文/ 大連遼南船廠 范殿忠

工程船舶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

文/ 大連遼南船廠 范殿忠

根據(jù)疏浚船舶的實(shí)際工作需要，通過運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理和工程控制理論，開發(fā)了一套由平面定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成的船用挖泥監(jiān)視控制系統(tǒng)，并在“青草沙”“瀏河沙”兩艘絞吸式挖泥船上得到應(yīng)用。

工程船舶；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；挖泥船

一、開發(fā)工程船舶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的必要性

1. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要低耗高效工程船舶

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和沿海開發(fā)步伐的加大，港口建設(shè)、橋梁建設(shè)、石油開發(fā)、灘涂治理、圍海造地等工程需要大量專業(yè)工程船舶的投入使用。在強(qiáng)大的需求拉動(dòng)下，近年來大量工程船舶被投入市場(chǎng)。據(jù)中國(guó)海事局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅渤海灣內(nèi)就有近千艘船舶參與施工建設(shè)。這些船舶，特別是大型挖泥船，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)奇跡的同時(shí)，也消耗了大量的能源，加重了環(huán)境污染。因此，如何有效提高船舶設(shè)備的利用率、完好率，提高船舶的作業(yè)精度、作業(yè)效率，降低環(huán)境污染，降低船舶運(yùn)營(yíng)成本，是我們這些造船人義不容辭的責(zé)任，也是我們占據(jù)造船市場(chǎng)高利潤(rùn)點(diǎn)的需要。

2. 現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為工程船舶的低耗高效提供了技術(shù)基礎(chǔ)

近年來，國(guó)際上一些先進(jìn)的船舶系統(tǒng)公司，如德國(guó)西門子公司、英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司、荷蘭IHC公司等，紛紛將計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器測(cè)量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等應(yīng)用于船舶智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，其生產(chǎn)的船舶系統(tǒng)具有低耗高效的工作性能。這些技術(shù)在給用戶帶來利益的同時(shí)，也給這些國(guó)際公司帶來了豐厚的利潤(rùn)。我們?cè)谙諊?guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也開發(fā)了旨在提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度的工程船舶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程船舶的施工過程控制、平面定位等功能，包含兩部分網(wǎng)絡(luò)：一部分是現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，一部分是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)信息的共享，具體由平面定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)四部分組成。

平面定位系統(tǒng)用于船舶、絞刀頭、定位樁臺(tái)車的平面定位。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)的方式采集上來，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將信息顯示在畫面上，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，分析歷史數(shù)據(jù)。

SCADA系統(tǒng)包含泵機(jī)系統(tǒng)、艙內(nèi)泵系統(tǒng)、疏浚儀器儀表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制。SCADA系統(tǒng)是一套完整的軟件系統(tǒng)，PLC軟件、計(jì)算機(jī)軟件相互聯(lián)動(dòng)、連鎖，實(shí)現(xiàn)可靠的控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng)包含兩個(gè)部分，一部分是基于安全的自動(dòng)停止或啟動(dòng)，一部分是基于提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以完成對(duì)整個(gè)疏浚過程的監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)安全、方便、高效、可靠的過程控制，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

1. 平面定位系統(tǒng)

平面定位系統(tǒng)的主要功能是通過安裝GPS、羅經(jīng)這些設(shè)備，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)軟件接收到當(dāng)前船舶某一點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息和船舶運(yùn)動(dòng)方向信息，然后根據(jù)船體參數(shù)以及設(shè)備安裝位置運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算并顯示出船舶主要部分每天24 h實(shí)時(shí)位置信息。

在實(shí)際應(yīng)用中，船舶的基本位置都是由GPS給出的，精度取決于GPS設(shè)備本身的精度，船舶的運(yùn)動(dòng)方向則主要采取雙GPS計(jì)算航向和電羅經(jīng)測(cè)量航向兩種方式。其中，雙GPS計(jì)算航向這種方式的特點(diǎn)是設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便但精度和穩(wěn)定性稍低，電羅經(jīng)測(cè)量航向的特點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格偏高、維修復(fù)雜，但精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

在系統(tǒng)軟件中，通過輸入設(shè)備安裝位置、船舶外形參數(shù)、引入臺(tái)車行程等信號(hào)，船舶工作人員對(duì)船舶整體位置可以有直觀形象的了解。通過輸入船舶施工背景文件、測(cè)量水深文件以及船舶施工區(qū)域工作線文件的方式，加上GPS轉(zhuǎn)換運(yùn)算，可以在計(jì)算機(jī)上按要求呈現(xiàn)船舶模型，從而保證船舶施工在位置和質(zhì)量上均滿足業(yè)主需要，同時(shí)盡量減少不必要的工作，以節(jié)約資源，提高效率。

2. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要分為信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)、船舶局域網(wǎng)和船舶無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)的主要功能為通過專門的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備，采集船舶設(shè)備變化參數(shù)，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，發(fā)送到船舶網(wǎng)絡(luò)中供服務(wù)器計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)使用。此網(wǎng)絡(luò)非常重要，可以采集系統(tǒng)中大部分模擬量和開關(guān)量。船舶局域網(wǎng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在船舶各個(gè)用戶間的共享。其中包括駕駛臺(tái)可以監(jiān)測(cè)到機(jī)艙設(shè)備數(shù)據(jù)，機(jī)艙可以監(jiān)測(cè)到駕駛臺(tái)儀表數(shù)據(jù)，船舶其他人員（船長(zhǎng)、大副、輪機(jī)長(zhǎng)等）的計(jì)算機(jī)只要連入局域網(wǎng)就可以看到船舶施工的大部分?jǐn)?shù)據(jù)（包括駕駛臺(tái)和機(jī)艙兩個(gè)主要位置）。船舶無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要作用是把船舶現(xiàn)場(chǎng)施工信息通過船舶無線網(wǎng)絡(luò)上傳到船舶所屬公司岸上服務(wù)器，然后由岸上服務(wù)器把船舶的實(shí)時(shí)施工信息發(fā)布到岸上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，供公司相關(guān)管理人員分析、管理、指導(dǎo)船舶施工。同時(shí)，以上所有施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都可以自動(dòng)保存，供分析、回放之用。

3. SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)主要包括鉸刀轉(zhuǎn)速、橋梁下放位置、柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與溫度、水下泵和艙內(nèi)泵壓力與轉(zhuǎn)速等設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)測(cè)和控制。SCADA系統(tǒng)同時(shí)還包括機(jī)艙柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的油溫報(bào)警、水溫報(bào)警等。船舶液壓控制各個(gè)電磁閥狀態(tài)的監(jiān)測(cè)同樣位于SCADA系統(tǒng)之中。SCADA系統(tǒng)主要包括SCADA畫面和AMS主視圖，主要界面如圖2所示。

SCADA系統(tǒng)是一套完整的軟件系統(tǒng)，硬件設(shè)備、硬件傳感器、PLC軟件和計(jì)算機(jī)軟件相互聯(lián)動(dòng)、相互連鎖共同實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶系統(tǒng)的可靠控制。

4. 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：一部分是基于安全的自動(dòng)停止或啟動(dòng)，主要通過PLC邏輯控制與機(jī)器設(shè)備信息的傳輸和反饋來實(shí)現(xiàn)。這種方式主要應(yīng)用于船舶的液壓控制部分、鋼樁控制部分、絞車控制部分等。另一部分是基于提高船舶的安全性、降低能源消耗、提高施工效率、降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度的自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要通過計(jì)算機(jī)軟件、PLC軟件以及相關(guān)船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在此種模式下，船上人員只要在計(jì)算機(jī)軟件中設(shè)置好施工方式以及相關(guān)限定條件，船舶即可按要求自動(dòng)施工作業(yè)。此種方式將大大降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度，使施工過程更加穩(wěn)定，大大降低人為因素造成的產(chǎn)量波動(dòng)問題，提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。此種自動(dòng)控制技術(shù)最為先進(jìn)，是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

三、結(jié)論及建議

通過在交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局新建造的“青草沙” “瀏河沙”兩艘絞吸式挖泥船的實(shí)際應(yīng)用，該工程船舶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅提高了船舶的安全性，降低了船舶單位產(chǎn)量的能源消耗，提高了施工效率，而且降低了船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了船員的安全性，給用戶帶來了經(jīng)濟(jì)效益。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用日臻成熟，國(guó)內(nèi)船舶的計(jì)算機(jī)集成也在不斷提高，這必將促進(jìn)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但目前我們?cè)谙到y(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)傳感器與國(guó)外相比還有一定的差距。傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)，其可靠性直接影響系統(tǒng)的可靠性。建議相關(guān)單位研發(fā)適應(yīng)船舶特殊環(huán)境的傳感器，使船舶的作用精度更高、可靠性更強(qiáng)。通過不同行業(yè)的共同協(xié)作，使系統(tǒng)更加完善，從而在提高船舶的作業(yè)精度、作業(yè)效率，降低環(huán)境污染、船舶運(yùn)營(yíng)成本等方面做得更好。

[1]中華人民共和國(guó)海事局.船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]中華人民共和國(guó)海事局.船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則2006年修改通報(bào)[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]任茂東.航海:用信息技術(shù)掌舵[N].中國(guó)交通報(bào),2001-12-09(4) .

Computer aided system on dredge vessel

FAN Dian-zhong