田慶林

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，天津 300456）

目前我國常規(guī)船舶國產(chǎn)設(shè)備的實際配套率只有30%左右，高新技術(shù)船舶國產(chǎn)設(shè)備的實際配套率僅20%左右，特別是作為附加值很高的船舶自動化系統(tǒng)本土化率還不到10%。這與我國造船工業(yè)的迅猛發(fā)展形成了非常大的反差。目前每年全球船舶艙室電子設(shè)備需求接近300億元人民幣。其中中國的造船修船市場可為船舶艙室電子設(shè)備提供每年將近百億元人民幣的市場，但90%被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷。船舶艙室電子產(chǎn)品的開發(fā)制造是我國船舶業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。國內(nèi)船舶艙室電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家自主創(chuàng)新較少，在系統(tǒng)技術(shù)性能、質(zhì)量、品種和規(guī)格方面與國外同類產(chǎn)品存在著很大差距，船舶電子國產(chǎn)設(shè)備存在缺乏核心技術(shù)、技術(shù)起點較低、系統(tǒng)性差、工藝落后等突出問題。基于雙CAN總線船舶機(jī)艙監(jiān)測及控制系統(tǒng)就是在這種背景下研發(fā)的。

1 系統(tǒng)功能

在船舶自動化技術(shù)不斷向全船綜合自動化階段發(fā)展的過程中，各類導(dǎo)航、監(jiān)控、管理系統(tǒng)運用于船舶。其中船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)以及船、岸通訊系統(tǒng)的融合，是船舶機(jī)艙自動化未來發(fā)展的趨勢。系統(tǒng)基于雙CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，通過設(shè)計模塊化、智能化、具有冗余通信功能的遠(yuǎn)程I/O單元，使系統(tǒng)配置可以滿足各種船舶機(jī)艙自動化監(jiān)測、報警和控制。集成子系統(tǒng)主要包括機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)、主機(jī)控制系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和船舶抗傾控制系統(tǒng)。

1.1 機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)

機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)由集中報警群和延伸報警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)延伸到駕駛臺、公共艙室、值班輪機(jī)員房間。主要配置有基于工業(yè)控制計算機(jī)的機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、輪機(jī)員呼叫系統(tǒng)、延伸報警系統(tǒng)、Dead Man報警系統(tǒng)以及聲光報警系統(tǒng)等[1]。

1.2 主機(jī)控制系統(tǒng)

通過雙CAN總線PID調(diào)節(jié)模塊，主機(jī)可以從集控室和駕駛臺控制船舶動作，可以從機(jī)旁手動控制，此外包括控制位置轉(zhuǎn)換、自動保護(hù)命令等。

1.3 電站管理系統(tǒng)

通過雙CAN總線柴油發(fā)電機(jī)管理模塊，發(fā)電機(jī)組有功功率、無功功率分配，電機(jī)間的負(fù)載可根據(jù)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)移，根據(jù)實際需要，起動或停止某臺發(fā)電機(jī)以及發(fā)電機(jī)的報警監(jiān)控等[2]。

1.4 閥門遙控系統(tǒng)

基于自主研發(fā)的專用雙CAN總線閥門控制模塊，對船舶上大量應(yīng)用的閥門進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、動作控制、手/自動模式切換等操作?？刂菩盘柊ㄩ_閥門、閉閥門、停閥門；狀態(tài)監(jiān)控包括開閥中、開閥到位、關(guān)閥中、關(guān)閥到位、停閥、閥門故障等。雙CAN總線專用模塊的引入，增加了系統(tǒng)的延展性和配置靈活性。

1.5 報警系統(tǒng)

基于自主研發(fā)的雙CAN總線模擬量采集模塊、開關(guān)量采集模塊、模擬量和開關(guān)量采集模塊、溫度采集模塊等多種模塊網(wǎng)絡(luò)搭建，實現(xiàn)對船舶各類艙室液位及水井的監(jiān)控測量報警，實現(xiàn)對船舶燃油、柴油、潤滑油艙室壓力和溫度的監(jiān)測報警。

1.6 船舶抗傾控制系統(tǒng)

通過平衡傳感器提供的高速狀態(tài)信息和雙CAN總線模塊通訊，系統(tǒng)可自動對船舶傾斜狀態(tài)做出合理操作實現(xiàn)船體平衡，例如自動起停平衡泵正反轉(zhuǎn)工作、越控請求、傾斜角度報警等的處理等操作。

以上各子系統(tǒng)主監(jiān)控人機(jī)界面的軟件設(shè)計主要包括雙CAN總線CANopen浮動主通訊協(xié)議的實現(xiàn)，系統(tǒng)除常規(guī)的監(jiān)測報警打印記錄保存功能外增加了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測診斷，界面清新、操作方便、內(nèi)容豐富完整，既顯示了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置連接，又顯示了各接入系統(tǒng)的CAN節(jié)點總線狀態(tài)，不僅大大提高了船舶自動化程度，也使得船舶航行變得更加安全可靠。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，實現(xiàn)了二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中主干網(wǎng)和各子網(wǎng)之間的管理數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)的最優(yōu)通信[3]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計示意Fig.1 Schematic diagram of network design for system architecture

2.1 實現(xiàn)滿足CIA DSP-307海事標(biāo)準(zhǔn)框架協(xié)議

目前流行的現(xiàn)場總線有很多標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議，但這些協(xié)議中還沒有一個是針對海事領(lǐng)域?qū)Ｓ玫?，而海事組織明確要求通信系統(tǒng)要具有獨立的故障容錯能力。

DSP-307正是為了滿足海上自動設(shè)備不斷增加的安全性需要，專門為海事應(yīng)用的CANopen設(shè)備開發(fā)而特別設(shè)計的。DSP-307通過2條獨立的CAN總線進(jìn)行冗余通信，完全支持海事組織的要求，也滿足海事電子應(yīng)用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的需要。同時，由于CANopen設(shè)備在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用再加上CIA組織的強(qiáng)大助力，CIA DSP-307海事標(biāo)準(zhǔn)框架協(xié)議必將成為船舶機(jī)艙自動化應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)協(xié)議[4]。

基于此，我們設(shè)計了2 CAN+2 CAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并選取了CIA DSP-307海事標(biāo)準(zhǔn)框架協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，項目開發(fā)的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊均要滿足CIA DSP-307協(xié)議。

2.2 CANopen I/O模塊和CANopen PLC

機(jī)艙內(nèi)使用各種傳感器監(jiān)測各設(shè)備工況的物理量參數(shù)，包括溫度、壓力、液位、流量、轉(zhuǎn)速、相電壓、相電流等，除了以上離散的監(jiān)測點外，自動化系統(tǒng)還包含需要針對某一具體應(yīng)用需要而客制化的邏輯運算和智能控制，針對以上需求，系統(tǒng)設(shè)計的CANopen I/O模塊和CANopen PLC包括：

2.2.1 海事版雙CAN總線I/O模塊及船舶專用模塊

（1）CAN AI-20。 20通道模擬量采集模塊，測量范圍±5/10 V，4～20 mA，測量精度±4‰，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（2）CAN AO-20。20 通道模擬量控制模塊，控制范圍4～20 mA，精度±4‰，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（3）CAN RI-16。 16通道 PT100采集模塊，測量范圍-200～800℃，精度±5‰，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（4）CAN RAI-16。 16通道 PT100/AI采集模塊，精度±5‰，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（5）CAN DI-32。 32通道開關(guān)量采集模塊，同時支持干節(jié)點和濕節(jié)點（有效信號DC24 V）輸入，同時具有4通道頻率采集功能，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（6）CAN DO-32。32 通道開關(guān)量控制模塊，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（7）CAN DIO-20。20通道開關(guān)量采集控制模塊，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（8）CAN VLC-10。10通道閥門控制模塊，開關(guān)停閥門命令，以及閥門到位信號接收，手動自動切換功能。波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（9）CAN SPD-2。2通道速度采集模塊，超速欠速監(jiān)控報警，齒輪配置，觸發(fā)模式配置。波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（10）CAN LMC。液貨船多變量綜合采集模塊，溫度、壓力、開關(guān)量信號輸入以及支持HART協(xié)議雷達(dá)物位計信號，具有防爆特性，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信。

2.2.2 海事版雙CAN總線PLC、網(wǎng)關(guān)、及監(jiān)控主站

在XC2287單片機(jī)上成功實現(xiàn)了具有雙CAN總線CANopen浮動主通訊功能的支持IEC61131-3的CANopen PLC，其具有CANopen I/O模塊的所有特點，更重要的是，其對IEC61131-3的支持，使所有系統(tǒng)工程師可以徹底擺脫復(fù)雜的底層CANopen浮動主通訊協(xié)議的困擾，只專注于他們所熟悉的自動控制，使用他們所熟悉的PLC編程語言，擴(kuò)大了CAN總線和CANopen協(xié)議的應(yīng)用范圍，大大降低了其應(yīng)用難度。

（1）CAN GATE-4。4通道隔離網(wǎng)關(guān)可編程模塊，具有雙CAN總線網(wǎng)絡(luò)隔離，支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（2）CAN IOU-20。16通道數(shù)字量輸入輸出以及4通道模擬量輸入可編程綜合模塊，支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（3）CAN PID。16通道模擬量或者Pt100輸入，4通道模擬量輸出，8通道開關(guān)量輸出可編程綜合模塊，支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（4）CAN DIO-20A。20通道開關(guān)量可編程控制模塊，支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（5）CAN GP-01A。發(fā)電機(jī)保護(hù)模塊，提供發(fā)電機(jī)參數(shù)測量、短路、失磁、過載等多種保護(hù)功能，支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（6）CAN DGC-01A。發(fā)電機(jī)綜合控制模塊，提供和發(fā)動機(jī)操作相關(guān)的控制功能等，支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信；

（7）海事版雙CAN總線監(jiān)控主站。包括本地操作單元LOS、駕駛室延伸報警單元WBU、船艙延伸報警單元WCU、綜合操作鍵盤、電站管理單元等一系列支持IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言編程環(huán)境，波特率和節(jié)點ID可調(diào)，雙CAN總線冗余通信系統(tǒng)。

基于CIA DSP-307海事版雙CAN總線多機(jī)冗余船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效提高船舶航行安全，保障船舶機(jī)艙日常操作的有效運行，減輕船員勞動強(qiáng)度。相比傳統(tǒng)的機(jī)艙自動化系統(tǒng)，效益明顯提高，電纜用量減少30%，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越龐大，其所帶來的成本優(yōu)勢越明顯。

3 結(jié)語

系統(tǒng)自2013年以來陸續(xù)裝船50余艘，成功應(yīng)用到天津海事局、浙江海事局、中國遠(yuǎn)洋集團(tuán)等十余家大型國有企業(yè)。系統(tǒng)已經(jīng)取得了1項實用新型專利證書和3項計算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書，通過了上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所的各項環(huán)境和性能測試，取得了中國船級社CCS和韓國船級社KR的型式認(rèn)可證書，以及法國BV船級社產(chǎn)品認(rèn)可證書。

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