船舶综合集成自动化系统设计和试验

姜涛 王永珊 郑楚忠 李素美

摘 要：本文以我司建造的3 000 m水深多功能水下作业支持船为依托，介绍了复杂海工产品的综合自动化系统设计方案，并作简要冗余度分析；总结了实船试验的内容、流程和注意事项，为类似船舶的综合自动化系统设计和试验提供参考。

关键词：集成自动化；设计；调试

中图分类号：U674.98 文献标识码：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水深多功能水下作业支持船能在3 000 m水深及复杂海况下作业，并且具有优异的操纵性、耐波性和定位能力。该船配置有400 t大型海洋工程起重机（具有主动升沉补偿功能）、350 t A字架、250 t锚处理绞车、ROV等装备，具有饱和潜水支持、立式深水柔性管铺设、深水锚系处理作业、深水ROV（水下机器人）作业和IMR（检验、维护和维修）作业支持能力。按中国船级社（CCS）和挪威船级社（DNV）现行的规范规则进行设计和建造，并取得如下船级符号：

CCS船级符号：

★ 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船级符号：

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

本文主要针对为满足这两种符号要求的综合自动化系统配置、调试和试验技术开展研究。

与一般海工船相比，该船作业功能更多、设备和系统更先进、设备、管路和电缆布置更复杂。该船综合集成自动化系统配置具有系统更庞大、自动化程度更高、接口更复杂等特点，设计时需综合考虑其先进性、可靠性、通用性、经济性和方便性，而对设备和系统的安装和调试技术亦需要开展深入的研究。

该船的集成自动化系统采用了西门子生产的产品，基于S7-400 PLC可编程序控制器，分布式信号采集，冗余设计。全船共有22个信号采集箱，两台服务器、两个中央控制单元、10个工作站（OS）。整个网络采用光纤通讯、双网冗余，可实现高速度、低干扰的数据传输，其冗余性大大地增加了船舶各数据监测的安全性。

该船综合集成自动化系统的设计须满足DP3规范要求和FMEA分析验证，保证其航行要求和工程作业的安全可靠性，最大限度地规避由于单一故障导致的系统瘫痪而造成的船舶的航行或作业的风险。该综合集成自动化系统拥有近7300个报警点，其中硬线连接近4000个點，涉及与柴油机、电站、空调、主动力等外部系统近40路通讯，能够进行电站功率管理（PMS）、阀门遥控、液位遥测、泵浦自动切换、断电自动恢复等功能。

电源设计也采用了冗余设计，采用了220 VAC / 24 VDC电源设计，在每个信号采集箱都配备了不间断电源UPS，以保证其在断电情况下采集箱能够工作30分钟以上，其主回路电源220 V也采用了双路供电，分别由主配电板及应急配电板供电。

2 综合集成自动化系统的配置

2.1 系统网络组成

该船自动化系统采用分布式总线监控的形式，根据系统对冗余度的要求，主网络采用双环网形式，大大提高了系统的可靠性。自动化系统拓扑图如图1所示。

综合该船集成自动化系统的结构，可分为三层：

（1）现场层

现场层的系统和设备独立于全集成监测报警和控制系统，例如电站功率管理系统，或通过串行接口把数据传送到全集成监测报警和控制系统的主控制站（PCU），或通过以太网数据环网把数据传送到全集成监测报警和控制系统的服务器。全集成监测报警和控制系统对收到的数据进行处理并显示在工作站的人机界面上，以便操作人员对现场层的系统和设备进行监视和遥控。

（2）数据收集和过程处理层

全集成监测报警和控制系统的控制单元（PCU）和信号采集单元（SCU）都连接在第二层。 过程控制单元（PCU）对收到的数据进行处理，执行控制任务，并把处理完毕的过程信息发送到系统总线上。过程控制单元（PCU）通常安装在集控室，通过以太网通信模块与光纤环网进行数据通信。

过程控制单元主要包括：中央处理器（CPU）模块、通信处理器（CP）模块、以太网交换机、中继器、ET200输入输出模块、电源和UPS模块、绝缘监测仪等。 集单元（SCU）主要执行现场数据采集以及控制输出；信号采集单元（SCU）采用ET200 模块作为PROFIBUS-DP的从站组成分布式系统，将分布在全船各处并通过Profibus DP现场总线与过程控制单元（PCU）进行通讯。信号采集单元主要包括ET200输入输出模块、电源和UPS模块、绝缘监测仪等。

延伸报警系统将通过一套独立的SIMATIC S7 300系列可编程控制器连接到第二层，并通过系统总线（工业以太网）与过程控制单元PCU进行通讯，收集自动化系统的报警并延伸到值班轮机员房间。

（3）人机界面层

第三层是上层用户层，用于监视、长期存档和信息分析的记录、操作单元均连接在该层。第三层的主要设备是工作站（OS），包含人机界面（HMI）、报警记录打印机以及日志打印机。 工作站主要由计算机、显视器、键盘、轨迹球等组成，通过网络交换机与终端总线相连。每一工作站都可以独立保持自己的当前过程数据，而与其他工作站无关。因为系统响应时间与工作站的数量以及单个工作站的工作性能无关。特别的数据更新机制将保证每一个工作站的过程数据即时动态自动更新。 完备的图形功能和基于微软视窗技术的操作系统为操作人员提供了直观的用户导航和全图形环境。人机界面将以易于理解的方式显示船上各个系统的工作状态，操作人员可以准确观察到实际发生的情况，实时获得过程处理的信息，使用鼠标或轨迹球和键盘就可以轻松地执行遥控操作。此外，可以方便地直接调用全船的所有重要功能和信息，进一步提高了操作的安全性

2.2 系统布置

该船自动化系统庞大、监测报警点多，共设置了22个采集箱。由于报警点数量多，必需要考虑电缆的走向布置，在设计过程中既要考虑设备报警信号接入就近的采集箱，同时还要兼顾DP3的冗余分隔布置要求。

整个综合集成自动化系统的采集箱配置如图2。在每个采集箱内都安装了用以通讯的交换器，由于DP3规范要求，将所有的采集箱划分成两个部分，分别形成两个互不干扰的环网，且每个环网都由两组网络组成，分别命名为NET A、NET B。

2.3 电源配置

根据DP分区冗余供电要求，自动化系统在全船各区域配置了5个不间断电源UPS，用于工作站、服务器和打印机供电。每个采集箱内各设有一个UPS给信号采集模块供电，UPS由两路AC220V电源自动切换供电，其中一路主电源来自主控制站PCU，一路备用电源来自220V助航分电箱电箱。同时UPS还设置有电源故障报警，这样保证了任何由电源引起的单一故障将不会影响到整个系统的正常运行，提供了系统可靠性。

2.4 冗余性分析

为了增强系统的可靠性，该系统组件都采取了冗余配置。服务器和过程控制单元的终端总线和过程总线是以环网总线的形式布置。若一条总线发生中断，如交换器故障或光纤断开，则环网结构仍然能保持该总线上的所有设备的通信畅通；各OS站和服务器也都配有双网卡，这两张网卡拥有不同的IP地址，当一张网卡出现通信故障时，会自动切换到另一个网卡以保证通信。

双过程控制单元分别布置了两个中央处理器（CPU），并且采用独立电源，若其中一个CPU发生故障，另一个CPU就由Slave变成Master，且这两个CPU拥有两条独立的单模光纤进行同步。

综合集成自动化系统设计了一个与过程控制单元相连的冗余OS服务器对，CPU对数据信号进行处理后会同时发送到这两个服务器，若其中一台服务器出现故障，则相关的OS站就会自动切换到运行中的另一台服务器；故障服务器恢复后，OS站就会切换回原来连接的服务器，并且运行中的服务器会对故障恢复服务器进行数据更新。

3 综合集成自动化系统的调试和试验

在船舶进入调试阶段，综合集成自动化系统会作为全船的一个调试重点，其主要的功能有：故障监测报警、遥控控制、数据记录、数据中转等。

对各种信号的调试过程，可依据综合集成自动化系统配备的接线图查找各信号的接线端子。为确保被监测的设备输出信号的稳定性，要求电缆均需有屏蔽层并且要牢靠接地，接线过程需按电气工艺规程进行。

3.1 内外接口标准

综合集成自动化系统接收的信号主要由数字量输入和输出、模拟量输入和输出，这4种信号构成综合集成自动化系统的大部分硬线信号。在这些信号中又分成有源和无源信号，所以在调试过程中，需特别注意此类信号的区分，以免损坏模块。

信号采集箱主要使用了以下型号的模块：

（1）数字输入模块DI：6ES7131-4BD01-0AB0；

（2）数字输出模块RO：6ES7132-4HB12-0AB0；

（3）模拟量输入AI（4-20mA）：6ES7134-4GB01-0AB0；

AI（PT100）：6ES7134-4NB51-0AB0；

（4）模拟量输出AO： 6ES7135-4MB02-0AB0；

这四种模块的用途不一样，其接线方法也不一样。

3.2 集成网络调试

在整个综合集成自动化系统的网络建立并正常运行后，庞大的集成网络将进入调试与报验阶段，整个系统拥有的硬线报警点有4000个左右，与其进行软通讯的设备有40个左右。基于综合集成自动化系统的设备调试主要分为：报警点调试、遥控功能调试、自动操作调试。

3.2.1 报警点调试

在系统近4000个报警点中，每个报警点都有一个与之对应的接线通道，其接线方法可根据设计的接线图进行查对或从I/O List表中进行查找。每个报警点的调试都需先对报警点进行类型判断及供源判断，在确定接线后进行报警模拟，通过对设备的故障模拟，检验报警值设定是否正确。在对模拟量进行模拟时可以采取机械模拟的方法，用信号模拟发生器对温度信号和压力信号进行模拟，检查其显示值与模拟值是否一致。

3.2.2 遥控功能调试

该船的高度自动化主要表现为综合集成自动化系统提供的全船大部分的遥控控制功能，如泵的切换、阀门的开闭、照明的遥控、配电板开关的遥控等。对遥控功能的调试是检验设备的软件逻辑及信号采取的正确与否。整个遥控功能的调试步骤，可按图3流程进行。

3.2.3 自动操作功能测试

对设备的自动操作功能，是建立在设备的机旁功能和遥控功能完成测试完成后才可以进行，这样可以避免测试过程中由于信号问题进行的重复检查。自动操作功能的测试首先在MINIC图上将遥控的设备选成“AUTO”，在设备的右下方会有“A”显示。自动操作功能和遥控功能的唯一区别在于：自动操作功能设备的起停是由外面某一信号的触发而引起；而遥控功能则是靠人为在MINIC图上点击“起动（Start）”或“停止（Stop）”来实现的。所以测试自动功能，唯一要检查的信号就是触发信号是否正确，如压力开关、失电等信号，然后就是检验整个软件逻辑的功能。

4 结束语

该船综合集成自动化系统作为全船重要的控制和监测系统，具有系统庞大、接口复杂等特点，不仅满足CCS AUT-0和DNV E0双船级社无人机舱要求，同时须满足CCS DP-3和DNV DPS3双船级社三级动力定位系统的规范要求，并通过FMEA实船验证，在出现单点故障，包括一个舱失火或浸水情况下不会导致整个系统崩溃。本项研究可为类似复杂海工船舶的综合集成自动化系統设计和调试提供经验借鉴。