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摘 要：本文以广州文冲船厂有限责任公司建造的10288 m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”轮的集成控制系统的计算机网络系统为例，详细介绍了作为集成控制系统平台的网络系统，指出了集成控制系统对实时性要求高的解决措施。
关键词：IHDCS（自航耙吸挖泥船集成控制系统）；计算机网络系统；网络结构；数据结构；系统硬件
中图分类号：U665.2 文献标识码：A
1 概述
文冲船厂为中交广州航道局建造的10288m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”轮，是公司继“浚海1”、“浚海2”之后，为广州航道局建造的第3艘性能优越的万方级自航耙吸挖泥船。该船总长131.3m，型宽25.4m，型深9.8m，设计吃水8.35m，舱容约10288m3。主要用于珠江口、国内外沿海类似工况条件的航道疏浚工程以及沿海港口及海岸维护工程。
随着计算机网络技术和PLC技术的进一步发展，促进了挖泥船控制系统结构和控制方式的调整，形成以网络为平台的集成控制系统。“浚海5”轮的IHDCS（Integrated Hopper dredger Control System-自航耙吸挖泥船集成控制系统），就是基于网络平台的控制系统。该IHDCS系统由计算机网络系统、驾驶室PLC控制系统、疏浚PLC控制系统、PMS系统、PCS系统、泥泵控制系统、SCADA系统、DTPS系统、计算机辅助决策系统等组成。AMS（Alarm and Monitoring System-机舱报警系统）为IHDCS的一个子系统，AMS系统所采集的数据，通过网络数据库与SCADA系统共享。
计算机网络系统作为IHDCS的纽带，通过光缆或网络电缆连接各个分系统，同时为SCADA系统提供载体。
2 计算机及网络系统
2.1 网络结构
随着自航耙吸挖泥船控制要求的提高，单台PLC运算速度及资源已不能满足控制要求。而受到网络速度的约束，功能强大的计算机也无法投入到实时性要求高的控制系统中。
为了解决这个问题，采取了相应的技术措施。
1）设置了底层和顶层两个环形网络。采用两个完全独立的环网，除了增强系统的独立、安全、可靠性外，也对网络负荷进行了分流；
2）对网络上设备的属性进行了统一划分。顶层网络连接的设备为信号刷新速率较低的设备（如：潮位遥报仪、DGPS、电罗经、雷达等）、响应速度要求较低的指令设备（如：HMI人机界面工作站、历史数据分析工作站等）。底层网络连接各台功能各异的控制PLC。
3）上下两层网络通过高性能的服务器进行数据桥接。
全船网络系统，主干网络采用具有冗余功能的环形光纤网络，分支采用屏蔽5类双绞线，网络交换机系统为10/100Mb以太网，其中包括：两个具有冗余功能的环形光纤网络，一个自动化延伸管理网络和一个办公自动化网。
光纤环网为整个控制系统提供了稳定可靠的数据链接；管理网络提供了船舶管理系统的工作平台，并与控制系统联结；办公网提供船上办公自动化功能及与岸上通讯的远程数据传输能力。
控制网络与管理网络、办公自动化网络通过防火墙进行隔离，划分在不同的网段，在提高船舶管理自动化水平的同时，保障了控制网络的安全。
本船配置了网络化的CCTV视频摄像系统，因此单独设置了一套视频网络。
2.2 数据结构
本系统是一个基于数据库控制的系统，如图1所示。系统数据结构采用开放式的结构，可综合全船的控制系统，并通过OPC SERV.进行数据交换。可采集与控制的系统包括：液压疏浚系统PLC、疏浚仪器仪表信号、泥泵控制PLC、钢丝绳测量系统PLC、AMS机舱报警系统等。通过数据库，使全船的传感器对上层完全透明，上层对底层的执行机构也完全可控。
系统配置了3台服务器，均通过两个以太网接口，与上下两个环网连接。
PLC数据通过网络接口进入数据服务器，并通过接口程序采集进实时数据库；服务器通过接口程序将实时数据库数据经环网向全船工作站提供数据。PLC网络接口可与任何种类PLC进行通讯。
工作站发出的指令，通过网络写入服务器实时数据库，数据服务器经网络将实时数据库内容通过接口程序向PLC提供数据。
全船在同一个时间周期内，实时数据库是唯一的，因而保证了所有工作站、PLC所面对的对象状态是唯一的。本系统实时数据库刷新周期为0.5s，實时数据库每刷新一次，就将数据存储于历史数据库。因此，本系统可通过历史查询的方式，查询历史操作。
3台服务器中，2台为互为热冗余备用的数据服务器，1台兼历史数据服务器。当1台数据服务器出现故障时，另1台备用服务器自动投入，以保证不间断地向全船的工作站及PLC系统提供实时数据的采集与分配。在任何一个时刻，只有一台服务器向工作站及PLC发送指令，以保证数据的唯一。历史服务器专门用于存储船舶的各种数据，并为其他非实时工作站软件提供分析数据与处理报表。
系统所有工作站，均通过服务器获取或发送数据。每台工作站均为标准的通用型计算机，通过不同的应用软件的切换以完成不同的工作。
系统中，需要快速反应的现场控制数据，由各自不同的PLC-CPU在底层单独完成。PLC与PLC之间的协调，不经由服务器。系统的安全连锁功能，不经由服务器、工作站处理，但这些数据均能反映在服务器的数据库内，并可通过工作站进行显示。
2.3 系统硬件
1）服务器
系统配置了3台服务器，互为冗余备用，其中1台服务器兼历史数据服务器。分别安装在：驾驶室19’机柜1台；PC-ROOM 2台。服务器型号均为HP惠普G4服务器。
2）工作站（HMI）
① 6台SCADA工作站，分别安装在：疏浚控制台3台；航行控制台1台；PC房1台；机舱集控室1台。
② 2台DTPS疏浚轨迹工作站，分别安装在：疏浚控制台1台；航行控制台1台。
③ 1台A3彩色绘图仪，安装在驾驶室。
④ 1台A4黑白激光打印机，安装在PC房。
⑤ 5台位于不同舱室的多用途工作站：船长室——1台；轮机长——1台；疏浚长室——1台；电机员室——1台；会议室——1台。
3 结束语
随着网络技术的不断发展，船舶自动化程度将越来越高，综合控制范围也越来越广，大大减轻了船员的劳动强度，提高了船舶的安全性。因此，应在新船型研发时大力推广网络技术，使船舶的智能化程度越来越高。
关键词：IHDCS（自航耙吸挖泥船集成控制系统）；计算机网络系统；网络结构；数据结构；系统硬件
中图分类号：U665.2 文献标识码：A
1 概述
文冲船厂为中交广州航道局建造的10288m3自航耙吸式挖泥船“浚海5”轮，是公司继“浚海1”、“浚海2”之后，为广州航道局建造的第3艘性能优越的万方级自航耙吸挖泥船。该船总长131.3m，型宽25.4m，型深9.8m，设计吃水8.35m，舱容约10288m3。主要用于珠江口、国内外沿海类似工况条件的航道疏浚工程以及沿海港口及海岸维护工程。
随着计算机网络技术和PLC技术的进一步发展，促进了挖泥船控制系统结构和控制方式的调整，形成以网络为平台的集成控制系统。“浚海5”轮的IHDCS（Integrated Hopper dredger Control System-自航耙吸挖泥船集成控制系统），就是基于网络平台的控制系统。该IHDCS系统由计算机网络系统、驾驶室PLC控制系统、疏浚PLC控制系统、PMS系统、PCS系统、泥泵控制系统、SCADA系统、DTPS系统、计算机辅助决策系统等组成。AMS（Alarm and Monitoring System-机舱报警系统）为IHDCS的一个子系统，AMS系统所采集的数据，通过网络数据库与SCADA系统共享。
计算机网络系统作为IHDCS的纽带，通过光缆或网络电缆连接各个分系统，同时为SCADA系统提供载体。
2 计算机及网络系统
2.1 网络结构
随着自航耙吸挖泥船控制要求的提高，单台PLC运算速度及资源已不能满足控制要求。而受到网络速度的约束，功能强大的计算机也无法投入到实时性要求高的控制系统中。
为了解决这个问题，采取了相应的技术措施。
1）设置了底层和顶层两个环形网络。采用两个完全独立的环网，除了增强系统的独立、安全、可靠性外，也对网络负荷进行了分流；
2）对网络上设备的属性进行了统一划分。顶层网络连接的设备为信号刷新速率较低的设备（如：潮位遥报仪、DGPS、电罗经、雷达等）、响应速度要求较低的指令设备（如：HMI人机界面工作站、历史数据分析工作站等）。底层网络连接各台功能各异的控制PLC。
3）上下两层网络通过高性能的服务器进行数据桥接。
全船网络系统，主干网络采用具有冗余功能的环形光纤网络，分支采用屏蔽5类双绞线，网络交换机系统为10/100Mb以太网，其中包括：两个具有冗余功能的环形光纤网络，一个自动化延伸管理网络和一个办公自动化网。
光纤环网为整个控制系统提供了稳定可靠的数据链接；管理网络提供了船舶管理系统的工作平台，并与控制系统联结；办公网提供船上办公自动化功能及与岸上通讯的远程数据传输能力。
控制网络与管理网络、办公自动化网络通过防火墙进行隔离，划分在不同的网段，在提高船舶管理自动化水平的同时，保障了控制网络的安全。
本船配置了网络化的CCTV视频摄像系统，因此单独设置了一套视频网络。
2.2 数据结构
本系统是一个基于数据库控制的系统，如图1所示。系统数据结构采用开放式的结构，可综合全船的控制系统，并通过OPC SERV.进行数据交换。可采集与控制的系统包括：液压疏浚系统PLC、疏浚仪器仪表信号、泥泵控制PLC、钢丝绳测量系统PLC、AMS机舱报警系统等。通过数据库，使全船的传感器对上层完全透明，上层对底层的执行机构也完全可控。
系统配置了3台服务器，均通过两个以太网接口，与上下两个环网连接。
PLC数据通过网络接口进入数据服务器，并通过接口程序采集进实时数据库；服务器通过接口程序将实时数据库数据经环网向全船工作站提供数据。PLC网络接口可与任何种类PLC进行通讯。
工作站发出的指令，通过网络写入服务器实时数据库，数据服务器经网络将实时数据库内容通过接口程序向PLC提供数据。
全船在同一个时间周期内，实时数据库是唯一的，因而保证了所有工作站、PLC所面对的对象状态是唯一的。本系统实时数据库刷新周期为0.5s，實时数据库每刷新一次，就将数据存储于历史数据库。因此，本系统可通过历史查询的方式，查询历史操作。
3台服务器中，2台为互为热冗余备用的数据服务器，1台兼历史数据服务器。当1台数据服务器出现故障时，另1台备用服务器自动投入，以保证不间断地向全船的工作站及PLC系统提供实时数据的采集与分配。在任何一个时刻，只有一台服务器向工作站及PLC发送指令，以保证数据的唯一。历史服务器专门用于存储船舶的各种数据，并为其他非实时工作站软件提供分析数据与处理报表。
系统所有工作站，均通过服务器获取或发送数据。每台工作站均为标准的通用型计算机，通过不同的应用软件的切换以完成不同的工作。
系统中，需要快速反应的现场控制数据，由各自不同的PLC-CPU在底层单独完成。PLC与PLC之间的协调，不经由服务器。系统的安全连锁功能，不经由服务器、工作站处理，但这些数据均能反映在服务器的数据库内，并可通过工作站进行显示。
2.3 系统硬件
1）服务器
系统配置了3台服务器，互为冗余备用，其中1台服务器兼历史数据服务器。分别安装在：驾驶室19’机柜1台；PC-ROOM 2台。服务器型号均为HP惠普G4服务器。
2）工作站（HMI）
① 6台SCADA工作站，分别安装在：疏浚控制台3台；航行控制台1台；PC房1台；机舱集控室1台。
② 2台DTPS疏浚轨迹工作站，分别安装在：疏浚控制台1台；航行控制台1台。
③ 1台A3彩色绘图仪，安装在驾驶室。
④ 1台A4黑白激光打印机，安装在PC房。
⑤ 5台位于不同舱室的多用途工作站：船长室——1台；轮机长——1台；疏浚长室——1台；电机员室——1台；会议室——1台。
3 结束语
随着网络技术的不断发展，船舶自动化程度将越来越高，综合控制范围也越来越广，大大减轻了船员的劳动强度，提高了船舶的安全性。因此，应在新船型研发时大力推广网络技术，使船舶的智能化程度越来越高。