工程船舶计算机控制系统的开发及应用

2011-03-06大连辽南船厂范殿忠

世界海运 2011年5期

关键词：计算机网络船舶自动

文/ 大连辽南船厂范殿忠

工程船舶计算机控制系统的开发及应用

文/ 大连辽南船厂范殿忠

根据疏浚船舶的实际工作需要，通过运用电子计算机控制系统原理和工程控制理论，开发了一套由平面定位系统、计算机网络系统、SCADA系统和自动控制系统组成的船用挖泥监视控制系统，并在“青草沙”“浏河沙”两艘绞吸式挖泥船上得到应用。

工程船舶；计算机控制系统；挖泥船

一、开发工程船舶计算机控制系统的必要性

1. 经济发展需要低耗高效工程船舶

随着我国经济的发展和沿海开发步伐的加大，港口建设、桥梁建设、石油开发、滩涂治理、围海造地等工程需要大量专业工程船舶的投入使用。在强大的需求拉动下，近年来大量工程船舶被投入市场。据中国海事局统计数据，仅渤海湾内就有近千艘船舶参与施工建设。这些船舶，特别是大型挖泥船，在创造经济奇迹的同时，也消耗了大量的能源，加重了环境污染。因此，如何有效提高船舶设备的利用率、完好率，提高船舶的作业精度、作业效率，降低环境污染，降低船舶运营成本，是我们这些造船人义不容辞的责任，也是我们占据造船市场高利润点的需要。

2. 现代技术的发展为工程船舶的低耗高效提供了技术基础

近年来，国际上一些先进的船舶系统公司，如德国西门子公司、英国罗尔斯-罗伊斯公司、荷兰IHC公司等，纷纷将计算机集成技术、PLC控制技术、传感器测量技术、网络通信技术等应用于船舶智能监测和自动控制，其生产的船舶系统具有低耗高效的工作性能。这些技术在给用户带来利益的同时，也给这些国际公司带来了丰厚的利润。我们在消化吸收国外先进技术的同时，也开发了旨在提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船员劳动强度的工程船舶计算机控制系统。

二、计算机控制系统的主要功能

计算机控制系统可以实现整个工程船舶的施工过程控制、平面定位等功能，包含两部分网络：一部分是现场控制网络，一部分是计算机网络。两个网络之间通过TCP/IP实现信息的共享，具体由平面定位系统、计算机网络系统、SCADA系统、自动控制系统四部分组成。

平面定位系统用于船舶、绞刀头、定位桩台车的平面定位。

计算机网络系统负责将现场信号通过网络的方式采集上来，软件系统负责将信息显示在画面上，保存在数据库中，分析历史数据。

SCADA系统包含泵机系统、舱内泵系统、疏浚仪器仪表系统的数据监测与控制。SCADA系统是一套完整的软件系统，PLC软件、计算机软件相互联动、连锁，实现可靠的控制。

自动控制系统包含两个部分，一部分是基于安全的自动停止或启动，一部分是基于提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船员劳动强度的自动控制系统。

计算机控制系统可以完成对整个疏浚过程的监测与控制，实现安全、方便、高效、可靠的过程控制，其系统组成如图1所示。

1. 平面定位系统

平面定位系统的主要功能是通过安装GPS、罗经这些设备，系统中的计算机软件接收到当前船舶某一点的经纬度位置信息和船舶运动方向信息，然后根据船体参数以及设备安装位置运用数学知识计算并显示出船舶主要部分每天24 h实时位置信息。

在实际应用中，船舶的基本位置都是由GPS给出的，精度取决于GPS设备本身的精度，船舶的运动方向则主要采取双GPS计算航向和电罗经测量航向两种方式。其中，双GPS计算航向这种方式的特点是设备安装简单、使用维护方便但精度和稳定性稍低，电罗经测量航向的特点是设备价格偏高、维修复杂，但精度高、稳定性强。

在系统软件中，通过输入设备安装位置、船舶外形参数、引入台车行程等信号，船舶工作人员对船舶整体位置可以有直观形象的了解。通过输入船舶施工背景文件、测量水深文件以及船舶施工区域工作线文件的方式，加上GPS转换运算，可以在计算机上按要求呈现船舶模型，从而保证船舶施工在位置和质量上均满足业主需要，同时尽量减少不必要的工作，以节约资源，提高效率。

2. 计算机网络系统

计算机网络系统主要分为信号采集网络、船舶局域网和船舶无线传输网络。信号采集网络的主要功能为通过专门的信号网络采集设备，采集船舶设备变化参数，经过处理转换成网络数据包，发送到船舶网络中供服务器计算机获取数据使用。此网络非常重要，可以采集系统中大部分模拟量和开关量。船舶局域网的主要功能是实现系统监测数据在船舶各个用户间的共享。其中包括驾驶台可以监测到机舱设备数据，机舱可以监测到驾驶台仪表数据，船舶其他人员（船长、大副、轮机长等）的计算机只要连入局域网就可以看到船舶施工的大部分数据（包括驾驶台和机舱两个主要位置）。船舶无线传输网络的主要作用是把船舶现场施工信息通过船舶无线网络上传到船舶所属公司岸上服务器，然后由岸上服务器把船舶的实时施工信息发布到岸上计算机网络，供公司相关管理人员分析、管理、指导船舶施工。同时，以上所有施工监测数据都可以自动保存，供分析、回放之用。

3. SCADA系统

SCADA系统主要包括铰刀转速、桥梁下放位置、柴油机和发电机的转速与温度、水下泵和舱内泵压力与转速等设备运行的监测和控制。SCADA系统同时还包括机舱柴油机、发电机等设备的油温报警、水温报警等。船舶液压控制各个电磁阀状态的监测同样位于SCADA系统之中。SCADA系统主要包括SCADA画面和AMS主视图，主要界面如图2所示。

SCADA系统是一套完整的软件系统，硬件设备、硬件传感器、PLC软件和计算机软件相互联动、相互连锁共同实现对船舶系统的可靠控制。

4. 自动控制系统

自动控制系统主要包括两个部分：一部分是基于安全的自动停止或启动，主要通过PLC逻辑控制与机器设备信息的传输和反馈来实现。这种方式主要应用于船舶的液压控制部分、钢桩控制部分、绞车控制部分等。另一部分是基于提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船员劳动强度的自动控制系统，主要通过计算机软件、PLC软件以及相关船舶运动控制系统来实现。在此种模式下，船上人员只要在计算机软件中设置好施工方式以及相关限定条件，船舶即可按要求自动施工作业。此种方式将大大降低船员劳动强度，使施工过程更加稳定，大大降低人为因素造成的产量波动问题，提高生产效率，降低能源消耗。此种自动控制技术最为先进，是未来发展的趋势。

三、结论及建议

通过在交通运输部长江口航道管理局新建造的“青草沙” “浏河沙”两艘绞吸式挖泥船的实际应用，该工程船舶计算机控制系统不仅提高了船舶的安全性，降低了船舶单位产量的能源消耗，提高了施工效率，而且降低了船员劳动强度，提高了船员的安全性，给用户带来了经济效益。

随着信息技术的发展，CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）技术在船舶行业的应用日臻成熟，国内船舶的计算机集成也在不断提高，这必将促进行业的技术进步。但目前我们在系统中应用的相关传感器与国外相比还有一定的差距。传感器是整个系统的神经，其可靠性直接影响系统的可靠性。建议相关单位研发适应船舶特殊环境的传感器，使船舶的作用精度更高、可靠性更强。通过不同行业的共同协作，使系统更加完善，从而在提高船舶的作业精度、作业效率，降低环境污染、船舶运营成本等方面做得更好。