船舶集成监测报警和控制系统设计

王树山，倪永亮

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

随着计算机技术的发展以及船舶自动化程度的不断提高，为给船舶上的各设备提供安全、可靠的运行环境，方便船员操作，减轻船员的劳动强度，船舶集成报警和控制系统必不可少[1]。

船舶报警和集中控制系统是基于工业标准化元器件可编程控制器构建的，适用于船舶的所有自动化控制任务。该系统可对全船重要电气和机械设备的运行参数和安全信息进行监视，及时发现设备的运行故障并报警。此外，该系统还具备“过程控制和计算”功能以及“船舶管理”功能，这对于实现船舶无人机舱运行是至关重要的。

本文对船舶集成监测报警和控制系统的系统结构、主要部件、系统功能以及系统设计注意事项等进行介绍，以提高船舶集成监测报警和控制系统设计工作的系统性。

1 系统介绍

集成监测报警和控制系统基于工业标准化元器件可编程控制器、工业以太网和Profibus 现场总线技术，是开放型、分布式与模块化的船舶监测、报警与控制系统。除具有故障记录和报告功能外，还具有自诊断功能。当系统或元器件出现故障时，自动化报警系统会发出报警信号。集成监测报警系统包括操作站、打印机、中央过程处理单元、分布式控制单元、延伸报警以及与船舶其他外部设备的通信接口。

以某风电服务运营船的集成监测报警和控制系统为例，对其系统结构、主要部件、系统功能、注意事项等进行介绍。船舶集成监测报警和控制系统见图1。图1 中：OS 为操作站；PCU 为过程控制单元；V-SAT 为卫星通信系统；RDS 为远程诊断系统；CPU 为中央控制单元；EAS 为延伸报警系统；SCU 为信号采集单元。

图1 船舶集成监测报警和控制系统

船舶集成监测报警和控制系统主要包含以下4个子系统：

1）集成监测和控制系统（Integrated Monitoring And Control System，IMACS）。

2）延伸报警系统（Extended Alarm System，EAS）。

3）轮机员机舱巡视安全系统。

4）远程诊断系统（Remote Diagnose，RDS）。

2 系统描述

集成监测报警和控制系统的结构可以主要分为3 层：

1）现场层

现场层的系统和设备独立于集成监测报警和控制系统，通过串行接口连接到集成监测报警和控制系统的主控制站或以太网数据总线，可直接与服务器进行通信。现场层的系统包括推进控制系统、功率管理系统、液位测量系统、阀门遥控系统及其他外部系统。

2）数据收集和过程处理层

集成监测报警和控制系统的过程控制单元（Processing Controller Unit，PCU）和信号采集单元（Sub Controller Unit，SCU）都连接在该层。

PCU 处理接收到的数据，执行控制任务，并把处理完毕的过程信息发送到过程控制总线上。作为系统控制器，可以配置成“热冗余”模式，通过专门的光纤实现同步。PCU 通过以太网通信模块与系统环网间进行数据通信。

SCU 主要起到现场数据采集和控制输出的作用，并通过特定模块组成分布式系统。SCU 分布在全船各处，通过现场总线与PCU 进行通信。

EAS 通过一套独立的可编程控制器连接到数据收集和过程处理层，并通过系统总线与操作站服务器进行通信。

3）人机界面（Human Machine Interface，HMI）层

人机界面层用于信息监视、存档和分析，操作单元均连接在该层。该层的主要设备包括工作站（Operator Station，OS）、HMI、报警记录打印机。

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。为了提高系统的稳定性和可靠性，如果操作站的数量大于4 台，工作站可配置成服务器/客户端架构，操作站的运行数据可保存在服务器上。所有客户端从服务器获取数据，这样可有效缓解PCU 的通信量。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）会会将所有的归档数据和测量值并行发送至2 个服务器，客户端（操作站）分布式连接到这2 个服务器上。

在主服务器停机的情况下，客户端能够自动转换到备用服务器上。在主服务器重新启动后，这些客户端能够重新连接回主服务器，主服务器会立即与备用服务器更新所有的信息归档和标签日志归档。

3 系统主要部件

1）OS

操作站是集成监测报警与控制系统和操作员之间的人机交互窗口，操作员可通过操作站对机舱设备进行监测、报警应答和数据分析。1 个操作站最多可配置4 个显示器，每个显示器可显示独立的画面。1 个操作站配置有1 套键盘和轨迹球鼠标。操作站的电脑机箱一般安装在控制台内，显示器通常为液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD），配有船用安装支架，可选择桌面安装或嵌入式安装。供电电源一般为不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）。

2）冗余服务器

为了提高系统的稳定性和可靠性，操作站的运行数据可保存在服务器上。所有客户端从服务器获取数据，这样可有效缓解PCU 的通信量。冗余组通常由2 个并行的服务器组成，PLC 会向这2 个服务器并行发送所有的归档数据和测量值。客户端（操作站）分布式连接到2 个服务器，一对冗余服务器最多可连接32 台操作站。

冗余服务器负责接收来自不同PCU 控制器的数据，每个服务器连接到终端总线和过程总线。

操作站服务器的主要功能包括为操作站提供画面和实际参数、存储数据、将数据和报警信号发送至其他系统。

3）打印机

系统采用激光打印机，所有打印机均设置为网络打印机。

4）PCU

PCU 包含标准化的冗余控制器，冗余控制器的CPU 单元会分开安装在船上不同的防火区域。在发生火灾的情况下，冗余控制器的CPU 单元可实现无缝切换。PCU 通过冗余接口连接到过程总线。

自动化系统采用先进的逻辑处理控制器，可满足可用性、智能化和分布控制的需求。自动化系统可为获取和预处理数据提供一切需要的功能。

5）SCU

SCU 的主要作用是采集输入、输出信号，并将采集到的信号传输至专门的PCU。输出采集模块用于连接传感器和执行器。冗余接口模块专门用来连接冗余控制器。采集模块采用冗余网络连接到对应的PCU 控制器上。

6）网络

本系统具有终端网络和过程控制网络，这2 种网络彼此独立，且均采用光纤电缆。

终端网络主要作用是实现操作站客户端和服务器之间的通信。终端网络基于以太网，由千兆光纤环网组成，设备通过100 Mbit 网线连到网络。终端网络具有防火墙业务接口，用于系统维护和远程访问。

过程控制网络的主要作用是实现PCU 之间以及PCU 和操作站服务器之间的通信。过程控制网络基于以太网，由100 Mbit 光纤环网组成。设备通过100 Mbit 网线连到网络。

输入输出采集模块和冗余PCU 之间采用冗余的Profibus 通信，不同柜子之间采用光纤电缆通信，柜子内部通过RJ45 网络通信。

7）RDS

RDS 可提供一种加密的安装连接，船上的V-SAT 系统可通过卫星通信连接到外部网络，办公室的电脑可通过RDS 连接到船上。RDS 系统在船上配置有一个控制柜，控制柜布置有防火墙和一台工程师站。专家可通过该工程师站对系统进行远程诊断，以便处理紧急的故障[2]。

4 系统功能

1）HMI

HMI 可根据系统配置提供60 余幅模拟图，以显示不同的区域和整个系统的情况。模拟图能为操作员提供重要的设备信息。出于安全考虑，系统会检查操作员输入的数据范围是否合理。

2）消息系统

HMI 可显示事件的记录和控制过程，PCU 根据时间顺序将事件发送至操作站服务器，服务器会将事件按照时间顺序存储到消息归档内，并添加消息类别、类型和文本。消息可在不同的消息列表中显示，操作员可对消息列表进行排序、过滤等操作。

3）历史数据归档

通过1 个高性能长期数据归档服务器实现历史数据归档，这个归档服务器可集成到PCU 中。过程数据和消息可实时集中归档，并能根据系统的性能和特点提供可扩展功能。

4）EAS

EAS 是报警监测系统的扩展，其主要功能是将主报警系统的报警信号延伸到船员房间、公共区域和驾驶室。船舶使用无人机舱模式时，EAS 负责安排和分配值班权限。如果船舶设备出现问题，船舶集成监测报警系统会在第一时间发出警报信号，并通过EAS 将警报信号发至船舶的主要区域，帮助船员尽快发现问题并及时处理船舶安全运行的隐患[3]。

5）其他功能

其他功能主要包括趋势图、报表系统、用户管理、互斥控制、资产管理等。

5 系统设计注意事项

1）由于集成监测报警和控制系统是全船的综合性系统，其与船舶上的众多系统存在电气接口，故在设计前期和设计过程中必须规定好接口位置和类型。

2）输入/输出清单是该系统设计的关键，清单中的相关信息要尽可能准确、全面。

3）集成监测报警和控制系统可通过编程软件来实现船舶中各个系统所需要的功能，为了满足准确性和后期检验的相关要求，需要将各个主要系统的需求作为集成监测报警和控制系统主要的设计依据。

6 结论

随着船舶制造业的日益发展，船舶设备逐渐智能化、网络化、安全化和集成化，集成监测报警和控制系统愈发重要。本文基于某风电服务运营船的集成监测报警和控制系统，介绍了其系统结构、主要部件、系统功能、注意事项等内容。研究成果可为船舶集成监测报警和控制系统设计提供一定参考。