大型船舶电力监控系统层次化设计

徐 钧，蒋子峰

●（1．海装上海局，上海 201913；2．中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

大型船舶电力监控系统层次化设计

徐 钧1，蒋子峰2

●（1．海装上海局，上海 201913；2．中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

针对大型船舶提出一种层次化的电力监控系统方案。该方案采用分布式采集和集中式控制相结合的方法，突出了人机交互的友好性；在保证监控系统正常工作的前提下，考虑关键设备的冗余性，从而进一步提高了监控系统的安全性和可靠性。

船舶电力系统；监控系统；层次化

0 引言

随着船舶自动化程度的不断提高，船舶电力系统也由传统的单一电站发展成由多个电站多个配电区域组成的综合电力系统。在这种新型的综合电力系统中，首先，由于船舶电力设备的增多，并且分布于船内各个部位，电力监控系统无法采用传统的集中采集控制策略，船舶电力监控系统需要采用一种全新的，能够统筹管理各个供配电设备的模式；其次，现代船舶对数字化程度要求提高，船员对电力设备的操作不仅局限于设备本身，通过友好的交互方式对电力设备的远程遥控操作和管理成为现代船舶监控系统需要研究的重要课题；最后，电力系统对监控系统中不同类型的设备有着不同的侧重点要求，对监控设备的分层设计也是适应总体电力系统的要求。鉴于此，本文针对现代大型船舶电力监控系统的需求，提出了一种层次化的电力监控系统设计方案，采用分布式采集，再通过网络传输后集中控制的策略来统筹管理大型船舶电力系统。

1 分层设计的依据

船舶电力监控系统的功能主要包括数据采集、控制决策、故障报警保护、综合图形化显示、记录保存打印以及船员综合培训、学习系统等高级管理功能。整套监控系统涉及的设备种类多，功能类型杂，对于不同设备，监控系统对其要求的侧重点也不同。比如，对于完成数据采集的设备，监控系统要求其采集精度高，设备稳定性、可靠性强；对于完成控制决策，综合保护的装置，由于是整个监控系统的控制核心，一旦出现故障可引起整个监控系统的瘫痪，所以，一方面要求控制程序制定的严密性；另一方面，监控系统应该制定冗余性方案，防止由于设备意外故障而引起不良后果；对于集中显示和记录保存的设备，因为其直接面向于人员，监控系统要求其设计更趋向于人机界面的友好性，操作界面的简易性以及日常使用的可维护性。在明确电力监控设备的核心功能后，对其进行分层设计开发，不仅可进一步突出设备的关键作用，也是优化监控系统结构，促进专业性研发的趋势所在。

2 监控系统的分层设计方案

按照电力监控系统的功能以及对监控设备功能侧重点的不同，把监控系统设备分为3个层次：现场采集层、区域控制层和综合管理层。不同层次的设备完成对应的功能，层次间设备通过通讯网络进行互联，保证数据交互的通畅。层次化监控系统网络图如图1所示。

图1 层次化的监控系统

2.1 现场采集层

现场状态参数是整个监控系统能够正常运转的基础，无论是监控数据的显示还是综合决策的判断执行都源于这些数据。现场采集层设备负责完成现场状态参数的采集。由于这是整个监控系统的基石，要求现场采集设备的采集精度高，可靠性强，能长期稳定的获取电站参数信息。在设备选型上应立足于智能化、标准化、小型化和网络化的方向，选择性能稳定可靠的成熟产品。

2.2 区域控制层

区域控制层主要负责电站监控系统的控制策略的制定，是电站控制系统的中枢大脑。区域控制层设备一方面获取现场采集层采集到的数据信息，通过控制策略的决策，产生控制指令；另一方面，转发现场采集层数据至上层平台网。由于是整个监控系统的决策核心，区域控制层设备要求控制逻辑严密，并能提供硬件设备的冗余备份，防止由于设备故障引起的自动控制瘫痪。

2.3 综合管理层

综合管理层主要以友好的人机界面的形式完成船员对电力系统各设备的远程交互，是电力监控系统和人员进行交互的纽带。综合管理层设备可通过高速以太网下达控制指令，完成电力设备的集中远程操作；另外，通过现代高级数据库技术存储电力设备的数据记录信息，船员可通过数据调用的方式查看电力设备的历史运行情况，有利于电力设备的快速故障定位；再次，通过网络传输，综合管理层设备可获取电力系统的数据信息，通过高级软件技术的支持，该层设备能以友好的图形化界面形式实时显示电力系统的各种参数，方便船员在固定的站位了解整个电力系统的运行情况。

2.4 各层的互联

现场采集层设备将采集到信息发送至一条贯通电力监控系统底层的CAN双网，由于CAN总线的传输距离的限制，每个供配电区域之间需要通过CAN中继器进行连接来保证CAN数据和指令的传输。现场采集层和区域控制层设备如机组控制器、智能IO装置、配电控制器、区域管理器、数据通讯站都挂载在此CAN网上，从而保证电力监控系统数据和指令的共享。

综合管理层设备均通过高速以太网相互连接，设计采用冗余的高速交换式工业以太网，通过若干个交换机组成环网。电力集控台、电力备用集控台、区域监控台、区域管理器和数据通讯站都通过交换机接入上层高速以太网。高速以太网和实时CAN网通过区域控制层数据通讯站进行互联，完成上下层设备数据信息和指令信息的交互。

2.5 各层的信息传输

电力监控系统的信息传输可分为数据流和指令流两类。数据信息和指令信息是相辅相成的，数据信息是指令产生的依据，控制指令会导致数据信息的变化。电力监控系统的设计中，考虑到指令信息与数据信息在响应速度以及控制决策上的要求的不同，采用数据流与指令流相分离的设计方法。图2与图3为该方案中的数据流图和指令流图。

图2 层次化的数据流图

图3 层次化的指令流图

3 设计方案分析

3.1 实时性与可靠性

针对数据信息与指令信息响应时间的不同，处理方式的不同，现场采集层采用专用数据采集装置处理数据信息，并结合专用控制操作系统处理指令信息的设计方案来保证底层监控系统的实时性和可靠性。

机组控制器作为控制网络的最后执行设备，要求实时性强，对指令的响应速度快。对机组控制器软件程序执行的环境采用实时操作系统VxWorks，该操作系统采用多任务调度机制，能很好安排控制程序的执行顺序，并具有很强的实时性，保证控制网络的最终执行性能。

智能IO装置汇集采集到的数据信息，并上传至CAN网。由于电子技术的发展，此类专用采集设备的可靠性得到保障，并且智能IO装置内不具有控制逻辑，只处理数据信息，这在一定程度上可保证信息采集的稳定性。

3.2 冗余性

设备的冗余性是指在系统中某个设备出现故障不能完成该设备的功能时，存在另外的设备能够备用完成故障设备的功能。依据电力监控系统设计的原则，重要控制部位应有冗余备用并可灵活替代，提高系统生命力。

区域控制层设备作为层次化设计的中枢神经，制定核心决策，完成整个供配电区域的控制策略，并转发下层数据信息至上层以太网，起到承上启下的作用。分层监控方案对该层数据通讯站和区域管理器设置了冗余备份，适应系统的要求。

区域管理器的冗余性主要体现在：当某区域的区域管理器出现故障无法工作时，其余区域的区域管理器在数据流上，可以通过相互连接的下层CAN网或上层以太网获取故障区域数据信息；在指令流上，区域监控台的人工指令可以通过相互连接的以太网传输至其余区域的备用区域管理上进行接收，而备用区域管理器的转发指令可以通过相互连接的下层CAN网传输到达相关控制执行器进行接收。另外，由于备用区域管理器能够获取故障区域的数据信息，故可进行决策分析，自行产生控制指令，通过相互连接的 CAN网传输至相关控制执行器进行接收。

数据通讯站的冗余性主要体现在：当某区域的数据通讯站出现故障无法工作时，由于不同区域的数据通讯站下在下层CAN网还是上层以太网均相互连接，只要保证有一个区域的数据通讯站正常工作面且上下层网络通讯正常，均可以实现下层CAN网和上层以太网的数据共享。

3.3 友好性

人机界面的友好性是指操作人员与被控设备之间的交互简易、界面美观清晰、易于操作人员的长期维护。对于和船员直接交互的综合管理层设备，其设计目标应更趋向于加强人机交互的友好性。

对于综合管理层设备电力集控台和区域监控台，以操控台形式安放于船体内专门部位，每个操作按钮和旋钮都有清晰印字，显示部位为大屏幕LCD，安装Windows系列操作系统，方便船员操作使用。操作系统中按要求安装电力集控台或区域监控台软件，软件的设计以友好性和交互性为基础，船员只需简单阅读操作说明，经数次操作后就可对系统进行使用。

4 结束语

随我国造船事业的蒸蒸日上，大型船舶电力监控系统将得到广泛应用。本文提出的电力监控系统方案对监控设备根据功能侧重点进行分层设计，并对每层设备的功能特点进行分析，验证了方案实施的可行性。后续的主要任务将是：对不同层次硬件设备的选型，对控制程序与图形化界面的设计进行更深入研究。

[1]刘志声. 谈系统分层[EB/OL]. http: //blog. csdn.net/ liuzhisheng/ archive/2007/12/18/1950121.aspx.

[2]孔祥营, 柏桂枝. 嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado[M]. 北京：中国电力出版社, 2002.

[3]黄忠秀. 船舶运输控制系统[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.

[4]邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计[M]. 北京:航空航天大学出版社, 2002.

Laying Design of Large Ship Power Monitoring System

XU Jun1, JIANG Zi-feng2
(1. Naval Armaments Department of Shanghai, Shanghai 201913, China; 2. No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

A scheme of power monitoring system in a hierarchy for large ship is proposed. Combining the distributed data acquisition and centralized control, the friendly human-computer interaction is emphasized. In the premise of ensuring the normal work of the monitoring system, the system takes full account for the redundancy of key equipment for further improving the safety and reliability of the monitoring system.

electric power system of ship; monitoring system; laying

TU85

A

徐钧（1963-），男，高级工程师。研究方向：机电管理及控制方面。