海上核电站的综合平台管理系统设计

2019-03-06吴国东曹光明

船电技术 2019年2期

李勇，吴国东，彭柳，曹光明

海上核电站的综合平台管理系统设计

李勇，吴国东，彭柳，曹光明

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

以海上核电站为应用背景，对船舶平台综合平台管理系统（IPMS）传统设计中存在的不足进行了分析，提出了基于双冗余以太网的综合平台管理系统设计方案，对以太网络化的综合平台管理系统的结构、功能及实现该系统的关键技术进行了阐述。该系统的结构具有简单开放、网络化强、可扩展性强、可靠性高、可维护性高等特点，因此有着广泛的应用前景。

海上核电站双冗余以太网综合平台管理系统

0 引言

海上核电站可采用船舶浮动式平台，是小型核反应堆与船舶工程的有机结合，主要业务为核能发电，为长期驻泊在海洋上的海洋工程船舶平台或者远离大陆的海岛提供电能和淡水。

船舶平台的综合平台管理系统（IPMS，Integration of Platform Management System）在综合应用十分成熟的计算机技术、网络通讯技术、工业自动化控制技术、数据库技术和信息融合及共享技术的基础上，将船舶平台上的各分系统及设备连接到一个以信息共享为核心目标的统一网络，形成一个集信息综合管理、集中监视、综合管控和船舶平台安全于一体的高度自动化、信息化、智能化和网络化的综合大系统。该系统全面获取船舶平台上各分系统的传感器信息、执行器信息、设备信息、控制指令信息、安全信息等，集中监视和管理船舶平台各分系统及重要设备的数据信息，对突发的报警、故障等事件进行灵敏的检测并给出快速的响应，及时发出各种针对报警、故障等突发事件的控制指令信息，对平台各分系统实现及时有效的操作和控制，是船舶平台的信息中心，是对船舶平台进行指挥与控制的神经中枢。总的来说，设计该系统的目标是为日趋复杂化的船舶平台各系统及设备的操作人员提供更实用可靠的操作界面，通过网络实现船舶平台资源和信息的交互与共享，对船舶平台所有系统及设备实现集中监测和综合管控，提高船舶平台的综合效能，简化船舶平台的运行操作，强化船舶平台的可靠性和安全性[1-4]。

近年来，国内外的船舶平台IPMS的底层控制网络多采用基于现场CAN总线的分布式系统，上层信息管理网络采用以太网，整个IPMS的信息系统集成需要实现CAN总线控制网络与以太信息网的互联，使得信息的交互和共享很是困难，一般需要借助Socket（套接字）、中间件技术、OPC技术等手段[5-8]来完成两个异种网络之间的数据交互和共享。鉴于以太网技术在我国船舶平台IPMS中越来越广泛的应用现状[9-12]，本文主要研究了采用以太网技术实现信息系统集成的设计方案，实现了海上核电站基于双冗余以太网的新型IPMS。

1 船舶平台传统IPMS的不足

目前，我国船舶平台IPMS主要采用传统的电气自动化技术设计系统方案，从总体上来看，传统IPMS的系统方案在设计上的不足主要体现在：

1）在传统的设计方案中，船舶平台一般多段组装拼合建造，传感器/执行器分散分布于所有舱室舱段，而若干控制单元集中分布于某个舱室舱段。这种模式使得系统整个结构复杂，穿舱线缆众多，造成系统难以装配、扩展、维修和维护的不利局面，大大增加了系统的研发成本。

2）在传统的设计方案中，船舶平台中的动力、船桥、保障、主机、电站、闭路电视等分系统的设备通常采购于不同的供应商，遵循不同的通信协议或标准，各分系统往往只能形成各自封闭的控制网络，各自为政，彼此间实现信息的共享与交互比较困难。

3）在传统的设计方案中，船舶平台的底层控制网络一般采用现场总线，上层管理信息网络采用以太网，整个系统中有现场总线和以太网两者并存的异种网络系统，使得信息的共享与交互很是困难。

4）在传统的设计方案中，底层控制系统的对外接口往往不是统一的，如果需要扩展控制单元的接口数量和类型，船舶平台的底层控制系统需要做较大的改动，系统网络的可扩展性比较差。

5）在传统的设计方案中，每一个控制单元都只是实现特定的功能，其功能需求增加时其软硬件也需要做较大的改动，与此同时，对其他一些有逻辑联系的控制单元的软硬件也需要进行关联性的更改，这使得系统软硬件的可扩展性比较差。

6）在传统的设计方案中，对于系统软件的设计，由于每一个控制单元的软件都只是实现特定的功能，这使得每一个控制单元在进行单机调试时都需要配置一套专用的模拟调试软件，与此同时，由于整个系统中控制单元的数量众多，造成开发工作量较大，开发进度较慢，开发成本增加的后果。

针对船舶平台传统IPMS方案设计的不足，本文提出了一种新型的IPMS设计方案，整个系统从底层控制网络到上层信息管理网络均采用以太网，并对系统的软硬件进行模块化设计，有效地解决了以上所述问题，为将来的船舶平台的IPMS方案设计提供了一个崭新的应用方向。

2 IPMS构建方案

当前，我国船舶平台中的底层传感器/执行机构数量众多，而且分散分布于各舱室舱段，集中分布于某一舱室舱段的若干控制单元对平台各系统进行数据采集和控制，这往往造成船舶平台中系统穿舱线缆过多、网络连接结构因层次不清而复杂的局面，使得整个系统的组装、调试和维护十分不便。

近年来，随着以太网络技术的发展，我国船舶平台底层控制系统网络从多采用CAN总线向采用光纤以太网的方向发展，本方案将双冗余光纤以太网应用到海上核电站的底层控制系统中，同时，采用通用化统一化的控制单元模块来解决海上核电站的控制单元多样化的难题，通过接入交换机将各个舱室的控制单元挂接到双冗余以太网，经光纤网络传输到后台服务器，在后台服务器完成数据的处理与存储，并在显控台、显示屏完成平台各系统的集中监视与管理。该方案可以明显减少穿舱线缆的数量，网络连接结构层次分明，也极大地方便了系统的组装、调试和维护。

2.1 底层控制系统构建（分散控制层）

海上核电站的底层控制系统打破以往分系统独自实现数据采集与控制的方式，采用通用化统一化的控制单元模块对平台各系统进行舱室级采集与控制。图1为底层控制系统方案结构图。

图1 底层控制系统方案结构

该系统方案采用分布式的采集控制方式，每个舱室配置两个控制单元，两者之间互为备份，通过舱室内冗余配置的接入交换机挂接到双冗余光纤以太网，实现底层控制系统与上层信息管理网络的互联。控制单元可根据传感器、执行机构（泵、阀等）等外部接口对象的分布位置就近布置，物理上是对舱室中众多的各系统传感器、执行机构的汇聚，穿舱线缆较少，也便于系统的连接与组装。同时，控制单元的体积相对较小，空间占用较少，其布置位置可以根据平台实际布置情况进行适当调整，布置具有一定的灵活性。

相较于船舶平台底层控制系统的传统设计方案，该底层控制系统方案的优点主要体现在：

1）打破以往船舶平台分系统各自为政的传统，通过通用化统一化的控制单元模块对平台底层的传感器和执行机构进行舱室级数据的统一采集与控制，规避了由于不同分系统配置不同控制单元造成的不兼容问题，同时减少了IPMS底层功能模块的数量，大大简化了系统的设备配置。

2）不同于以往底层控制系统多采用CAN等现场总线的方式，控制单元经以太网关设备不再挂接到底层现场总线上，而是挂接到以太网上，再经接入交换机连接到上层信息管理网络，两层网络不再属于异种网络系统，均为以太网络，极为方便地实现了整个系统底层网络和上层网络的信息共享与交互。

3）每个舱室配置两个控制单元，两者之间互为备份。在其中一个发生故障时，可迅速将采集控制I/O接口转换至另一个，可以有效提高分散控制的可靠性和稳定性。

4）控制单元物理上是对舱室中众多的各系统传感器、执行机构的汇聚，明显减少线缆线束的数量及体积，使得底层布线、安装、集成既简单又方便。

5）控制单元硬件通用化、统一化，如果增加新的功能，硬件无需任何改动，只需更新升级软件即可，便于故障维修和日常维护。

6）底层结构扁平化，控制单元相当于一个网络节点，可以通过增加节点的方式方便地对底层设备进行扩充，提高了系统的可扩展性。

7）可对信号串扰、电磁干扰等因素造成的数据传输错误进行实时监测与纠正，并对监测到的故障进行存储，方便系统的在线或离线故障诊断，为系统的快速调试和维护节省了时间。

2.2 以太网传输系统构建（网络层）

海上核电站IPMS通过以太网系统完成采集与控制信息的传输、处理和存储。控制单元通过接入交换机把平台各系统的数据挂在双冗余光纤以太网，通过核心交换机的汇聚，平台各系统的数据传输到后台服务器进行数据处理和存储。图2为以太网传输系统方案结构图。

在平台各舱室布置接入交换机，其向下连接控制单元，向上连接核心交换机，形成全平台一体化网络，进行检测、控制、预警等信息的可靠、快速、便捷传输。根据海上核电站各系统信息对网络的需求，新型综合平台管理系统在星型拓扑结构的基础上构建一体化信息传输网络，具体组网方式为双冗余星型无环路光纤以太网方式，主要电子设备配备冗余网卡，结合每舱两个接入交换机以及配置为冗余结构的两个核心交换机，构建冗余网络传输架构，能够在各主要电子设备网络通信部件出现单点故障时，保障网络通信的连续性，有效提高了网络的稳定性和可靠性。

图2 以太网传输系统方案结构

图3 基于双冗余以太网的IPMS结构图

以太网传输系统方案具有以下优点：

1）不同于以往的CAN总线组网方式，本方案的网络采用工业以太网作为传输介质，在网络可靠性、抗恶劣环境能力、信息传输的实时性与确定性等方面比普通商用以太网有很大的改进和改善。

2）工业以太网交换机可以提供诸如虚拟局域网、组播、服务质量控制等技术来满足船舶环境对网络和实时性的要求。

3）本方案采用星型无环路的网络拓扑结构，各个层面设置冗余链路或设备备份，充分考虑了链路中断、设备故障等意外情况，有效提高网络的可靠性。

4）本方案采用双冗余光纤以太网进行网络传输，应用星型无环路的网络拓扑结构，使用TCP/IP协议，由接入交换机、核心交换机和传输媒质等组成。以太网配置为双冗余方式，在其中一个光纤以太网出现网络故障或组成设备出现单点故障的情况下，整个系统可以通过另一个光纤以太网继续正常工作。

2.3 基于双冗余以太网技术的新型IPMS信息集成方案

整个系统在结构上从下到上依次分为分散控制层、网络层和监视操作层，如图3所示。

1）分散控制层是对数据信息进行采集与控制的部分，所有底层设备的数据信息通过控制单元接入以太网络：传感器、执行器通过具有相应数据处理能力的控制单元，采集与控制信息经协议转换成以太网格式，最终通过接入交换机接入到全平台一体化网络。

2）网络层是对数据信息进行传输与服务的部分，是双冗余光纤以太网的骨架，是构成平台一体化网络的主要组成部分。各舱室经控制单元汇聚的底层信息经接入交换机、核心交换机挂接到平台一体化网络，通过以太网传输到后台服务器处理与储存。

3）监视管理层是对数据信息进行集中监控与综合管理的部分，是船舶平台的信息中心，是对船舶平台进行指挥与控制的神经中枢。IPMS通过船体显控台、船舶操控台、综合报警信息显示屏、视频监控信息显示屏等实现全平台的系统级监视管理。船体显控台、船舶操控台（不止这两个显控台，可根据平台系统需要增加或共用）等安装平台各业务系统对应的人机交互软件，通过核心服务器直接调阅平台各系统信息及设备运行状态，并根据运行需求进行平台各系统执行设备的远程操作控制；综合报警信息显示屏、视频监控信息显示屏（不止这两个显示屏，可根据平台信息显示的需要另行增加）等通过核心交换机从后台服务器直接调取数据，实时监视平台各系统的运行状态和参数信息、视频监控信息、报警信息、核控与电力信息。

2.4 新型综合平台管理系统设计方案的优点

系统总体架构采用双冗余光纤以太网，网络具有可靠性高、高速传输、价格低廉、组网应用方便等特点。作为当今应用越来越广泛的通信网络，以太网有着多种传输媒质可选、传输速度快、价格低廉等优点。双冗余结构的应用，可进一步提高以太网络的可靠性和稳定性。组网应用方便是以太网的应用中突出的特点，系统间的互联往往很容易，可无缝连接和集成船舶平台的闭路电视网络等其他的监控网络，也便于和船舶平台的岸基监控中心进行通讯。

系统整个结构层次分明而简单，设备之间的连接线很少，可以很容易地进行设计、故障维修和日常维护等，明显提高了整个系统的可维护性能。系统主要通过网线连接各个设备，底层控制单元采集的数据均通过网线传输给接入交换机，挂接到一体化以太网网络上，再通过核心交换机传输给后台服务器、显控台和显示屏等设备。

如果系统中某一舱室的控制单元需要增加新的功能，只需要修改对应控制单元的软件即可，其他舱室的控制单元的软件无需任何更改，系统具有更强的适应性。

如果系统需要进行功能扩展，如增加更多的控制单元，则系统总体设计方案无需改变，只需要将新增加的控制单元接入所在舱室的接入交换机即可，整个系统具有良好的硬件可扩展性。

在传统的设计方案中，单机调试时每一个控制单元都需要一套模拟调试软件，用来模拟该控制单元的接口功能。如果采取本方案不分系统的舱室级采集控制方法，整个系统只需一套模拟调试软件，就可以满足每一个控制单元的单机调试需求，从而使得系统软件的开发工作量减少，开发进度加快，开发成本降低。

当前，国内外较多的船舶平台IPMS的底层控制网络采用CAN总线，上层信息管理网络采用以太网，整个IPMS中有CAN总线和以太网两种网络，两者并存，由于属于异种网络系统，其信息系统的集成需要实现CAN总线控制网络与以太信息网的互联，使得信息的共享与交互很是困难。该方案采用双冗余以太网整合底层控制网络和上层信息管理网络，建立全平台一体化信息网络，极大地方便了平台信息的交互和共享。

3 新型IPMS关键技术

3.1 双冗余光纤以太网技术

双冗余光纤以太网是整个综合平台管理系统的核心部分，网络应用星型无环路的网络拓扑结构，使用TCP/IP协议，由接入交换机、核心交换机和传输媒质等组成。光纤以太网配置为双冗余方式，在其中一个光纤以太网出现网络故障或组成设备出现单点故障的情况下，整个系统可以通过另一个光纤以太网继续正常工作。

3.2 硬件模块化设计技术

综合平台管理系统中含有众多的控制单元，包括控制器模块、I/O模块和通信模块等核心部分，各模块的结构标准化；供电标准化，统一使用直流24 V模式；通讯协议标准化，统一采用以太网通讯协议，保证控制单元在硬件上通用化、统一化。在硬件上采用模块化设计的好处有：1）控制单元采用通用统一的硬件模块，可以有效降低系统的硬件设计成本，明显提高系统的可装配性、可维护性能。2）采用模块化方法设计系统硬件，有效提高了系统配置与扩展的便捷化程度。根据船舶平台的大小及类型，可以很方便地进行合理又经济的系统设备配置；而且，整个系统采用以太网络技术，使得系统的扩展功能十分强大。3）为软件的模块化设计提供基础，可以明显减少系统软件的开发工作量。4）由于系统中的每个控制单元通过以太网进行系统数据的交互，如果需要对系统的功能进行扩展，通过增加控制单元模块就可以实现，可以很方便地接入系统的以太信息网络，系统硬件及线缆都不需要做任何的更改，使得系统硬件有着极好的可扩展性。

3.3 软件模块化设计技术

综合平台管理系统中的每一个控制单元采用通用统一的硬件模块来实现各自的采集和控制功能，在软件功能上硬件的底层驱动是相同的部分。采用软件模块化的设计思路，对硬件的底层驱动进行统一的软件设计，使得每一个控制单元均配置一样的硬件底层驱动软件。这就使得软件开发只需关注应用层软件的功能设计，在减少系统软件开发时间的同时又提高了软件的可靠性。

4 结论

本文首先分析了我国船舶平台传统IPMS的系统方案在设计上的诸多不足，在此基础上，以海上核电站为应用背景，提出了基于双冗余以太网的新型综合平台管理系统，采用双冗余以太网络作为网络架构整合底层控制网络和上层信息管理网络，并对系统的软硬件进行模块化设计，有效解决了传统方案中出现的系统线缆众多、信息集成困难、硬件多样化、软件不易扩展等诸多问题。该系统的结构具有简单开放、网络化强、可扩展性强、可靠性高、可维护性高等特点，可以极大降低系统总体的研发成本，对于提高船舶平台的操控管理自动化水平和信息化程度具有重要的意义，有着广泛的应用前景。

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