一种基于安全型高速自主总线的全数字化控制系统的制作方法

本发明属于控制技术领域，具体涉及一种基于安全型高速自主总线的全数字化控制系统。

背景技术：

有关国外潜艇核动力装置的文献资料表明，潜艇核动力装置控制系统研制大致历程了三次数字化升级改进，从模拟控制、数模混合控制到数字化控制，自动化与数字化水平不断提高。国外核潜艇一般采用运行管理层、控制与保护层和输入输出层的“三横三纵”体系结构，实现了潜艇核动力的数字化控制。但是，数字化水平的提高也使得潜艇上使用的电缆数量大幅增加，对数字化控制设备的可靠性要求也进一步提高。

现有潜艇核动力数字化控制系统仍采用传统测量仪表，测量仪表经大量的电缆连接至控制设备，由控制室的3～4名操纵员完成整个动力系统的所有监控，且系统的智能化水平不高，系统故障一般由操纵员分析判断，单一控制设备故障容易引起核动力装置停机停堆。

船用核动力装置控制系统一般采用运行管理层、控制与保护层和输入输出层的“三横三纵”体系结构。输入输出层的传感器/变送器、阀门执行机构以及泵组启动器/变频器等设备一般是通过硬接线与控制保护层设备相连接，需要大量的信号电缆与控制电缆。控制与保护层与运行管理层设备之间通过总线或以太网连接，对于涉及核安全的必要操作需要保留硬接线冗余通讯方式。

传统的船用核动力装置控制系统一般采用运行管理层、控制与保护层和输入输出层的三层体系结构。

船用核动力的辅助决策支持系统设计基础薄弱，目前仅初步实现了电子手册功能，距离智能化、实用化还有很大差距。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于安全型高速自主总线的全数字化控制系统，实现潜艇核动力装置的控制系统的集成化。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于安全型高速自主总线的全数字化控制系统，包括输入输出层与运行监控层组成的两层体系结构，输入输出层与运行监控层通过安全型高速自主总线连接进行通信；输入输出层包括采用基于现场总线标准的安全型高速自主总线接口协议的智能传感器和执行机构；智能传感器用于采集系统运行过程中的物理信号并转换成电信号形式的测量数据发送到总线上；执行机构用于接收总线上的控制信号并执行动作；运行监控层包括采用基于现场总线标准的安全型高速自主总线接口协议的监控装置、辅助装置、存储装置；监控装置、辅助装置、存储装置之间还采用冗余的以太网连接进行通信；监控装置包括采集控制模块和面板；采集控制模块用于通过安全型高速自主总线采集智能传感器的数据，处理数据、进行逻辑运算，并下发控制指令到安全型高速自主总线控制执行机构；面板用于向操作人员集中显示核动力装置的一、二回路工艺系统的运行参数和系统状态，在异常及故障状态向操作人员集中报警，并供操作人员集中操作；辅助装置用于根据测量数据判断系统状态，得到系统的状态数据和故障数据，根据系统状态做出决策并控制执行机构的动作；存储装置用于保存测量数据、状态数据和故障数据。

按上述方案，智能传感器包括核功率探测器、压力传感器、压差传感器、液位传感器、温度传感器、热电偶传感器、热电阻传感器、电压传感器、电流传感器；执行机构包括阀门执行机构、泵组启动器、泵组变频器。

进一步的，还包括核测量仪器、保护逻辑模块；智能传感器还包括棒位测量装置、安全级测量仪表；执行机构还包括安全级执行机构；监控装置分别与核测量仪器、保护逻辑模块、阀门执行机构、泵组启动器采用冗余的硬接线连接；核测量仪器与保护逻辑模块采用冗余的硬接线连接；核测量仪器分别与核功率探测器、棒位测量装置、安全级测量仪表、安全级执行机构采用冗余的硬接线连接；保护逻辑模块分别与核功率探测器、棒位测量装置、安全级测量仪表、安全级执行机构采用冗余的硬接线连接。

按上述方案，辅助装置包括辅助数据库模块、故障诊断模块、故障分析模块、操作指导模块、人机交互模块；数据库模块连接存储装置，用于从存储装置获取测量数据、状态数据、故障数据并发送给故障诊断模块；故障诊断模块分别连接数据库模块、故障分析模块、人机交互模块，用于对故障数据进行判断，并将判断结果分别发送给数据库模块、故障分析模块、人机交互模块；故障分析模块连接操作指导模块，用于根据判断结果分析故障类型和严酷度等级，并连锁调度操作指导模块；操作指导模块分别连接数据库模块和人机交互模块，用于在包括正常、异常、故障的不同状态下将对应的操作指导分别发送给数据库模块和人机交互模块；人机交互模块用于指导操纵人员完成在异常与故障工况下的操作。

进一步的，操作指导模块包括正常操作指导模块、异常与故障操作指导模块。

按上述方案，面板包括第一区域、第二区域、第三区域；第一区域用于冗余显示对核安全相关的重要参数，以确保对核动力装置运行的有效监视；第二区域包括带指示灯的报警光字牌，用于对核动力装置的报警信息进行分级报警，及时提醒操作人员进行处理；第三区域包括开关、按钮、旋钮，用于供操作人员对核动力工艺系统进行设备操作、对核动力装置进行集中操作。

进一步的，第二区域在正常状态下不显示异常信息及报警信号，核动力装置为自动控制方式运行，无需操作人员干预；第二区域的报警光字牌在异常状态下触发，提醒操作人员根据报警信息监控第二区域的重要参数；第二区域在故障状态下显示故障信息，提醒操作人员通过第三区域将自动控制方式切换为手动控制方式对异常或故障进行干预。

按上述方案，采集控制模块包括2路供电接口、1路100m/1000m安全型高速自主总线接口；每个采集控制模块用于实现核动力装置的部分工艺子系统的控制功能。

按上述方案，监控装置还包括在线热备份的冗余采集控制模块；用于在某个采集控制模块故障时，冗余采集控制模块连锁自动触发并投入运行，实现系统控制功能的自动重构，有效提高控制系统的可靠性。

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种基于安全型高速自主总线的全数字化控制系统，通过采用扁平化的体系结构与基于安全型高速自主总线的全数字化控制系统，实现了潜艇核动力装置的控制系统的集成化和全数字化控制，高效可靠地对潜艇核动力装置进行测量、控制、保护、运行管理。

2.本发明采用扁平化的体系结构，大幅减少了设备数量；通过全数字化控制系统设计，采用基于现场总线标准的安全型高速自主总线连接控制系统的输入输出层、运行监控层的所有设备，实现控制系统的“一网到底”，具有快速调度算法、精准时钟同步等能力，大大减少系统电缆用量；

3.本发明采用智能协调控制算法、快速算法调度软件和先进决策支持软件，实现核动力装置的安全可靠运行控制，通过开展控制系统运行监控设备的集中显示、集中报警、集中操控等功能集中与功能分区设计，实现船用核动力装置运行操纵的高集成化，正常值更运行时1人可完成整个动力系统的操控，降低了人员编制，提升了系统智能化与可靠性水平。

3.本发明采用基于快速算法调度的采集控制模块，实现了系统功能的动态自动重构；本发明的一体化监控装置的采集控制模块采用安全型高速自主总线连接，备用的采集控制模块进行在线热备份，实现了任意控制模块失效情况下通过备用控制模块自动启动与功能恢复，进一步提高了系统的可靠性。

4.本发明采用基于大数据挖掘与故障诊断的辅助决策支持功能设计，通过挖掘数据的最大潜能，开展在线故障诊断、辅助决策支持等设计，提高了系统的智能化水平。

附图说明

图1是本发明实施例的原理框图。

图2是本发明实施例的智能辅助决策支持装置的原理框图。

图3是本发明实施例的外形图。

图4是本发明实施例的采集控制模块的冗余设计原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，从全数字化控制系统体系结构、智能辅助决策支持、高集成化监控装置、高可靠性采集控制模块、先进算法设计与可靠软件开发等方面对本发明作进一步详细的说明。

(1)全数字化控制系统和扁平化体系结构

参见图1，本发明全数字化控制系统采用支持安全型高速自主总线的智能传感器/变送器，通过总线通讯实现输入输出层设备与运行监控层设备之间的连接，对于涉及核安全的必要操作保留硬接线冗余通讯方式。采用安全型高速自主总线使整个控制系统“一网到底”，真正实现了全数字化控制。

本发明专利全数字化采用运行监控层、输入输出层的两层体系结构(见附图1)。输入输出层的核功率探测器、压力传感器、压差传感器、液位传感器、温度传感器、热电偶传感器、热电阻传感器、电压传感器、电流传感器等测量仪表，以及各类阀门的执行机构、泵组的启动器或变频器等现场设备，均采用基于现场总线标准的安全型高速自主总线接口协议。运行监控层的船用核动力一体化监控装置、智能辅助决策支持装置、核动力运行数据存储装置，运行监控类设备也采用基于现场总线标准的安全型高速自主总线接口协议。运行监控层与输入输出层的设备通过安全型高速自主总线与以太网两种冗余的通讯方式进行互连、互通，对于涉及核安全的必要操作保留硬接线冗余通讯方式。采用安全型高速自主总线使整个控制系统“一网到底”，真正实现了船用核动力系统的全数字化控制。

全数字化控制系统采用基于现场总线标准的安全型高速自主总线，输入输出层的测量仪表、阀门执行机构、泵组启动器和变频器等设备的运行数据及正常状态、异常或故障状态的数据均经总线发送至核动力运行数据存储装置。

本发明取消了传统的控制与保护层，其功能由运行监控层的一体化监控装置进行集成。扁平化体系结构设计大大减少了原控制与保护层的设备的数量，也减少了控制系统的电缆数量。同时，也具有快速调度算法、精准时钟同步等能力。

(2)智能辅助决策支持装置

参见图2，本发明的智能辅助决策支持装置通过高速以太网实时获取核动力装置的测量数据、状态数据以及故障数据，通过智能辅助决策支持数据库将所有数据实时发送至故障诊断单元；故障诊断单元对系统或设备故障特征数据进行判断，并将故障结果发送给故障分析模块，故障分析模块根据故障类型与其严酷度等级联锁调度操作指导单元，将智能辅助决策支持数据库中的操作指导输出至智能辅助决策支持软件的人机界面，指导操纵员完成异常与事故工况下的操作运行。

(3)高集成化监控装置

参见图3，对全数字化控制系统的一体化监控装置充分开展人机功效与功能分区设计，对核动力装置的运行进行集中显示、集中报警与集中操作，采用智能协调控制算法、快速算法调度软件和先进决策支持软件，使动力系统控制室操控任务智能化、人员站位高度集成化，在正常值更运行时1人即可完成整个动力系统的操控。

一体化监控装置采用可触摸液晶显示器进行核动力装置一、二回路工艺系统的运行参数显示、系统及设备的状态显示；一体化监控装置的集中显示区域②用于对核安全相关的重要参数采用数字液晶仪表进行冗余显示，确保对核动力装置运行的有效监视；一体化监控装置的集中报警区域①采用带指示灯的报警光字牌对核动力装置的报警信息进行分级报警，及时提醒操作人员进行处理；一体化监控装置的集中操作区域③布置的开关、按钮、旋钮等可用于核动力工艺系统设备操作，对核动力装置进行集中操作。

正常工况下，核动力装置的运行采用自动控制方式，无需人员干预。异常或故障工况下，集中报警区域①相应报警光字牌被触发，操纵员根据报警信息及时监控集中显示区域②的重要参数，确需操纵员干预时，在一体化监控装置的集中操作区域③上将相应的自动控制回路切换至手动方式，通过屏幕软操或操作面板的硬操，在一体化监控装置上对工艺系统被控对象进行远程操控操作，及时对异常或故障进行干预，确保核动力装置的运行安全。

(4)高可靠性采集控制模块

参见图4，一体化监控装置采用基于安全型高速自主总线协议的高可靠性的冗余设计的采集控制模块实现核动力装置的数据采集、数据处理、逻辑运算与控制指令下发等功能；每个采集控制模块实现核动力装置部分工艺子系统的控制功能，具备2路供电接口、1路100m/1000m安全型高速自主总线接口。另外，为确保一体化监控装置功能的高可靠性，配置少数在线热备份的多功能采集控制模块，当某个采集控制模块故障时，通过快速算法调度软件自动判断，多功能采集控制模块会联锁自动触发并投入运行，实现系统控制功能的自动重构，有效提高控制系统的可靠性。

核动力装置的数据采集、数据处理与逻辑运算、控制指令下发等功能均由一体化监控装置中的采集控制模块实现。全数字化控制系统输入输出层的测量仪表、阀门执行机构、泵组启动器和变频器等设备的运行数据与状态数据均经安全型高速总线发送至采集控制模块，采集控制模块对其进行数据处理与逻辑运算后，发送控制指令至阀门执行机构、泵组启动器和变频器等现场执行机构，控制其执行相应动作，完成核动力装置的安全运行。

(5)先进算法设计与可靠软件开发

全数字化控制系统大量采用软件技术，通过智能协调控制算法并结合功率控制组态软件，实现核动力装置功率调节的快速自动跟随，实现所有控制回路的稳定运行，满足潜艇机动性要求。系统控制功能的自动重构除冗余部分采集控制模块外，还需开发一套快速算法调度软件，通过软硬件的紧密配合，实现模块故障情况下控制功能的快速自动重构。智能化决策支持软件能够减少操纵员查找原因、判断故障、做出操控决策的时间，第一时间提供给操纵员操作指导，大幅提高操纵员的操控效率，为事故处理或险情处置争取宝贵时间。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。