電。

2 綜合集成自動化系統(tǒng)的配置

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

該船自動化系統(tǒng)采用分布式總線監(jiān)控的形式，根據(jù)系統(tǒng)對冗余度的要求，主網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)形式，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。自動化系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

綜合該船集成自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可分為三層：

（1）現(xiàn)場層

現(xiàn)場層的系統(tǒng)和設(shè)備獨立于全集成監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)，例如電站功率管理系統(tǒng)，或通過串行接口把數(shù)據(jù)傳送到全集成監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)的主控制站（PCU），或通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到全集成監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)的服務(wù)器。全集成監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)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(xiàn)場層的系統(tǒng)和設(shè)備進行監(jiān)視和遙控。

（2）數(shù)據(jù)收集和過程處理層

全集成監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行處理，執(zhí)行控制任務(wù)，并把處理完畢的過程信息發(fā)送到系統(tǒng)總線上。過程控制單元（PCU）通常安裝在集控室，通過以太網(wǎng)通信模塊與光纖環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)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(wǎng)交換機、中繼器、ET200輸入輸出模塊、電源和UPS模塊、絕緣監(jiān)測儀等。 集單元（SCU）主要執(zhí)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(tǒng)，將分布在全船各處并通過Profibus DP現(xiàn)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(jiān)測儀等。

延伸報警系統(tǒng)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(tǒng)總線（工業(yè)以太網(wǎng)）與過程控制單元PCU進行通訊，收集自動化系統(tǒng)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(jiān)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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(dāng)前過程數(shù)據(jù)，而與其他工作站無關(guān)。因為系統(tǒng)響應(yīng)時間與工作站的數(shù)量以及單個工作站的工作性能無關(guān)。特別的數(shù)據(jù)更新機制將保證每一個工作站的過程數(shù)據(jù)即時動態(tài)自動更新。 完備的圖形功能和基于微軟視窗技術(shù)的操作系統(tǒng)為操作人員提供了直觀的用戶導(dǎo)航和全圖形環(huán)境。人機界面將以易于理解的方式顯示船上各個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，操作人員可以準(zhǔn)確觀察到實際發(fā)生的情況，實時獲得過程處理的信息，使用鼠標(biāo)或軌跡球和鍵盤就可以輕松地執(zhí)行遙控操作。此外，可以方便地直接調(diào)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(tǒng)布置

該船自動化系統(tǒng)龐大、監(jiān)測報警點多，共設(shè)置了22個采集箱。由于報警點數(shù)量多，必需要考慮電纜的走向布置，在設(shè)計過程中既要考慮設(shè)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(tǒng)的采集箱配置如圖2。在每個采集箱內(nèi)都安裝了用以通訊的交換器，由于DP3規(guī)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(huán)網(wǎng)，且每個環(huán)網(wǎng)都由兩組網(wǎng)絡(luò)組成，分別命名為NET A、NET B。

2.3 電源配置

根據(jù)DP分區(qū)冗余供電要求，自動化系統(tǒng)在全船各區(qū)域配置了5個不間斷電源UPS，用于工作站、服務(wù)器和打印機供電。每個采集箱內(nèi)各設(shè)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(shè)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(tǒng)的正常運行，提供了系統(tǒng)可靠性。

2.4 冗余性分析

為了增強系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)組件都采取了冗余配置。服務(wù)器和過程控制單元的終端總線和過程總線是以環(huán)網(wǎng)總線的形式布置。若一條總線發(fā)生中斷，如交換器故障或光纖斷開，則環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍然能保持該總線上的所有設(shè)備的通信暢通；各OS站和服務(wù)器也都配有雙網(wǎng)卡，這兩張網(wǎng)卡擁有不同的IP地址，當(dāng)一張網(wǎng)卡出現(xiàn)通信故障時，會自動切換到另一個網(wǎng)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(fā)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(tǒng)設(shè)計了一個與過程控制單元相連的冗余OS服務(wù)器對，CPU對數(shù)據(jù)信號進行處理后會同時發(fā)送到這兩個服務(wù)器，若其中一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，則相關(guān)的OS站就會自動切換到運行中的另一臺服務(wù)器；故障服務(wù)器恢復(fù)后，OS站就會切換回原來連接的服務(wù)器，并且運行中的服務(wù)器會對故障恢復(fù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)更新。

3 綜合集成自動化系統(tǒng)的調(diào)試和試驗

在船舶進入調(diào)試階段，綜合集成自動化系統(tǒng)會作為全船的一個調(diào)試重點，其主要的功能有：故障監(jiān)測報警、遙控控制、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等。

對各種信號的調(diào)試過程，可依據(jù)綜合集成自動化系統(tǒng)配備的接線圖查找各信號的接線端子。為確保被監(jiān)測的設(shè)備輸出信號的穩(wěn)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(guī)程進行。

3.1 內(nèi)外接口標(biāo)準(zhǔn)

綜合集成自動化系統(tǒng)接收的信號主要由數(shù)字量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出，這4種信號構(gòu)成綜合集成自動化系統(tǒng)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(diào)試過程中，需特別注意此類信號的區(qū)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(shù)字輸入模塊DI：6ES7131-4BD01-0AB0；

（2）數(shù)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(wǎng)絡(luò)調(diào)試

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

3.2.1 報警點調(diào)試

在系統(tǒng)近4000個報警點中，每個報警點都有一個與之對應(yīng)的接線通道，其接線方法可根據(jù)設(shè)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(diào)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(shè)備的故障模擬，檢驗報警值設(shè)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(fā)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(diào)試

該船的高度自動化主要表現(xiàn)為綜合集成自動化系統(tǒng)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(guān)的遙控等。對遙控功能的調(diào)試是檢驗設(shè)備的軟件邏輯及信號采取的正確與否。整個遙控功能的調(diào)試步驟，可按圖3流程進行。

3.2.3 自動操作功能測試

對設(shè)備的自動操作功能，是建立在設(shè)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(fù)檢查。自動操作功能的測試首先在MINIC圖上將遙控的設(shè)備選成“AUTO”，在設(shè)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(qū)別在于：自動操作功能設(shè)備的起停是由外面某一信號的觸發(fā)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(xiàn)的。所以測試自動功能，唯一要檢查的信號就是觸發(fā)信號是否正確，如壓力開關(guān)、失電等信號，然后就是檢驗整個軟件邏輯的功能。

4 結(jié)束語

該船綜合集成自動化系統(tǒng)作為全船重要的控制和監(jiān)測系統(tǒng)，具有系統(tǒng)龐大、接口復(fù)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(tǒng)的規(guī)范要求，并通過FMEA實船驗證，在出現(xiàn)單點故障，包括一個艙失火或浸水情況下不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。本項研究可為類似復(fù)雜海工船舶的綜合集成自動化系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試提供經(jīng)驗借鑒。