密闭环境模拟试验舱综合监控系统设计_阳世荣.pdf

总第341期1引言水下作业平台内部的舱室空间相对狭小，设备数量较多，人员也相对密集，当其处于水下作业状态时，舱室内部环境为密闭空间，设备运行、材料挥发释放、管路泄漏乃至人体新陈代谢均会直接影响舱内环境，舱内环境变化将对人员的生理心理产生直接影响，甚至可能危及人身安全14。另外，舱内空气的温度与湿度也直接影响人体的生理健康、工作效率以及设备性能和可靠性57。因此，密闭舱室内的大气环境有一定的特殊性，有必要专门研究其特性及控制措施。密闭环境模拟试验舱能够模拟水下作业平台内部的大气环境，为深入、全面地研究密闭舱室内的环境特性、安全边界条件、应急处置措施等提供了试验与验证平台。本文涉及的密闭环境模拟试验舱由I舱和II舱两个模拟舱、综合监控系统、供气系统、通风空调系统、灭火系统、应急保障系统等组成。为尽可能真实地模拟水下作业平台内部大气环境和实施全过程监测，试验舱内设置了大量的气体浓度、温湿度、压力、流量等传感器，其中，I舱容积较大，设置了上下两层，用于模拟机舱环境，I舱的各传感器布置比较分散；II舱容积较小用于模拟居住舱环境，II舱内的传感器布置较为集中。另外，舱内与舱外管路系统上还设置了为数众多的调节阀、电磁阀、电动蝶阀等执行机构。通过控制供气系统向模拟试验舱加入不同成收稿日期：2022年5月15日，修回日期：2022年6月19日作者简介：阳世荣，男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统自动化。密闭环境模拟试验舱综合监控系统设计阳世荣（中国舰船研究设计中心武汉430064）摘要介绍了一种密闭环境模拟试验舱综合监控系统技术方案，能够监控试验舱及其配套管路系统，从而模拟水下作业平台内部舱室的大气环境开展有关试验和验证研究工作。综合监控系统采用分层分布式架构，应用DeviceNet总线、分布式IO及OPC技术，能够满足监控的分布式与实时性要求，并具有良好的兼容性和可扩展性。重点说明了其系统架构、设备技术方案及软件程序流程，展望了其应用前景。关键词密闭舱室大气环境；综合监控系统；DeviceNet总线；分布式IO；OPC中图分类号TP29DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2022.11.023Design of Integrated Monitoring System for Closed EnvironmentSimulation Test CabinYANG Shirong（China Ship Development and Design Center，Wuhan430064）AbstractA technical scheme of integrated monitoring system for closed environment simulation test cabin is introduced.Itcan monitor the test cabin and its supporting pipeline system，so as to simulate the atmospheric environment of the cabin inside theunderwater operation platform and carry out relevant tests and verification research.The integrated monitoring system adopts a layered and distributed architecture.The application of DeviceNet bus，distributed IO and OPC technology can meet the distributedand real-time requirements of monitoring，and has good compatibility and scalability.This paper focuses on the system architecture，equipment technical scheme and software program workflow，and looks forward to its application prospect.Key Wordsatmospheric environment of closed cabin，integrated monitoring system，DeviceNet bus，distributed IO，OPCClass NumberTP29舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 341 期2022 年第 11 期Vol.42 No.11100舰 船 电 子 工 程2022 年第 11 期分气体，并实时调整各类气体的成分占比以及温湿度、压力等，就能够模拟密闭环境下的大气环境，开展相关试验与验证研究工作。因此，综合监控系统是环境模拟及试验过程的控制中心，其主要功能包括环境模拟、成分测量、通风与空调控制、应急保障控制等，综合监控系统的集控台实时显示并记录整个模拟、试验过程中的全部环境参数及操作信息，为密闭舱室大气环境特性研究提供数据支持。为了保证环境模拟、过程测量以及控制措施的实时性和准确性，要求综合监控系统必须满足分布式和实时性的要求。本文介绍了一种基于DeviceNet总线和OPC技术的综合监控系统，通过设置分布式IO从站和高速数据交互网络从而实现分布式实时监控，能够满足密闭环境模拟试验舱的试验过程监控需求。重点说明了其系统架构、设备技术方案、软件程序流程等设计内容，并展望了其应用前景。2综合监控系统架构如前文所述，由于密闭环境模拟试验舱设置有数量众多的传感器和执行器，且分散布置于环境模拟舱内部和舱外管路系统中，因此综合监控系统采用分层分布式的系统架构，自下而上分为设备层、网络层和信息层三个层级。其中，设备层应用了分布式IO技术和现场总线技术，能够适应监控对象分散布置的应用场合；针对监控对象相对集中的场合，则采用现场集中监控技术；设备层主要实现现场信息采集和控制执行器动作，能够将测量信息发送给网络层，并接受网络层转发的指令。网络层应用了工业以太网技术，确保信息传输的实时性快速性，是设备层与信息层之间的数据传输通道。信息层设置两台集控台，用于集中显示、操作控制，并进行数据分析、处理及存储；两台集控台相互备份，提高了信息层综合监控的可靠性。综合监控系统架构示意图如图1所示。如前文所述，I舱用于模拟机舱环境，容积较大、监控对象多、传感器布置较为分散；II舱用于模拟居住舱环境，容积较小、监控对象分布相对集中；舱外的监控对象主要为布置于供气、通风、空调、灭火等管路系统上的阀件、流量计等，分布也较为零散。因此，图 1中的设备层设置了 CAN 子系统和RTU子系统，分别完成I舱与舱外系统、II舱的实时监控任务。CAN子系统采用基于DeviceNet现场总线的分布式IO监控技术，设置了一个CAN主站和5个分布式IO从站；其中两个IO从站位于I舱上层，一个IO从站位于I舱下层，两个IO从站位于舱外；每个IO从站通过IO接口采集现场传感器信息、向现场执行器输出控制信号；CAN 主站通过 DeviceNet总线与IO从站进行数据交互，并通过串口通信连接位于舱外的CAN主站现场操作屏，为人员提供现场操作界面。由于DeviceNet现场总线采用新的生产者/消费者通讯模式，能够大幅提高网络通信速率，具有可靠性高、实时性好、灵活性强、抗干扰能力强、易于扩展等优点89，因此CAN子系统能够满足I舱与舱外监控的分布式、实时性要求。RTU 子系统采用集中式监控模式，由位于 II舱的RTU主站直接采集传感器信息和控制执行器动作，适应 II舱监控对象较少且分布比较集中的特点；RTU主站同样通过串口通信连接位于舱外的RTU主站现场操作屏，为人员提供现场操作界面。图1综合监控系统架构示意图图 1 的网络层应用了 EtherNet 工业以太网技术。EtherNet是一种具有较强互通性和确定性通信能力的网络，能够实现高速、大容量的数据交换10，在工业控制领域应用广泛。应用EtherNet网络作为设备层与信息层之间的数据传输通道，能够确保两层之间信息传输的快速性，为实现实时监控提供了技术保障。图1的信息层设置两台集控台，是综合监控系统的监视、控制及数据存储、处理中心。两台集控台互为备用，从而能够提升综合监控系统的可靠性。综合监控系统的基本工作流程为：CAN主站经DeviceNet总线接收分布式IO从站采集的现场测量信息、RTU主站直接采集现场测量信息；CAN主站和RTU主站将现场测量信息进行数据处理后，再经EtherNet网络发送给集控台；集控台接收上传的数据进行集中显示、存储、分析和处理，并将控制指101总第341期令经 EtherNet网络发送给 CAN 主站和 RTU 主站；CAN主站经DeviceNet总线将接收的控制指令转发给分布式IO从站，由IO从站驱动现场执行器动作；RTU主站接收控制指令后可直接驱动现场执行器动作。需要说明的是，CAN主站及RTU主站都配置了位于舱外的现场操作屏，当EtherNet网络发生异常或故障、或者其他紧急情况导致集控台无法实施综合监控功能时，试验人员可在模拟试验舱外部利用现场操作屏实施就地紧急控制，最大程度保障试验安全。3设备技术方案如前文所述，综合监控系统的设备层由 CAN子系统和RTU子系统组成。有关设备技术方案详述如下。1）CAN子系统CAN子系统由CAN主站、现场操屏和5个分布式IO从站组成，其原理框图如图2所示。主站与从站之间采用DeviceNet总线进行通信；CAN主站与CAN系统现场操作屏通过串口通信交互信息；CAN主站经EtherNet与信息层集控台交互信息。CAN子系统的基本工作原理如下。分布式IO从站采集现场测量传感器信号并进行数据转换，转换后的数据通过DeviceNet网络传递给CAN主站，CAN主站对采集的数据进行处理后，再经EtherNet网络传送给信息层集控台，同时，CAN主站经串口通信与现场操作屏交互数据；另一方面，CAN主站接收集控台或者现场操作屏的控制指令，根据指令要求，经 DeviceNet网络寻址相应的 IO从站，转发控制指令，由相应的IO从站输出控制信号，对现场执行器进行控制。图2CAN子系统原理框图如前文所述，I舱主要用于模拟水下平台机舱的大气环境，舱室容积较大、现场传感器数量较多、布置分散，因此在图2中，1、2IO从站布置在I舱上层，主要完成I舱上层环境参数监测；3IO从站布置在I舱下层，主要完成I舱下层环境参数监测；4、5IO从站均布置在舱外，主要用于监控设置于舱外的供气系统、通风空调系统、灭火系统、照明系统、应急保障系统等。其中，4IO从站的主要监控对象为供气管路的调节阀和流量计以及空调管路的风机和阀件，通过控制供气、空调系统实现舱内大气环境模拟和大气成分、温湿度等调整；5IO 从站的控制对象包括各供气总管电磁阀、吹扫控制阀、通风系统控制阀、灭火系统控制阀、舱室照明控制开关及其他应急保障装置等，通过控制舱外各系统阀门及开关能够实现整套试验系统的启动运行和紧急关停。CAN主站和CAN主站现场操作屏均布置在舱外，便于试验人员现场操作。2）RTU子系统RTU 子系统由 RTU 主站、现场操作屏组成。相比于CAN子系统的分布式结构，RTU子系统采用集中式结构，其原理框图如图3所示。RTU主站配置了处理器模块与模拟量、开关量输入输出模块，各模块经过背板总线进行数据交互；RTU主站与现场操作屏通过串口通信交互信息，RTU主站经EtherNet网络与信息层集控台交互信息。图3RTU子系统原理框图RTU子系统的基本工作原理如下。模拟量、开关量输入输出模块采集现场测量传感器信号并进行数据转换，转换后的数据通过背板总线传送给处理器模块，处理器模块对采集的数据进行处理后，再经 EtherNet 网络传送给