CN111007790B - 船舶损管监控可靠性改善设计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶损管监控可靠性改善设计系统及方法，针对船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站点设置损管显控台，作为分布式架构的管理层；由PLC分布式站点构成现场监控设备，分布于各船舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行相应的指令操作，作为分布式架构的控制层；由各类传感器和执行机构组成，作为分布式架构的数据层。本发明提出一种不增加过多冗余设计的实现高可靠容错的设计方法，使系统能避免意外故障导致损害事故，保障系统安全可靠运行。适用于多舱室、多站点、结构复杂的船舶损管环境，故障时由指定的备用损管显控台接管保证该损管区域的监控功能正常，运行更加安全、可靠。

Description

船舶损管监控可靠性改善设计系统及方法

技术领域

本发明涉及自动控制可靠性设计领域，具体地，涉及一种船舶损管监控可靠性改善设计方法及系统。

背景技术

要保障船舶的安全性、可靠性和生命力，迫切需要建立一套功能齐全、技术先进、设备可靠、响应快速的损管系统来实施损害管制。在船舶上安装损管监控系统已经成为保证相关人员及时掌握全船安全状况的关键。目前，损管监控系统已经逐步发展成为具有可视化、可评估、可决策、可控制、可预测功能的现代智能化系统。大型舰船运用PLC技术构建分布式智能损管监控系统。PLC即可编程逻辑控制器，是一种高效的工业现场控制设备，以可编程的存储器为基础，具有执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数算法操作等面向用户指令的功能，并通过数字或模拟信号的输入和输出控制各类机械的工作状态。尽管PLC在设计制造时已经采取了恶劣的工作条件，受各种因素的影响，如温度过高、湿度过大、振动和冲击过强、电磁干扰严重或安装使用不当、外围电路的抗干扰措施不力等，如果PLC出现故障会直接影响整个控制系统的正常、安全和可靠运行而使整个控制系统的可靠性大大降低，甚至出现灭火剂误施放等严重损管事故。

为提高系统可靠性，通常采取如下手段，例如尽量改善环境条件，满足PLC运行要求，例如使用隔离变压器、滤波器、稳压电源，采用屏蔽措施，以改善电磁环境，但缺点在于不能消除故障可能；或者，选用可靠性较高、能适应复杂运用环境的PLC产品，缺点在于无法避免PLC故障状态下的误动作；或者，采用冗余技术，增加一个或多个同等功能的部件，并通过一定的冗余逻辑使各部件协调同步运行，当某一部件出现故障，可以由冗余部件代替其功能，保证系统正常运转，其缺点在于增加系统的复杂性、成本、空间消耗；或者，注意系统平时的保养和维护工作，及时更换易损耗零部件，合理规范的使用PLC控制系统等方式来降低故障发生率，缺点在于维护保养成本增加；或者，设计故障检测程序提高系统工作可靠性，缺点在于不能减少故障发生。

与本申请相关的现有技术是专利文献CN 204507212U，提供一种调整船舶姿态的自动平衡装置，包括传感器组、数据采集器组、通信网络、控制器组、泵组、遥控阀、监控台，传感器组通过数据采集器组接入通信网络，泵组和遥控阀通过控制器组接入通信网络，数据采集器组、控制器组、监控台通过通信网络实现互联。克服了传统损管监控台装置无法自动进行姿态平衡的不足，通过传感器组和数据采集器组获取船舶当前参数，监控台根据船舶当前参数进行平衡决策，进而通过控制器组实现了压载泵启闭、平衡阀开关、舱室排水泵启闭以及油泵和水泵启闭的自动控制，为船长提供了一个自动化程度较高、平衡速度较快的自动平衡装置，大大提高了船体平衡的速度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种船舶损管监控可靠性改善设计系统及方法。

根据本发明提供的一种船舶损管监控可靠性改善设计系统，采用分布式架构，包括：

损管监控台模块：针对船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站点设置损管显控台，损管显控台与第一PLC控制器通讯，作为分布式架构的管理层；

逻辑控制器模块：由PLC分布式站点构成现场监控设备，分布于各船舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行相应的指令操作，作为分布式架构的控制层，所述PLC分布式站点的第二PLC控制器与第一PCL控制器通讯；

传感器模块：由各类传感器和执行机构组成，作为分布式架构的数据层，传感器采样得到的采样数据传输至第二PLC控制器，第二PLC控制器通过继电器控制执行机构。

优选地，各损管站点的损管显控台组网，实现监控信息交互和信息上传；各损管站点的第一PLC控制器组网，实现监控信息交互。

优选地，所述第一PLC控制器通过本地的数字量输入实现损管显控台操作面板的按钮采集，通过数字量输出实现人机交互控制输出。

优选地，所述损管显控台上设置有损害确认按钮，所述损害确认按钮设置为手动控制，接收到损害报警后，由损害确认按钮进行损害确认之后，再实施有效的设备操控。

优选地，所述损管站点实施互备，两个互备的损管站点的报警监测数据共享，实现主损管站点和备用损管站点。

优选地，所述PLC分布式站点通过数字量输入采集信息，通过数字量输出控制继电器输出有源或无源触点，进而控制执行机构。所述第二PLC控制器与继电器的电源相分离。所述继电器的控制为双线控制，分别控制继电器的线圈两端，继电器线圈正负两端由两个独立的PLC分布式数字量输出单元控制。

优选地，将同一分布式站点机架上的数字量输出中的一个通道作为诊断输出，引入至数字量输入的空闲通道，程序控制所述空闲通道输出周期性的诊断信号，并同时监测，以实现该数字量输出的外部诊断。

根据本发明提供的一种船舶损管监控可靠性改善设计方法，包括：

损管监控台步骤：针对船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站点设置损管显控台，损管显控台与第一PLC控制器通讯，作为分布式架构的管理层；

逻辑控制器步骤：由PLC分布式站点构成现场监控设备，分布于各船舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行相应的指令操作，作为分布式架构的控制层，所述PLC分布式站点的第二PLC控制器与第一PCL控制器通讯；

传感器步骤：由各类传感器和执行机构组成，作为分布式架构的数据层，传感器采样得到的采样数据传输至第二PLC控制器，第二PLC控制器通过继电器控制执行机构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、适用于多舱室、多站点、结构复杂的船舶损管环境，各损管站能够实时监控本区域传感器和消防设备，故障时由指定的备用损管显控台接管保证该损管区域的监控功能正常，使系统运行更加安全、可靠；

2、不增加过多冗余设计，实现高可靠容错，使系统能避免意外故障导致损害事故，保障系统安全可靠运行。

3、针对基于PLC技术构建的分布式智能损管监控系统，提出了一种克服控制器自身软硬件故障防治误动作的实现方法，该方法能够在不增加过多冗余硬件的情况下，减少损害事故隐患，提高系统的可靠性，具有较好的实施效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的基本系统构架示意图。

图2为本发明的原理示意图。

图3为本发明控制分离示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明旨在克服现有技术中的缺点，针对基于传感器、可编程逻辑控制器和损管监控台的船舶损管监控系统，提出一种不增加过多冗余设计的实现高可靠容错的设计方法，使系统能避免意外故障导致损害事故，保障系统安全可靠运行。

为达到上述的目的，本发明采用的技术方案如下：

船舶损管监控是由传感器、可编程逻辑控制器和损管监控台组成的分布式结构系统，逻辑上采用基于管理层、控制层、数据层三层模型的系统架构，其承载的实体分别是损管监控台、现场控制及数据处理设备、各类传感器和执行机构。

针对舰船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站设置损管显控台，作为管理层，主要由上位机和PLC控制器组成。上位机能够以图形化方式显示损管系统的状态，并能够通过PLC控制器将控制指令传送到各个现场设备及数据处理设备实现人机交互。控制层是由PLC分布式站点构成的现场监控设备，分布于各舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行相应的指令操作。数据层包括各类传感器和执行机构。

各损管站上位机组网，实现监控信息交互和信息上传。各损管站PLC控制器组网，实现监控信息交互。

各损管站PLC控制器通过本地的数字量输入模块实现损管显控台操作面板的按钮采集，通过数字量输出模块实现指示灯面板、声光报警等人机交互控制输出。

各损管站PLC控制器通过现场总线监控PLC分布式站点构成的现场监控设备。

损管监控台设置损害确认按钮，实施手动控制必须先经过损害确认再实施设备操控才能有效控制，可避免人为的意外误操作。

损管站具备互备互操功能：两个互备损管站报警监测数据共享，某区域损管站上位机故障情况下损害发生时，经过人工确认，通过事先指定的备用损管站实现对该区损管设备的控制。

PLC分布式站点通过数字量输入模块采集外部设备信息，通过数字量输出模块控制继电器输出有源或无源触点，继而控制外部设备。

对于有源控制，将PLC内部电源与控制执行机构的电源分离，避免外部引入的干扰。

控制外部设备由常规的单线控制改为双线控制，即分别控制继电器线圈两端，继电器线圈正负两端由两个独立的PLC分布式数字量输出模块控制。

如图1所示，船舶损管监控系统在逻辑上采用基于管理层、控制层、数据层三层模型的系统架构，其承载实体分别是损管显控台、现场监控设备、各类传感器和执行机构。管理层的损管显控台上位机能够以图形化方式显示损管系统的状态，并能通过PLC控制器将控制指令传送到各个现场控制设备及数据处理设备实现人机交互。人机交互界面软件提供船舶损管系统主要设备的集中监控和运行管理，通过双冗余以太网交互并上传损管系统相关运行参数、状态及报警等信息，在显示器屏幕上显示并提供损管辅助决策信息。控制层是现场监控设备，分布于各舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行指令相应的操作。数据层包括各类传感器和执行机构。

如图2所示，损管站损管显控台由监控上位机1、数字量输入模块3、数字量输出模块4、电源5、按钮开关6、指示灯板7，PLC主机2组成。其中，电源5为各部分供电，可内嵌于显控台内，也可在损管站内独立设置。PLC主机2可内嵌于显控台内，也可在损管站内独立设置。PLC主机2通过数字量输入模块3采集损管显控台按钮开关6的操控信息，通过数字量输出模块4控制指示灯板7以及其他人机交互的输出设备如声光报警、蜂鸣器等。PLC主机2与布置于现场的PLC从站8通信，实现分布式监控。PLC主机2与监控上位机1通信，交互监控信息，由监控上位机1实现图形化人机交互界面。PLC主机2可扩展连接通信模块，以接入其他监控设备。监控上位机1接入全船平台网络，实现损管站间损管显控台的信息交互和全船信息共享。损管站PLC主机组网，实现损管站间互备互操。损管站B的监控上位机B1出现故障，经人工确认后，由预先定义的损管站A监控上位机实现其监控功能。

现场监控设备由PLC从站8、电源5、数字量输出模块4、数字量输入模块3、模拟量输入模块11、继电器9、14～16组成。PLC从站通过数字量输入模块3、模拟量输入模块11采集探测传感器13状态、报警数据，通过数字量输出模块4控制继电器9、14线圈输出有源或无源触点控制执行机构12。电源5提供PLC从站电源和有源输出电源。

如图3所示，现场监控设备内电源分为控制电源和逻辑电源两个独立互相隔离的电源，PLC使用逻辑电源，有源输出使用控制电源。

如图2、3所示，继电器9用于无源控制输出，继电器14用于有源控制输出。继电器9的线圈正端由数字量输出模块PLC无源控制端控制，继电器14的线圈正端由数字量输出模块PLC有源控制端控制。数字量输出模块输出两路PLC公共端控制1、2控制继电器15、16，用以控制继电器9、14的线圈负端。这样，任何一路有源控制输出m必须在PLC有源控制m和PLC公共控制1或2均有输出的情况下才能有效输出，同样，任何一路无源控制输出n必须在PLC无源控制n和PLC公共控制1或2均有输出的情况下才能有效输出。PLC公共控制1或2由独立的数字量输出模块控制。因此，单一输出模块故障不会造成设备误动作。

在PLC模块自诊断的基础上，设置PLC模块外部诊断功能，将同一分布式站点机架的数字量输出模块其中一个通道作为诊断输出，引入至数字量输入模块的空闲通道，编程控制该通道输出周期性诊断信号，并同时监测，监测输入通道与预期信号不符则判定为模块故障，实现数字量输出模块外部诊断；当诊断故障发生，采用软件隔离控制输出，避免误输出。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，采用分布式架构，包括：

损管监控台模块：针对船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站点设置损管显控台，损管显控台与第一PLC控制器通讯，作为分布式架构的管理层；

逻辑控制器模块：由PLC分布式站点构成现场监控设备，分布于各船舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行相应的指令操作，作为分布式架构的控制层，所述PLC分布式站点的第二PLC控制器与第一PCL控制器通讯；

传感器模块：由各类传感器和执行机构组成，作为分布式架构的数据层，传感器采样得到的采样数据传输至第二PLC控制器，第二PLC控制器通过继电器控制执行机构；

在所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统中，将同一分布式站点机架上的数字量输出单元中的一个通道作为诊断输出，引入至数字量输入单元的空闲通道，程序控制所述空闲通道输出周期性的诊断信号，并同时监测，以实现该数字量输出单元的外部诊断；

第九继电器(9)用于无源控制输出，第十四继电器(14)用于有源控制输出；第九继电器(9)的线圈正端由所述数字量输出单元的PLC无源控制端控制，第十四继电器(14)的线圈正端由所述数字量输出单元的PLC有源控制端控制；数字量输出单元输出第一PLC公共端控制(1)和第二PLC公共端控制(2)控制第十五继电器(15)和第十六继电器(16)，第十五继电器(15)和第十六继电器(16)用以控制第九继电器(9)和第十四继电器(14)的线圈负端；

第一PLC公共端控制(1)和第二PLC公共端控制(2)控制继电器配合所述数字量输出单元提升系统的稳定性。

2.根据权利要求1所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，各损管站点的损管显控台组网，实现监控信息交互和信息上传；各损管站点的第一PLC控制器组网，实现监控信息交互。

3.根据权利要求1所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，所述第一PLC控制器通过本地的数字量输入单元实现损管显控台操作面板的按钮采集，通过数字量输出单元实现人机交互控制输出。

4.根据权利要求1所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，所述损管显控台上设置有损害确认按钮，所述损害确认按钮设置为手动控制，接收到损害报警后，由损害确认按钮进行损害确认之后，再实施有效的设备操控。

5.根据权利要求1所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，所述损管站点实施互备，两个互备的损管站点的报警监测数据共享，实现主损管站点和备用损管站点。

6.根据权利要求1所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，所述PLC分布式站点通过数字量输入单元采集信息，通过数字量输出单元控制继电器输出有源或无源触点，进而控制执行机构。

7.根据权利要求6所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，所述第二PLC控制器与继电器的电源相分离。

8.根据权利要求6所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统，其特征在于，所述继电器的控制为双线控制，分别控制继电器的线圈两端，继电器线圈正负两端由两个独立的PLC分布式数字量输出单元控制。

9.一种船舶损管监控可靠性改善设计方法，其特征在于，包括：

损管监控台步骤：针对船舱室结构划分不同的损管站点，各损管站点设置损管显控台，损管显控台与第一PLC控制器通讯，作为分布式架构的管理层；

逻辑控制器步骤：由PLC分布式站点构成现场监控设备，分布于各船舱室，采集数据信息传送到网络，接受控制指令，执行相应的指令操作，作为分布式架构的控制层，所述PLC分布式站点的第二PLC控制器与第一PCL控制器通讯；

传感器步骤：由各类传感器和执行机构组成，作为分布式架构的数据层，传感器采样得到的采样数据传输至第二PLC控制器，第二PLC控制器通过继电器控制执行机构；

在所述的船舶损管监控可靠性改善设计方法中，将同一分布式站点机架上的数字量输出单元中的一个通道作为诊断输出，引入至数字量输入单元的空闲通道，程序控制所述空闲通道输出周期性的诊断信号，并同时监测，以实现该数字量输出单元的外部诊断；

在所述的船舶损管监控可靠性改善设计系统中，将同一分布式站点机架上的数字量输出单元中的一个通道作为诊断输出，引入至数字量输入单元的空闲通道，程序控制所述空闲通道输出周期性的诊断信号，并同时监测，以实现该数字量输出单元的外部诊断；

第九继电器(9)用于无源控制输出，第十四继电器(14)用于有源控制输出；第九继电器(9)的线圈正端由所述数字量输出单元的PLC无源控制端控制，第十四继电器(14)的线圈正端由所述数字量输出单元的PLC有源控制端控制；数字量输出单元输出第一PLC公共端控制(1)和第二PLC公共端控制(2)控制第十五继电器(15)和第十六继电器(16)，第十五继电器(15)和第十六继电器(16)用以控制第九继电器(9)和第十四继电器(14)的线圈负端；

第一PLC公共端控制(1)和第二PLC公共端控制(2)控制继电器配合所述数字量输出单元提升系统的稳定性。

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