概述
中国的复杂船级现场环境领域，历来都是外资产品垄断的市场。在国家政策的大力扶持下，依托了深厚的技术积累，经过了不断地创新和努力，新航智拥有了国内首家自主研发并成功应用的船舶动力双重安全智能控制系统，弥补国内自动化控制产品在船用领域的空白，填补国内在高振动、高盐雾、强电磁的复杂环境下船用设备自动化控制领域下的空白，实现民族自主知识产品化。
新航智的船舶动力双重安全智能控制系统，是一种新型的船用设备自动化可编程智能控制系统, 满足船用控制设备监测和管理分析对可编程逻辑和分布式控制结合体的需求。整个系统将发动机控制与安全保护分成两个密切关联又相互独立的两大部分，发动机控制部分的主要功能包括：数据收集和预报警、调速控制、发动机控制和操作面板。而整个系统的安全部分采用IEC61508的设计思想，使整个安全相关的系统满足安全等级SIL3。新航智的船舶动力双重安全智能控制系统，采用工业级的材料和军工要求的工艺,满足各种复杂的船用控制设备的工作现场环境,达到防盐雾、防火、防腐蚀的要求。
为了满足现场对安全等级的要求,本系统采用双重安全的模式:
- 专门为控制系统设计了一套辅助安全系统,该系统完成符合《IEC61508电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》设计要求，安全等级满足SIL 3。
- 采用安全相关的信号和处理使用独立的系统,保证安全信号和普通信号完成分离，以确保系统的安全可靠性。
新航智的船舶动力双重安全智能控制系统，拥有创新的技术和标准化的产品，能够达到降低成本、能耗和资源等差异优势，为船用发动机应用的性能提高和技术能力提升都起到积极作用。
关键技术及优势
功能安全与双重安全
符合IEC61508设计要求，安全等级满足SIL 3，增加了整个系统的安全可靠性。同时把系统的普通信号和安全信号隔离独立处理。这是国内首家将双重安全技术应用于船用发动机系统的控制, 保证了系统运行的平安和稳定。
稳定多线程控制调度程序
控制器上运行VxWorks操作系统有成熟的开发和调试环境，能够实现强实时性、支持多任务并行、而且体积非常小。其下运行的调度程序,可以同时实现与IOBUS通信、监控Profibus主站、与以太网通信以及运行安全辅助系统等多个任务,满足实时性和稳定性的要求。
自主产权的智能I/O端子
自主开发的ARM核智能I/O端子,满足不同现场信号的采集与控制,实现稳定的运行和高效的数据采集。其控制系统大部分,从组态软件到I/O端子,从硬件研发到软件开发,都具有自主知识产权。
良好的兼容性便于拓展的软硬件技术
Profibus总线技术不依赖厂家的开放式现场总线标准,方便与不同厂家的设备进行通信。Profibus DP开发工作主要是基于FPGA技术开发支持Profibus协议的软硬件产品,提高了数据的传输速率,便于以后的扩展。
快速运动控制，且稳定可靠安全
运行在不同于PLC的CPU芯片之上,由特殊的I/O端子进行数据采集,经过辅助安全系统的复杂逻辑运算后再由PLC输出,该系统与PLC系统相对独立。将PLC的快速运动控制和DCS稳定、可靠和安全的优点相结合,可以适合工业自动化现场的绝大部分的工程应用。
降低工程难度和复杂度
OPC DA等标准接口，可以使用不同的监控软件跟流程工业智能控制系统相连。Profibus通讯网络和环形串行通讯网络的完美结合，消除了IO总线的通讯瓶颈，增强了数据交互的实时性。控制器系统的组态软件符合IEC61131-3的5种编程语言。这些，都大大降低用户使用监控信息系统的难度和复杂度，缓解了资源消耗，提高工程的运行效率， 减少了现场工程人员的培训力度，
系统结构
新航智的船舶动力双重安全智能控制系统主要技术具有国产化的自主知识产权，涉及自动控制、计算机技术、信息科学、仪器仪表、通讯科学等多个科学领域，历经理论知识的研究、产品开发研制、系统的设计和成套、现场试验及工程实施等多个阶段。系统总体结构图如下:
系统主要采用的技术如下:
- 控制器,具有DCS系统的DPU功能,实现对现场信号的采集和控制功能,同时具备各种DCS的冗余功能。
- 控制器与各子系统采用Profibus DP通讯网络,实现系统的分散性,具有总线存取协议的技术和配置灵活的特点。
- 组态软件编程语言完全符合IEC61131-3的5种编程语言,支持离线、在线编程,增量下载,离线、在线仿真等,支持中断、定时、系统和默认四种类型任务。
- 安全系统符合《IEC61508电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》设计要求，安全等级满足SIL 3，增加了整个系统的安全可靠性。
- 系统可用于大中小型系统,每个控制器最大规模超过2000个I/O点,控制周期最快可达到5ms。
- 提供开放的OPC UA/DA/HA等标准接口,可以满足不同工程和用户对监控信息系统特殊要求。通过OPC Server的OPC接口,可以把整个流程工业控制系统和监控信息系统无缝连接。
- 辅助安全系统,运行在不同于PLC的芯片之上,由特殊的I/O端子进行数据采集,经过辅助安全系统的复杂运算后再由PLC输出,该系统与PLC系统相对独立。
解决方案
根据项目研发的内容及各项技术的原理,控制系统的结构图如下:
其中:
- 各I/O端子之间采用环形串行通讯网络interBus,使得访问32个I/O端子小于2ms;
- IOBUS卡实现了快速通信功能,与控制器通过PCI总线连接,通过interBus网络,实现5ms的控制周期,完成对运动控制的实现;
- Profibus主站,与控制器通过PCI总线连接,实现了Profibus DP的主站功能;
- Profibus从站,实现对远程I/O端子的管理和Profibus DP从站的功能等;
- I/O端子,采用ARM核CPU的智能端子,完成对现场信号的采集和控制,为实现船用设备控制的要求。