船舶高可靠性控制系统设计原则与应用

Ａ ｔＮ ｔ Ｐ Ｃ）可编程 监控平 台。该 平台兼顾 高性 能，在 军船 与民船设备 中得到普遍应用 ，并在工业控制中 ｕｏ ｅ （ Ｃ
也得到应用 ，为控制系统学科 的发展提供 了 理论依据 ，可供控制系统设计研 究人 员参考。
关
键
词 ：高可靠控制系统、 脱机控制、 Ｔ Ｅ Ｎ数据库现场总线、 Ｃ Ｐ Ｃ可编程控制器、 ｕ Ｎ ｔ Ａ ｔ ｅ信息平台、 ｏ
５卷 ３
第 ２期（ 总第 ２ ０ ） ０期
中
国
造
船
、 １ ３ Ｎｏ２ （ ｅ ｉ１ ． ０ ， ０ ５ ． Ｓ ｒａ Ｎｏ ２ ０）
Ｊ ｎ．２ ２ ｕ Ｏ１
２１ ０ ２年 ６ 月
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ Ｄ Ｉ Ｌ ＮＧ ＯＦ Ｈ Ｉ Ａ Ｃ Ｎ
文 章编 号 ： １０ —８２ （０ ２ ２０ ６ —８ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ ．１２０
一
代 的万 能 Ｐ Ｃ无法 使用 。 Ｌ 因此 ， 新一 种逻 辑表 格并用 数 据库 号填 表 的新语 言是新 一代 Ｐ Ｃ必 需 的 ， 创 Ｌ
（ ）现代 化控 制要 求使 用 Ｐ Ｃ能方 便组 成 Ｄ ４ Ｌ ＣＳ全面 监控 平 台系统 ，其 信息 高速 、大 容量 、数据
并被 称为“ 辑表 式语 言” 逻 。
国 际上 广泛 应用 的 Ｐ Ｃ可编 程控 制器 就 是“ 机 控制” 计 的典范 ，Ｐ Ｃ用微 机进 行二 次编程 后 就 Ｌ 脱 设 Ｌ 实施 独立 工作 ，复杂 的 自动控 制也 不 依赖 微机 ；当系 统微机 故 障或 微 机关 机 时，整 个 自动控 制 系统 仍 有 条 不紊地 正 常工作 ，微 机只 起监 视 、指挥 、管 理作 用 ， 自动 控制 达 到高可 靠性 。 市场上 西 门子及 施耐 德等 的 Ｐ Ｃ设计 得较 早 ， 尚存 在功 能 不足和 一些 缺 点 ： Ｌ （ ）现有 的 Ｐ Ｃ一般 只 用于 开关 量逻 辑控 制 ，因而 在现代 工 业控 制 中需要 的各种 模拟 量 Ｐ Ｃ逻 １ Ｌ Ｌ 辑 控制 及采 集传 感器 Ｐ Ｃ逻 辑控 制 中无法 使用 ；因此 ，根据 需要 将其 扩展 成全 功能 的万 能 Ｐ Ｃ十 分 必 Ｌ Ｌ 要 。 由于现 有 的 Ｐ Ｃ传 感器 输入 及控 制输 出的 Ｉ 品种繁 多 ，使得 Ｐ Ｃ使 用与 管理 十分 复杂 ； 因此 ， Ｌ ／ Ｏ Ｌ
３ ２个
图 ２ 一竿子插 到底 的系统结构
６ ０ ４０ ０个数据 库足 以满 足超 大型航 母或 超复 杂船 舶系统 的信 息容量 要求 ，用户 只要 把 ６ ０ 数 ４００个
据库分配给所有 的设备信息点，通讯全 自 动免编程，平台所有节点共享数据库，整个系统就能可靠地
正 常工 作 。
１ “ ． 不死机 ” ３ 设计
将 Ｐ Ｃ的端 子设计 成万 能输 入输 出、将 Ｉ 转变 成一 个 品种 ，也是 十分 必要 的 。 Ｌ ／ Ｏ
（ ）现 有 Ｐ Ｃ 利用 通讯 来 组合 系统 ， 既慢 又不 方便 ；进 入 二十一 世 纪 以来 ，随着 网络信 息技 术 ２ Ｌ 的 高速发 展 、数据库 为基 础 的信 息平 台 的建立 ，传统 的 Ｐ Ｃ无法 适应 新技 术发 展 的需要 ， 因此 必须 要 Ｌ
时扩 展 了模 拟量 Ｐ Ｃ逻 辑控 制及 采集 传感 器 Ｐ Ｃ逻辑 控制 ， 为万 能可 编程 控制器 ； 创 制 了全 功 能 Ｌ Ｌ 成 还
二 次 编程 语 言 （ 辑 表式 语言 ） 逻 ，信 息高速 、大容 量 、数据 库 化 ， 网络 数 据库 共享 ；成 为 高可 靠“ 脱机 控 制” 的万 能控 制 、指 挥与 管理 一体 化 的 Ａ ｔＮｅ监 控平 台。按“ ｕｏ ｔ 脱机 控 制” 原则 设计 的单 网络 结构及 Ｉ Ｐ
’
工 业现场 尤 其是舰 船现 场有 强大 的 电磁 干扰 及 电磁 冲击 ， 选用 Ｅ Ｎ 及 Ｐ Ｃ硬件 Ｃ Ｕ 能抗 ２ ０ Ｔ Ｃ Ｐ ０ ０Ｖ ０ 静 电干 扰 ，采取 有 效 的措 施 能抗 强大 的 电磁 干 扰与 冲击 ；但 是 ，实 际上还会 出现 超 强大 的 电磁冲击 ，
监控指挥管理一体 化
中图分 类号 ：Ｕ ６． ６５ ３ １
文献 标识码 ：Ａ
０ 引 言
高可 靠控 制 系统尤 其是船 舶控 制系 统 ，其 高 可靠性 设计 是一 项关键 技术 。高 可靠性 与 高性 能 比较 ， 高可 靠性 更为 重要 ；本文 总结 了作者 ３ ０年 控制 系统 的设计 经验 并结 合先进 科技 ，提 出控制 系统 高可靠 设计 的 四项基 本原 则 ： （ ）微 机 由于硬 盘及其 他 结构 的因素 ，其 可靠 性 比 电子模 块低 得 多；因此 ，高 可靠控 制系 统 的中 １
库 化 ， 网络 数据 库共 享 ； 同时 ，实时数 据库 能方 便地 嵌入 Ｓ ＱＬ等 大型 关系 数据库 及各 种组 态软 件 中，
能高速 、高可靠 地 实现控 制 、指挥 与管 理一 体化 。 创 新设 计 的 Ｐ Ｃ可 编程 控制 器全 面继 承 了传统 Ｐ Ｃ的功 能 ，采用 新型 Ｅ Ｎ 数据库 现场 总线 ，同 Ｃ Ｌ Ｔ
（ ）研 制 成功 Ｅ Ｎ 以太 网分 布数 据库 式现场 总线 技术 并完成 接 口芯片 的研 制 。 １ Ｔ
（ ）开发 成功 新一代 的万 能 Ｐ Ｃ控制器 及其 “ 辑表 式编 程语 言” ２ Ｌ 逻 。 （ ）Ｐ Ｃ一次 软件 的“ 死机 ” ３ Ｌ 不 高稳 定结构试 验 ，实现 用户 二次 编程永 不死 机 。 （ ）高可 靠冗 余硬 软件 结构设 计及 双 以太 网冗 余控 制及 闭路器 的研 制 。 ４
地址 分层 的系 统如 图 １ 示 。 所 １ 信 Ｅ Ｎ 数 据库 现场 总线 ，每 个单 片机 及微 机节 点均 具有 Ｅ Ｎ２ ０ Ｔ Ｔ ００接 口芯 片 （ 微机 用 网卡与 软 件 取 代芯 片 ） ，与 Ｃ Ｎ 现场 总 线 的接 口芯片 ＳＡ１０ 当 ，但 Ｅ Ｎ 比 Ｃ Ｎ 性 能 高得 多 ；Ｃ Ａ Ｊ ００相 Ｔ Ａ ＡＮ 是 国外 的知 识产权 ，接 口芯 片 ＳＡＩ０ Ｊ Ｏ０系外 国制造 ，受外 国人 控制 ；Ｅ Ｎ２ ０ 中 国知 识产 权 ，采用 ０１ ｎ Ｔ ０ ０是 ．８ ｌ ｕ
求 Ｐ Ｃ网络 化及 数据库 共 享 。 Ｌ
（ ）功 能扩展 后 ，必须 创制 能使 全功 能编 程简 便 的二 次编程 语 言 ；现 有 的 Ｐ Ｃ编程 语 言是“ 型 ３ Ｌ 梯 图” ，虽 然后 期也 有“ 电子 表格 ” ，但 只能用 于 开关量 逻辑 ，同时编 程方 法也 繁琐 、不容 易 学 ，且 对于 新
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第 ２ 期 （ 第 ２０期 ） 总 ０
徐绍 衡 ： 船舶 高可靠 性 控制 系统 设计 原则 与应用
任 何硬 件均 无法 抗住 ，造成 软件 混乱 而“ 死机 ” ，这是 经常会 碰 到 的；为此 ，Ｅ Ｎ及 Ｐ Ｃ软件 设计 必须 Ｔ Ｃ 采 取 措施 ，绝对 杜绝 此类 情况 的发生 ，使 整 个系 统成 为“ 死机 ” 不 设计 ，高可靠 控 制系 统 尤其 是舰船 控 制 系 统绝不 容许 出现 “ 机’ 死 ’ 。
下层 设计 尽可 能不 用微机 （ 即：采 用所 谓“ 脱机控 制” 的可靠方 法 ） ；必要 用微机 时 ，微机 必须 冗余 。 （ ）传 感器信 号须 要直达 控制 、指 挥 、管理机 ，中途尽 可能 没有转 换环 节 ；转 换 是不可 靠 因素 ， ２
设置 管理 网关 等信 号卡 关也 是不可 靠 因素 ，信 息传 递必 须无“ 瓶颈 ” ，采用 所谓 “ 号直 达” 信 的可 靠方 法 。 （ ）高 可靠控 制 系统 必须承 受 比规范要 求 更强 的干扰 冲击 ，一般 硬件 是靠 不住 的 ，需要 软件 能实 ３ 现 自动恢 复 ，绝不 死机 （ 即：采用 所谓 ：“ 不死 机” 的可 靠方 法 ） 。 （ ）冗 余设 计是 高可靠 控制 系统 的必要 方法 ，例 如 ：“ ４ 网络 闭环 ” 双套 互 为备 用” （ ：采用 、“ 等 即 所 谓“ 有备 无 虑” 的可 靠方法 ） 。 上述 四项 基本 原则 涉及 硬件 结构 、软 件及 现场 总线 三个 方面 的技 术 。作者 采用 理论 与 实践相 结 合 的研 究路 线 ，结合 船舶 设备 的高可靠 需求 及上 述 四项 基本 原则 ，设计 出一套船 舶 实 时监控 信息 平 台及 其 全 套监控 设 备 ，经 十 多年 的应 用一 改进 ． 应用 … …， 已经 取得 了如下 研 究成果 ： 再
中转 直达 设计 ” 的方法 ；平 台 的一些节 点及 微机 发生损 坏 ，也不会 影 响控制 的可靠 性 ，设备 即插 即用 ，
这就 是 Ｅ Ｎ 的高可靠 性 能 。分布 数据 库“ Ｔ 信号 无 中转直 达设计” 的结构 如 图 ２所示 。在 图 ２中 ，用 网络 分布 数据 库淘 汰常 规通 讯与集 中服 务器 ，用协 议 使所有 节 点 ＲＡＭ 同步 相等 的时 间小于 ｌ 。 ｍｓ
１ 可靠性设计关键 技术
Ｅ Ｎ 数据 库 现场 总线 、Ｐ Ｃ可编 程监控 及 Ａ ｔＮｅ 实时信 息平 台设 计 的 目标 是应用 于 高可靠 要求 Ｔ Ｃ ｕｏ ｔ 的控 制场合 ；因此 ，设计 必须 符合 上述 四个 基本 原 则 ，其 设计 思想 与方 法 陈述如 下 。
１１ “ ． 脱机 控制 ” 计 设
收 稿 日期 ：２ １－８１；修 改稿 收稿 日期 ：２ １．５０ ０ １０—７ ０ ２０—８
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第 ２期 （ 第 ２０ ） 总 ０期
徐绍 衡 ： 船舶 高可 靠性 控制 系统 设计 原则 与应 用
（ ）控制 、指 挥及 管理 一体 化驱 动联接 软 件 的研 制 。 ５ 这 一系 列 的成果 不但 验证 了高可靠 控制 系统 四个 设计 原则 的正 确性 ， 还研 制成 功 了 Ａｕｏ ｔＰ Ｃ） ｔＮｅ（Ｃ 万 能 Ｐ Ｃ监控 信 息平 台及全 套船 舶 自动化 设备 （ Ｌ 包括 ：船 舶主 辅机 及 电站 的信息 采集及 控 制系 统 、安 全 监控 系统 、单设 备 Ｐ Ｃ 自动控 制 系统 、ＤＣ Ｌ Ｓ系统 、模 拟指 示板 及仪 表板 驱动 系统 、各 种控 制集 成系 统等 ） 系统 的应用 定名 为 Ｅ Ｎ 数据 库现 场 总线 、Ｐ Ｃ万 能可 编程控 制 器及 Ａ ｔ ｔ 时信 息平 台 。 ，该 Ｔ Ｃ ｕｏ 实 Ｎｅ
船舶 高 可靠 性控 制 系统 设 计 原 则 与应 用
徐 绍 衡
（ 江苏省舰船与海洋 自动化工程研 究中心，常熟 ２ ５０ ） １５ ０
摘
要
高可靠控制系统尤其是船舶控制系统 ，其可靠性设计是 关键技术 。作者 总结 了 ３ ０年控 制系统 的设计经
验并结合先进科技 ， 出了控制系统高可靠设计 的四个基本原则 ，并 以此设计成功 Ｅ Ｎ 数据库 现场 总线及 提 Ｔ
可靠 工艺制 造 ，不 受外 国控制 ，更 适合 于船 舶使 用 。
中
国
造
船
学术 论文
控 制 中心
指 挥 中 心
管 理 中心
图 ｌ 脱机控制 的单 网络 Ｉ Ｐ分层 ＤＣ Ｓ系统
Ｅ Ｎ 原理 使平 台所有 节 点 内的分布数 据库 Ｒ Ｍ 储存 器在 ｌ Ｔ Ａ ｍｓ内同步一 致相等 ， 不再 需要通 讯 （ 单 片机 节 点 Ｒ Ｍ 容量 为 ２ ０ 个 数据 库 ，微机节 点 内有 ２ ０ ３ Ｖ ＡＮ 区 ＝ ４ ０ Ａ ０ ０ ０Ｘ ２ Ｌ ０ ６ ０个数据 库 Ｒ Ｍ 容 ０ Ａ 量） ，所有 下层 监控 节 点、 中层 微机 节 点、上层 管 理微机 节 点均 可 以用密码 权 限与 Ｉ 地址 接收控 制平 Ｐ 台所 有节 点 的信 息 ，信 息没有 “ 颈” 转换 ，传感器 信 号直达控 制机 、指 挥机 、管理机 ，所 谓“ 号无 瓶 及 信