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摘 要：以DP-3附加标志的5000t起重船自动化系统为研究对象，通过分类统计全船信号采集点，确定集成自动化系统的网络拓扑结构以及设备具体配置。进一步分析其可靠性与安全性，对电站管理系统、DP-3动力定位控制系统以及电力推进控制系统等重要子系统结合DP-3要求进行研究分析，保证自动化各子系统都能安全稳定运行，满足工程作业要求和中国船级社入级规范要求。
关键词：起重船;集成自动化系统;动力定位
中图分类号：U674.35 文献标识码：A
Abstract： Taking the automatic system of the 5 000 t derrick ship with DP-3 notation as the research object， the network topology and equipment configuration of the integrated automatic system are determined by classifying and counting the signal collection points of the whole ship. Further analysis of the reliability and safety are made for the automation system， and the subsystems such as the power management system， DP-3 dynamic positioning system and electric propulsion control system are studied and analyzed as per the DP-3 notation requirement. The safe and stable operation of each subsystem of the automation system are ensured to satisfy the requirement of engineering operation and the rules of China Classification Society.
Key words： Derrick ship; Integrated automatic system; Dynamic positioning
1 引言
受计算机及网络技术的限制，在传统船舶中，各控制系统如推进器、自动电站、阀门、液位测量及机舱辅助等系统等均相互独立[1]。但对于5 000 t起重船来讲，其组成的设备/系统较多，数据传输处理量较大，加之船东对高效管理模式的要求较严，传统的设计理念在应对以上问题时显得捉襟见肘。集成自动化系统设计将打破传统控制系统各自独立的格局，建立综合监控平台，有机地整合各子系统，依托安全可靠的网络管理技术，确保各子系统在相对独立与可靠的同时，实现数据高效传输、共享与处理。
2 集成自动化系统网络结构及组成
2.1 信号采集点分布
信号采集点遍布全船各个处所，对信号采集点的数量、信号类型等进行统筹分析，是选择网络组成的先决条件。通过全船主要机电设备进行分类，对于自动化系统的信号点按系统整理统计，如见表1所列。
2.2 数据采集
该船集成自动化系统（以下简称ICMS系统）中数据采集分为两种形式：硬件通道（含数字量、模拟量、温度量及脉冲量等）;现场总线通讯（含Modbus-RTU、Profibus-DP及NMEA0183通讯等[5]）。
2.2.1现场总线协议
针对ICMS中存在较多的通讯设备和通讯点，采用符合现场设备特点、满足系统采样时间的现场总线协议，可以有效地控制数据流和优化网络。主要有以下三种情况：
Modbus-RTU：发电机组、阀门等系统的通讯设备距离为几十米范围内，采用该通讯协议;
Profibus-DP：电力推进相关的设备和高速通信的PMS等系统，采用该通讯协议;
NMEA0183：航行设备、火灾探测及机舱局部水雾等系统，采用该通讯协议。
2.2.2以太网传输协议
Modbus TCP协议用于传输发电机组、推进装置、电站管理系统、阀门遥控、泵组遥控和辅助设备的实时通讯数据。需要进行三次“握手”方可完成连接，具有较好的稳定性与安全性。
2.3 网络结构
全船的采样点共有8 014点，传统的现场总线作为传输主干网络已经不能满足要求，需采用速率更高的环形以太网。
网络中每个节点首尾相连接并形成闭合回路，其结构相对简单，使用的网间连线也较少;如需对网络改造只需增加设备和较少的连线，维护成本低;通过对环形网络流向加以控制，可以满足系统中任意连线或设备故障不会影响整个网络的运行。
2.4 网络组成
ICMS集船舶控制、监测和报警系统于一体，可以在驾驶室、动力定位控制室和集控室对船舶进行控制与监视。
ICMS系统主要由以下子系统组成：
（1）常規监控报警系统（含火警、压载、阀门遥控、液位测量及其他系统等）;
（2）电站管理系统（PMS）;
（3）电力推进控制系统;
（4）动力定位控制系统。
拓扑结构图，如图1所示。
3 集成自动化系统可靠性分析
3.1 可靠的物理分隔
作为一艘满足DP-3规范要求的船舶，包括自动化系统在内的所有与动力定位相关的设备都需要进行冗余配置，并且设置于不同的A60分割的舱室内，水线以下的舱室还需要进行水密分隔[2]。
（1）该船设置四个独立的机舱，各机舱之间都具有A60及水密分隔，每个机舱内的发电机组、配电板及辅助系统都可独立运行互不影响;驾驶室与DP操作室，分别位于两个独立的A60分割主竖区内;
（2）2台侧推（T1～T2）、4台伸缩推（T3～T6）、2台主推（T7～T8）和主发电机组（G1～G6）的布置，如图2所示;各推进器舱/机舱之间具有防火及水密分隔;一台推进器/发电机组的故障或一个推进器舱/机舱的损失，不会影响其它推进器/发电机组的正常工作;
（3）驾驶室、DP操作室、左集控室和右集控室等处均设有独立的工作站，每台工作站均可不依赖于其它工作站而独立工作;
（4）8台推进器室、4个配电板间（对应4个机舱）、2个首泵舱及仪器间等处均设有独立的现场控制站，确保数据采集源各自独立;任意处所发生故障时，仅该处所内的数据采集受到影响，其余处所的数据采集仍能正常工作。
3.2 冗余的环网配置
在网络通信链路方面，采用千兆以太网环网作为主干网络可以在硬件上实现网络冗余的功能，主干网络中任意设备或者链路出线故障都不影响整个网络的正常运行：使用TurboRing环网冗余协议可以有效地控制数据的流向，并可在故障发生后50 ms内实现数据链路的重新搭建，有效防止因为设备或者链路故障造成的通讯失灵[5]。
在数据处理方面，同时设置两台数据处理服务器，采用热备份的工作方式。正常工作时，主数据服务器接收各数据采集单元的数据并完成数据处理与显示任务;备用服务器则从主服务器接收数据，并实时监测主服务器的工作状态。当主服务器出现故障时，备用服务器将接替主服务器接收各数据采集单元的数据并完成数据处理与显示任务。此种工作方式既保证了系统的可靠性，任意一台服务器的故障均不会影响系统的正常运行，同时最大程度地减少了网络通信负荷，任意时刻仅有一台数据服务器与各数据采集单元之间存在通信任务。
4 集成自动化系统安全性分析
通过配置交换机的功能达到网络管理和网络资源优化是系统的首选，采用网络服务质量来区分系统中数据的重要程度，使用虚拟局域网技术把系统中不同数据分段传输，可有效提高网络的安全性。
4.1 网络服务质量
应对不同设备对服务质量的需求，需根据设备的需求分配与调度资源，以提供不同的服务质量。
ICMS主干网络是千兆的光纤环网，所有数据采集设备、数据处理和存储设备、数据延伸设备的信号传输都需要通过光纤环网，所以对数据的重要性分类是十分必要的。全船的数据主要有：信号采集单元与工控机之间的数据;网关和工控机之间的数据;工控机和工控机之间的数据;工控机和延伸报警单元之间的数据;工控机和外部数据库之间的数据等。
根据IEEE 802.1p定义的优先级，把全船设备数据分为如表2所示的等级，可以有效的规划数据的流向和重要程度。
4.2 虚拟局域网技术
ICMS采用虚拟局域网技术，可以有效分离主要服务和次要服务的网段。系统中PLC、网关、工控机和延伸报警单元作为系统的主要功能和服务采用VLAN1，设置为192.168.3.1网段;系统中外部数据库和远程系统采用VLAN2，设置为192.168.4.1网段。
通过数据帧的ID标示符表明自己所属的逻辑组，把数据传输限制在内部，可以使数据仅在需要的网段上进行传播，大大减少网络中的广播数据，使带宽得到有效的利用，既保证了网络的共享，又保证了各个逻辑组之间的隔离。
5 集成自动化系统主要子系统
5.1 船舶电站管理系统（PMS）
PMS由控制站和分布式I/O组成。
控制站采用双冗余CPU组成，可以控制整船供电系统;配有触摸式人机界面，可以显示系统参数、查询故障以及半自动控制等;双冗余CPU之间、人机界面之间通过以太网进行通讯;控制站与分布式I/O之间采用总线进行数据通讯。
分布式I/O用于采集机组及电网参数、接收控制站的指令并发送给相应的机组等。数据处理及控制逻辑由控制中心的控制站控制实现。
5.2 DP3动力定位控制系统
DP-3附加标志的船舶要求设置动力定位备用控制站，该控制站与主控制站之间应达到A-60级的物理分隔要求，在紧急情况下操作人员应能十分方便地从主控制站到达备用控制站[2]。DP3动力定位控制系统主要设备配置，见表3。
5.3 电力推进控制系统
DP-3附加标志的船舶要求在有冗余的推进器布置中，任意一个推进器发生故障后仍应有足够的横向和纵向推力以及控制首向的转向力矩[3];推进器系统的故障，不应造成推进器螺距、方位、速度的不可控操作[4]。电力推进控制系统主要设备配置，见表4。
6 结语
该船作为超大型起重船，通过采用环形网络的集成自动化技术，确保子系统安全稳定运行，满足DP-3附加标志的要求，减轻船员工作强度，有利于船员管理，满足了工程作业要求。这种设计模式可为同类型船舶设计提供参考。
参考文献
[1] 中国船舶工业集团公司等. 船舶设计实用手册.电气分册[M]. 北京：国防工业出版社，2013.
[2] 中国船级社. 钢制海船入级规范（2012）[S].
[3] ABS. GUIDE FOR DYNAMIC POSITION SYSTEM（2013）[S].
[4] IMO. GUIDELINES FOR VESSELS WITH DYNAMIC POSITIONING SYSTEM[S]. 1994.
[5] 林葉锦. 轮机自动化[M]. 大连：大海海事大学出版社，2009.