大型复合驱动耙吸挖泥船集成监控系统设计与实现

罗刚，李鹏超，于涛

（中交天津港航勘察设计研究院 工程船舶设计所，天津 300461）

0 引言

耙吸挖泥船是当前疏浚施工领域的重要施工船型。复合驱动是指耙吸挖泥船的柴油机能够同时驱动推进器、轴带发电机和舱内疏浚泥泵，是大型耙吸挖泥船的一种重要动力配置形式。集成监控系统是耙吸挖泥船重要装备之一，也是反映耙吸挖泥船先进程度的重要标志之一。复合驱动耙吸挖泥船集成监控系统的作用就在于能够更好地管理包括复合驱动设备在内的装船设备，让船舶操作人员能够更好地完成各种航行和施工设备的操作，更好地发挥船舶的生产能力，提高船舶的施工效率和安全性。

1 大型复合驱动耙吸挖泥船集成监控系统的功能要求

大型复合驱动耙吸挖泥船全船设备众多，借助于集成监控系统不仅能够实现灵活操控，而且还能够很便捷地实现许多高级功能。然而每一个灵活和便捷的操作，都是依靠集成监控系统各种控制功能来实现的。全船集成监控系统功能较复杂，从功能上划分，主要可分为疏浚控制、功率管理、机舱监测报警等3个主要部分。能否结合复合驱动型耙吸挖泥船的特点和船东个性化的需求，理清以上3个部分的功能构成，对于全船控制系统设计开发的质量高低至关重要，进而直接影响到船舶建成投产后运营效益的好坏和安全性的高低。下面简要介绍以上集成监控系统3个主要组成部分的功能构成。

1.1 疏浚控制

疏浚控制部分主要是指复合驱动耙吸挖泥船疏浚施工部分的监控功能，是对船舶施工作业影响最大的部分。耙吸挖泥船生产施工的主要功能是把海床上的疏浚物（泥土、砂砾或碎石等）通过耙吸管道吸入到泥舱之中，进而进行倾倒、通过管线输往远处或通过艏喷装置喷入其他海域。疏浚控制系统主要功能如下：

1）精确定位控制功能：为实现船舶精确施工定位控制，需要集成监控系统能够在电子海图上实时监测显示船舶及耙头的位置及运动轨迹。船舶的施工通常都是按照事先计划好的施工航线进行施工作业的，集成监控系统还需要有制作施工计划航线功能。

2）耙臂位置与姿态控制及监测显示功能：耙头要能够安全地下放到海床的合适位置和深度，就需要有能够实时显示耙管及耙头位置与姿态的耙臂姿态指示功能。在施工过程中，对其他疏浚必需设备（绞车、吊架、疏浚管路阀门等）的控制，也是疏浚控制部分必须考虑的。

3）疏浚产量与效率监测显示功能：疏浚物的装舱过程是将水和疏浚物混合吸入泥舱内，然后将上层海水通过溢流装置（溢流筒和舷侧溢流门）排出舱外的过程。混合物浓度以及由此折算而来的产量率实时显示，对于疏浚操作者来说十分重要。集成监控系统因此需要能够实现浓度产量效率信息的实时显示。

4）泥泵控制与监测功能：疏浚泥泵是疏浚物水力输送的动力提供者，泥泵的水力输送力量的大小是通过泥泵转速来调节的，对于复合驱动耙吸挖泥船而言，由于柴油机带着轴带发电机，转速可调范围小（85%～100%），因此，泥泵的转速需要通过齿轮箱的不同调速档位来实现调速，泥泵齿轮箱及离合器的控制也是疏浚控制中不可缺少的内容。

5）溢流装置和泥门控制功能：舱内疏浚物的倾倒和随疏浚物进入舱内的海水的溢流，需要控制系统能够实时监控溢流装置的位置和大泥门的操作。在进行抽舱作业时，控制系统还要能够实现对小泥门及引水阀的监控。

6）自主疏浚管理分析功能：疏浚过程的辅助分析功能也是十分必要的，如：疏浚过程各种实时/历史曲线、疏浚过程历史记录回放等，它可以帮助施工操作人员及时调整施工方案，提高船舶施工作业效率。

1.2 电站与功率管理

电站与功率管理系统（PMS）不仅能够实现对船舶重要设备的安全保护，更为重要的作用是能够实现船舶动力资源的合理配置，提高船舶运行的经济性。功率管理的主要功能有：实现电网供电模式的切换；实现电网部分失电后的自动恢复；实现对主要设备的过载保护；大功率负载启动时，自动计算剩余功率，以决定是否允许大功率负载的启动；实现功率分配自动控制功能。

1.3 机舱监测报警

机舱监测报警用于实现所有船舶设备必要的报警信息的提示及运行状态显示[1]。

2 硬件结构

在硬件结构上，集成监控系统由上层管理网和下层控制网两层网络结构组成。上层管理网络是由服务器和客户机组成的以太网；下层控制网络是由西门子PLC组成PROFIBUS网络。以太网的结构简图如图1。

图1 上层以太网结构简图

在上层以太网中，两台实时数据服务器用于采集PLC及其他数据采集模块的数据，并为其它操作站客户端计算机提供数据源。两台实时数据服务器互为热备，当其中一台出现问题时，另一台自动替代并提供数据源。历史服务器用于存储船舶施工运行过程中的历史数据，并能够通过无线3G网络将某些指定的数据信息传送给岸基信息管理中心。疏浚台、航行台和集控台操作站计算机用于船舶操作人员的操作使用，具有较高的操作权限。其他操作站计算机，如船长、轮机长、电机员计算机等，主要用于船舶施工管理，出于设备操作安全考虑，具有较低的操作权限，只提供监视功能，不具备船舶设备操作的功能。为了保证整个网络的数据传输的可靠性，对于距离较远的交换机采用光纤环网[2]进行互联，降低了电磁干扰对网络数据传输的影响。

下层由西门子PLC组成的PROFIBUS控制网络[3]结构示意图如图2。

图2 下层PLC控制网络结构示意图

疏浚控制、功率管理和机舱监测报警分别由3个s7-400 PLC系统构成，各个PLC系统之间通过DP/DPcoupler模块实现相互之间的数据交换。下层PLC控制网络和上层的管理以太网之间通过modbus TCP[4]实现相互通信。PLC网络主要完成设备层的数据采集和控制逻辑。

3 软件实现

集成监控系统上位机软件采用VC++进行程序开发，上位机软件的主要作用是实现操作人员和集成监控系统的人机交互，集成监控系统将全船所监控设备的信息显示给操作人员，操作人员能够将操作指令下达给集成监控系统，从而实现集成监控系统所具有的全部功能。上位机软件监控画面采用图元组态[5]的形式实现，便于软件监控画面根据实际需要进行编辑修改。

上位机软件分为服务器软件和操作站客户端软件，为了能够考虑到程序的调试、使用和维护方便，将服务器和客户端的功能集中到同一个软件中，在实际使用中，根据服务器和客户端IP地址的不同来确定是否使软件充当实时/历史服务器或客户端的作用。启动运行流程如图3。

图3 软件启动运行流程图

其中，历史服务器程序除完成历史数据记录外，还负责将船舶施工数据传送给岸基信息管理中心。

下位机采用西门子的s7-400系列PLC，用step7编写逻辑控制程序，负责实现监控系统的底层逻辑控制功能，如疏浚设备的控制、船舶电网中断路器的合闸/分断控制等等。

4 结语

大型复合驱动耙吸挖泥船集成监控系统几乎涉及了船舶的所有电气相关设备，集成监控系统的功能也较多，限于篇幅，未能将所有功能及实现细节一一阐述。大型复合驱动耙吸挖泥船集成监控系统设计方案已在国内某疏浚公司泥舱容积超过10 000 m3的大型复合驱动耙吸挖泥船上成功实现并投入使用。使用过程中，系统运行稳定，各种设计功能稳定可靠。此设计方案还可为其他疏浚船舶监控系统设计提供借鉴。

[1]林治国，高孝洪.疏浚作业仿真训练器集中监控报警系统的设计与实现[J].船海工程，2009（3）：77-79.

[2]纪云龙.西门子工业以太光纤环网技术在小方坯连铸机上的应用[J].电工技术，2012（7）：53-53.

[3] 丁劲松，李敏.现场总线与电厂全集成自动化[J].电力自动化设备，2004，24（10）：65-68.

[4]SWALESA.Open Modbus/TCP Specification[J].Schneider Electric，1999，29.

[5] 王亚民，陈青，刘畅生，等.组态软件设计与开发[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.