基于PLC通讯网络的绞吸式挖泥船集成监视与控制系统

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  摘要:本文以广州文冲船厂有限责任公司建造3 500 m3/h绞吸式挖泥船“新海豚”号的疏浚集成监视与控制系统为例,详细地介绍绞吸式挖泥船控制系统,指出了需要进一步研究和改进的问题。
  关键词:DISCS(疏浚集成与控制系统);SCADA(数据采集与传输系统);AMS(机舱监测与报警系统); DTPS(疏浚轨迹显示系统)
  
  Integrated Supervisory and Control System based on PLC Communication Network for Cutter Suction Dredger
  LONG Honggang,LIANG Chaoyu
  (Guangzhou Wenchong Shipyard CO., Ltd. Guangzhou 510527)
  Abstract: This paper presents the integrated supervisory and control system for dredgerswith the example of 3 500 m3 cutter suction dredge "Xin Hai Tun" built by Guangzhou Wenchong Shipyard and indicates some items to be further researched and improved.
  Key words: DISCS( Dredger Integrated Supervisory and Control System);SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition);AMS(Alarm and Monitoring System);DTPS(Dredge Track Presentation System)
  1引言
  挖泥船的自动控制系统是计算机网络技术、PLC技术、现场总线技术和工业以太网技术的综合应用系统,随着这些技术的进一步深入发展,促进了挖泥船自动控制系统结构和控制方式的变革,逐步形成了以网络为集成平台的新型控制系统,文冲船厂3 500 m3/h绞吸挖泥船的集成监视和控制系统是这种新型控制系统实际应用的典型范例。
  
  2 绞吸式挖泥船集成监视与控制系统的构成
  “新海豚”号绞吸式挖泥船的集成监视与控制技术涵盖了电气、轮机、液压、机械等不同专业学科技术,综合了对配电系统、挖泥机械、疏浚仪器仪表、辅助机械等多领域设备的监控、管理和控制。从功能上分本监视和控制系统大致可分为DTPS系统、SCADA系统、AMS系统等三个子系统。三个子系统分别由各自的数据采集模块和控制设备构成相对独立的子系统,再以以太网为依托,通过网络和Profibus总线传递信息,协调工作,达到监视各类施工设备,手动或自动控制疏浚过程以及采集信号输出报警等功能。现分别对这三个系统进行简单介绍。
  2.1DTPS系统(疏浚轨迹与剖面显示系统)
  DTPS系统用于船舶疏浚施工过程的精确定位和疏浚轨迹显示,为疏浚作业人员提供船舶在等深电子地图或DTM(数字地形模型)电子地图上的船位实时更新,显示船舶的平面位置、水深背景、航道设计文件、实时断面等信息,也能记录所有相关数据并且能远距离实时显示同样的水利疏浚数据和图像,主页面如图1所示。借助DTPS 的功能,作业人员可以在设计要求的水深和实际水深之间进行比较并给予相应的操纵控制。
  DTPS系统需获取的采集信息如下:
  ·船舶位置信息
  ·船舶动态信息
  ·回声测深仪信息
  ·潮位仪信息
  ·绞刀位置信息
  ·船舶平均吃水数据
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图1疏浚轨迹与剖面显示系统主页面
  2.2SCADA系统
  SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition的英文缩写,从字面上理解SCADA不是完整的控制系统,而是位于控制设备之上,侧重于操作、显示、管理的纯软件。SCADA所连接的控制设备通常是PLC,也可以是智能表,板卡等。本船,所连接的是PLC1-PLC10,所连接的介质为光缆。
  本船SCADA系统分为两个层面,即客户/服务器体系结构(C/S结构)。服务器与现场硬件设备(PLC)通信,进行数据处理和运算。而客户(通常是工作站,如:SCADA工作站)用于人机交互,如:用文字、动画显示现场的状态,并可以对现场的开关、阀门及其他设备进行操作。在一个系统中可以只有一个服务器,也可以有多个,客户也可以一个或多个。本船设置两个互为冗余备用的服务器,及8个客户端工作站。
  SCADA由很多子系统组成,每个子系统完成特定的功能,如:液压系统控制、闸阀控制、蝶阀控制、泥泵机组监控、电站系统监视、故障诊断等。系统由一个或多个服务器负责数据采集、数据处理(如:量程转换、滤波、报警检查、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本等),服务器间可以相互通讯。
  SCADA系统主要用于采集和监测疏浚、液压设备的工作情况,并对疏浚、液压设备进行控制。新海豚疏浚操作总览页面如图2所示。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图2新海豚疏浚操作总览页面
  疏浚操作总览页面提供了施工过程中较为常用的一些数据。例如:绞刀深度、转速、水下泵转速与排压、甲板泵转速与排压,流速、浓度等。
  左侧的绞刀深度曲线显示了1小时的深度变化趋势。
  左侧的浓度、流速表曲线显示了10分钟内的浓度与流速变化趋势。
  绞刀头将随着绞刀深度和横移距离的变化在图中实时显示出来。
  横移距离和横移角度标尺会随着相关数据的变化而填充不同的刻度值。
  2.3AMS系统(机舱报警监测系统)
  机舱报警监测系统是计算机网络系统的一部分,但独立成体系,提供整船的设备安全报警和设备状态监测。本船的AMS系统提供泵机、发电机、液压泵站和机舱辅助设备的状态监测和安全报警(AMS系统主页面如图3所示)。AMS完成对泵机、发电机、液压泵站、机舱辅助设备的状态信号进行采集、处理、传输、报警、显示、必要的安全保护处理功能,同时AMS系统将信号要送至上述船舶与疏浚控制系统。
  2.3.1报警系统具备功能
  彩色模拟图形显示
  ·彩色柱状图形显示
  ·模拟指针仪表式显示
  ·常规参数列表显示
  ·船厂自定义列表显示
  ·重要报警实时弹出
  ·实时报警列表
  ·报警速显窗口,自动实时显示出现和报警内容
  ·参数走势图
  ·当天及历史记录。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图3新海豚AMS系统主页面
  2.3.2AMS系统打印功能
  打印用户自定义列表内容
  选择列表打印
  当天报警及历史报警存档内容打印。
  
  3 系统的网络结构
  新海豚绞吸式挖泥船的集成监视与控制系统以以太网和现场总线为系统的网络核心,构成一种混合控制网络结构,见图4所示。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图4新海豚系统网络结构图
  3. 1系统的结构
  该系统有4层结构,由上到下分为:
  ·上位机及控制台(计算机、软件、DCC、ECC)
  ·工业以太网络(网线、光纤及交换机)
  ·PLC现场总线(PLC模块,现场控制箱等)
  ·现场传感器与执行器(压力、温度变送器及继电器等)。
  系统的连接采用三种连接方式,包含:工业以太网、现场总线、硬连线。工业以太网连接本船所有系统及设备,构成局域控制网络;现场总线网连接现场级设备,构成带有独立安全保护功能的完善子系统;第三方设备及重要设备安全控制信号可采用硬联线方式进行信号传递。
  系统设置多套PLC(1套PLC有1个CPU)同时进行工作,各套PLC的CPU之间的相互通讯既可以通过工业以太网络,也能通过现场总线,这样的双网络设置更加提高了系统的可靠性。同时为减少各子系统之间的数据量,新海豚集成控制系的各子系统相对独立,并对相对重要的子系统做适当冗余设计,从而在确保系统稳定性的基础上,更保证了系统数据交换的实时性和准确性。
  为了确保整个网络系统的安全性,新海豚计算机网络系统设计了系统自诊断功能,能自动检测和显示网络的状态及故障信息。
  3. 2系统结构数据传输特点
  新海豚绞吸式挖泥船的集成监视与控制系统采用以太网为核心,其特点是: 系统的通讯建立在以太网、TCP/ IP和现场总线的混合通讯协议之上,通过网关实现计算机系统和现场仪表、设备的互联和操作。当计算机向现场仪器仪表、设备发送信息的时候,它首先基于以太网和TCP/ IP 协议将信息发送给相应的网关,然后由网关根据现场总线协议发送给相应的现场仪表、设备。反过来,当现场仪表、设备有信息发送给计算机的时候, 需要由网关代理, 通过以太网和TCP/ IP 协议发送给相应的计算机。同时,由于以太网和互联网能够方便的实现互联,系统还支持通过互联网络进行远程访问。
  
  4系统的硬件组成
  硬件包括上位机、光纤环网、PLC、控制台及附属按钮仪表、传感器,这些设备构成了整个自动控制的信息系统。整体而言,信息系统分为三个层次:光纤环网、PLC现场总线、传感器信号通路。光纤环网接入的设备包括所有的上位机、PLC的主站,是整个信息系统的骨干网;PLC现场Profibus总线用于连接PLC主站和PLC从站,PLC从站放置在现场,通过各类I/O模块就近采集传感器信号,提高通信质量的同时减少布线;传感器信号原则上全部采用4-20 mA电流环信号,对于第三方设备和精度要求较高的设备,则根据要求采用其它信号格式或进行适当转换。
  4. 1PLC系统
  PLC系统由多个主站和从站组成,采用西门子S7-300系列PLC,PLC主站之间通过光纤环网进行通信,为保证系统在上位机故障情况下正常运转,PLC之间关键信息的通信由PLC的通信功能模块完成,不经过上位机中转。
  PLC系统采用分散采集集中控制的模式,设置多个现场从站,现场传感器型号直接接入从站的I/O模块,从站采集信号后与各自的主站通过Profibus总线联系,主站集中控制。
  4.1.1驾驶室PLC
  驾驶室PLC安装在DCC疏浚控制台,其主要功能是为本船的自动控制功能提供控制算法运算,运算结果通过工业以太网与疏浚PLC通讯,实现对疏浚设备的有效控制。
  4.1.2疏浚PLC系统
  疏浚PLC系统采用分布式结构,主站设置在机舱集控台内,设置若干分布式从站,主站与从站之间采用Profibus-DP现场总线,从站具体分布如下:
  1)左疏浚控制台PDCC从站
  左疏浚控制台PDCC上与疏浚有关的控制装置、按钮和指示灯等均与PDCC从站PLC I/O模块相连接。
  2)右疏浚控制台SDCC从站
  右疏浚控制台SDCC上与疏浚有关的控制装置、按钮和指示灯等均与SDCC从站PLC I/O模块相连接。
  3)首部分布从站
  首部从站PLC I/O模块连接疏浚仪器仪表、传感器、相关液压电磁阀等。
  4)泵机分布式从站
  水下泵-电轴装置-柴油发电机组、舱内泥泵-齿轮箱-柴油机系统的信号,接入泵机分布式从站。
  5)液压系统分布式从站
  液压系统分布式从站完成对液压泵-齿轮箱-柴油机系统以及应急液压系统的信号采集及相关电磁阀驱动。
  6)尾分布式从站
  尾部从站PLC I/O模块连接疏浚仪器仪表、传感器、相关液压电磁阀等。
  4.1.3机舱报警系统AMS
  机舱报警系统PLC采用分布式结构,主站设置在MSB旁的PLC控制中心机柜,设置若干分布式从站,主站与从站之间采用Profibus-DP现场总线。AMS PLC的CPU通过以太网与两台AMS工作站进行数据通讯。
  从站具体分布如下:
  ① 首部AMS从站② 左舷机舱AMS从站
  ③ 右舷机舱AMS从站④ 尾部AMS从站。
  各分布式从站就近采集各机舱设备的报警信息,并将相应的报警状态传输给AMS主站,在主站的计算机上动态的显示各报警点实时状况。AMS系统的采集信息可提供给SCADA系统使用,其系统间的通讯由以太网完成。
  4. 2网络系统
  4.2.1 以太网络的选择
  以太网络采用10M/ 100M 或千兆高速工业以太网,符合IEEE802. 3 标准, 执行TCP/ IP 协议。本船的通讯介质有同轴电缆、双绞线和光缆等三种,其中连接桥楼、机舱和泵舱的冗余环网采用光缆。
  4.2.2交换机的选择
  工业以太网交换机ED6008系列是专为工业应用而设计的,它具有高性能的交换机技术,冗余的环网性能,并且能够汇报动态状态,同时ED6008系列有8个支持10/ 100BaseT (X) ( RJ245)或100BaseFX(光纤) 的以太网交换端口, 并且当有以太网设备和ED6008 连接的时候,他的自诊断特性和自动MDI/MDIX 功能可以消除兼容性问题,因此本船的网络系统采用ED6008作为整个系统的交换机。
  4.2.3现场总线网络
  现场总线网络中,网关和各个采集/ 控制模块之间采用现场Profibus总线进行通讯,通讯速度最高可达1.25M。根据挖泥船的特点要求,现场总线网络结构采用总线星形结构,网关冗余配置,确保了系统的可靠性。采集/ 控制模块使用双绞线进行连接,数据采集/ 控制终端在现场信号附近就地安装,在提高系统抗干扰能力,同时大大节省了信号电缆的使用,减少了安装使用成本,也方便了系统的运行维护工作。
  
  5结束语
  PLC已经在船舶控制领域得到广泛的运用,随着网络技术的不断提高和发展,船舶的PLC控制能力和控制范围也在不断扩大。大力推广船舶PLC网络技术,必将加快我国船舶自动化、智能化的发展步伐。
  
  参考文献
  [1]挖泥船现场监视系统设计[J]. 交通与计算机,1997
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  [3]绞吸挖泥船疏浚仿真训练器系统设计简述[J].船舶,2004
  [4]网络技术在船舶控制系统中的应用[J].船电技术, 2005(3)
  [5]“新海豚”号绞吸式挖泥船挖泥控制系统功能规格书[R]. 2010
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