黃 丞,王 榮

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203)

基于CAN總線的散貨船機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)研究

黃 丞,王 榮

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203)

首先分析了船舶機(jī)艙控制對(duì)象的特點(diǎn)以及典型監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的組成及功能，結(jié)合K-chief600先進(jìn)系統(tǒng)提出了基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；其次分析了用于某64 000 DWT散貨船的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的組成單元設(shè)計(jì)過程；最后對(duì)該船監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

散貨船；CAN總線；機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)

0 引言

機(jī)艙作為船舶的重要組成，其自動(dòng)化水平成為衡量船舶總體水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。自1961年日本首次實(shí)現(xiàn)機(jī)艙集中控制和駕駛室遙控主機(jī)以來，目前的機(jī)艙領(lǐng)域正在向著高度集成、網(wǎng)絡(luò)控制、高速智能的方向邁進(jìn)。

船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化體系的關(guān)鍵構(gòu)成部分，通過該系統(tǒng)能夠隨時(shí)了解機(jī)艙里面諸多設(shè)備的運(yùn)行情況以及參數(shù)信息。另外,在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤指示、故障報(bào)警、控制恢復(fù)和日志記錄等功能。目前機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)這些功能是通過現(xiàn)場總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

應(yīng)用CAN總線技術(shù)進(jìn)行機(jī)艙檢測的好處主要體現(xiàn)在這些方面：實(shí)時(shí)性良好、遠(yuǎn)距離傳輸、有效抵抗電磁干擾、成本更低；引入雙線串行通信技術(shù)，錯(cuò)誤識(shí)別率更高，對(duì)噪聲干擾抵抗性強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)以及仲裁功能，利用CAN控制器將不同的控制模塊和CAN-bus連接在一起，搭建多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；以報(bào)文ID為依據(jù)，選擇接收或屏蔽報(bào)文；能夠有效識(shí)別錯(cuò)誤并對(duì)其進(jìn)行處理；如果發(fā)送信息出錯(cuò)，無需人工操作就能夠重發(fā)；如果節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)無法修復(fù)的錯(cuò)誤，能夠自動(dòng)斷開和總線的連接；報(bào)文信息有源地址、目標(biāo)地址等，通過標(biāo)志符顯示功能以及優(yōu)先級(jí)信息。

本文研究的64 000 DWT散貨船是新一代靈便形海豚系列散貨船，入級(jí)DNV、LR、NK、BV、GL等船級(jí)社。全船總長199.9 m,型寬32.26 m,服務(wù)航速14.4 kn。該船機(jī)艙分為上平臺(tái)、下平臺(tái)以及底層。全船機(jī)艙報(bào)警點(diǎn)數(shù)約為400個(gè)，包括了模擬量的輸入輸出以及數(shù)字量輸入輸出。

本文在參考Konsberg的K-chief 600先進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了基于CAN總線的機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)用于64 000 DWT散貨船控制。

1 CAN現(xiàn)場總線技術(shù)

1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)介紹

現(xiàn)場總線是指在工作現(xiàn)場對(duì)各種設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)它們之間的雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，是處于總體控制網(wǎng)絡(luò)最底層的網(wǎng)絡(luò)，它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在開放、分散、智能、雙向等方面?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)基于具有開放性的通信網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到全分布控制目的，通過將智能設(shè)備進(jìn)行連網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)調(diào)整、報(bào)警、監(jiān)控等目標(biāo)[1]。

1.2 CAN的定義和技術(shù)規(guī)范

1.2.1 CAN節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)

CAN總線參照并遵循OSI參考模型進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。為提高通信速度、促進(jìn)設(shè)計(jì)透明、降低接口成本，系統(tǒng)中僅設(shè)置物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，各層的結(jié)構(gòu)和功能如圖1所示[2]。

1.2.2 CAN系統(tǒng)的4種不同類型幀的功能

CAN 系統(tǒng)以數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、超載幀共4種不同類型幀的形式來表示和控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。CAN 協(xié)議采用了帶有沖突檢測載波偵聽多路訪問技術(shù)，該技術(shù)可有效控制由多站數(shù)據(jù)發(fā)送導(dǎo)致的信號(hào)互擾，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在檢測并確定總線上的間歇場未被“顯性”中斷時(shí)，即可訪問總線發(fā)送信息。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)，總線按照 “按位仲裁”方法應(yīng)對(duì)總線訪問沖突。在應(yīng)用該方法時(shí)，發(fā)送器首先釋放位電平，然后以總線電平為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，如果兩者的大小一致，節(jié)點(diǎn)保持發(fā)送行為；若不相等表明節(jié)點(diǎn)丟失仲裁，不應(yīng)繼續(xù)發(fā)送。

圖1 CAN總線的分層結(jié)構(gòu)和功能示意圖

在CAN總線中存在位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤共5種錯(cuò)誤類型并各自有對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤界定方式。當(dāng)檢測到錯(cuò)誤的存在時(shí)，邏輯鏈路控制子層就會(huì)獲取這一信息，介質(zhì)訪問控制子層通過錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)完成標(biāo)定操作。

1.2.3 位定時(shí)與同步

因?yàn)镃AN總線上所有節(jié)點(diǎn)都必須具有相同的比特率，而在數(shù)據(jù)傳輸中并不對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行編碼，因此時(shí)鐘信號(hào)須由接收節(jié)點(diǎn)恢復(fù)并與發(fā)送器的時(shí)鐘同步。本文所采用的SJA1000總線控制器通過數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)，將DPLL設(shè)置為與接收數(shù)據(jù)同步，并以此為依據(jù)標(biāo)定發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間。

2 機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 K-Chief 600系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案介紹

K-Chief 600監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)包括報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)等，其硬件由分布式處理單元DPU、本地操作站LOS、迷你操作站MOS、遙控操作站ROS和值班呼叫系統(tǒng)WCS等構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示，其中DPSC為數(shù)據(jù)處理。

圖2 K-Chief 600監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)框圖

2.2 船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)組成及其功能

船舶監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》和《船舶機(jī)艙監(jiān)視報(bào)警裝置技術(shù)條件》，以滿足無人機(jī)艙、船級(jí)社規(guī)范及國際公約法規(guī)的相關(guān)要求為目標(biāo)，設(shè)定系統(tǒng)預(yù)期的組成和功能如下[3]。

2.2.1 雙冗余網(wǎng)絡(luò)

雙冗余網(wǎng)絡(luò)用于連接系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)。本文擬將通過設(shè)置部分冗余(物理介質(zhì)冗余)來保證網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。

2.2.2 工作站

工作站用于提供人機(jī)界面與操作接口，具有自檢功能。每臺(tái)工作站包括：工控機(jī)、顯示器、輸入設(shè)備等硬件以及操作系統(tǒng)、MIMIC圖等軟件。

2.2.3 備用電源

備用電源(UPS)用于在主電源(主、應(yīng)急配電板供電)失電的情況下(該報(bào)警應(yīng)送至AMS)。系統(tǒng)能自動(dòng)啟用備用電源，提供并維持一定時(shí)長的供電，確保監(jiān)視系統(tǒng)在全船失電情況下都能正常工作。

2.2.4 報(bào)警打印機(jī)

報(bào)警打印機(jī)設(shè)置在報(bào)警單元或終端，用于監(jiān)測參數(shù)打印記錄和故障報(bào)警打印記錄。

2.2.5 信號(hào)采集箱

信號(hào)采集箱用于下層設(shè)備運(yùn)行參數(shù)采集，一般安裝于機(jī)艙中，直接連接各類傳感器。

2.2.6 傳感器

傳感器有壓力、溫度、液位、流量、位置、轉(zhuǎn)速等，與數(shù)據(jù)采集模塊相連實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

2.2.7 延伸報(bào)警系統(tǒng)

延伸報(bào)警系統(tǒng)是無人機(jī)艙必備系統(tǒng)。通過配備一定數(shù)量的延伸報(bào)警板至駕駛室、公共場所、輪機(jī)長和每個(gè)輪機(jī)員房間，在機(jī)艙無人值班的情況下發(fā)生機(jī)艙報(bào)警時(shí)，通過聲光報(bào)警的形式提醒當(dāng)班輪機(jī)員或其他輪機(jī)員及時(shí)處理故障。

2.2.8 輪機(jī)員安全系統(tǒng)

輪機(jī)員安全系統(tǒng)一般在機(jī)艙入口處設(shè)置啟/停按鈕，在機(jī)艙梯道附近設(shè)置一定數(shù)量的復(fù)位按鈕，供輪機(jī)員巡視機(jī)艙時(shí)定時(shí)去復(fù)位，防止輪機(jī)員因受傷等原因不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)而失去救助。

2.2.9 外部通信接口

外部通信接口有VDR、裝載計(jì)算機(jī)、發(fā)電機(jī)、主機(jī)、鍋爐、液位遙測閥門遙控系統(tǒng)、PMS等。

2.2.10 報(bào)警功能試驗(yàn)和自診斷

為保證系統(tǒng)各功能的正常工作，并查找故障，系統(tǒng)可以對(duì)除傳感器外的各部分進(jìn)行測試和檢驗(yàn)，這些測試通過設(shè)置在控制室操縱臺(tái)上的相關(guān)按鈕進(jìn)行。該功能可以對(duì)指示燈、監(jiān)視通道、傳感器、閃光源、電源等進(jìn)行自診斷，便于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自身問題并及時(shí)解決。

2.3 機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警原理

AMS系統(tǒng)監(jiān)測的信號(hào)可以分為兩大類[4]：開關(guān)量信號(hào)包括設(shè)備的啟停、液位的高、低等，模擬量信號(hào)包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量等。

2.3.1 開關(guān)量報(bào)警原理

開關(guān)量報(bào)警控制單元工作流程為：將開關(guān)量傳感器監(jiān)測的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)；通過延時(shí)環(huán)節(jié)輸出，以避免誤報(bào)警；對(duì)延時(shí)環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，以控制故障指示燈、啟動(dòng)聲響報(bào)警、分組報(bào)警及故障打印。

2.3.2 模擬量報(bào)警原理

模擬量報(bào)警控制單元工作流程為：將傳感器檢測到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；通過電壓信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)值的比較，判斷參數(shù)正常與否及報(bào)警類別；選擇并控制參數(shù)測量值或報(bào)警值的顯示。

3 監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)組成功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

64 000 DWT散貨船采用ME-C電噴柴油機(jī)，其控制系統(tǒng)軟硬件由MAN-B&W公司設(shè)計(jì)?；诖耍竟?jié)主要分析散貨船主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)測報(bào)警和安全保護(hù)2個(gè)部分。

3.1 監(jiān)測報(bào)警子系統(tǒng)

64 000 DWT 散貨船監(jiān)測報(bào)警子系統(tǒng)綜合考慮散貨船的機(jī)艙分布以及系統(tǒng)的壽命和可靠性要求，配置如下：主機(jī)控制臺(tái)上裝設(shè)UNO-2052E型微機(jī)、40 cm×30 cm LCD顯示器、DPU-414型熱敏打印機(jī)、報(bào)警燈板ALP、CAN網(wǎng)橋；安裝與前后主機(jī)艙以及齒輪箱(GB)艙的延伸報(bào)警板EXA和數(shù)據(jù)采集箱DAB。系統(tǒng)原理如圖3所示[5]，其中CAN BRIDGE為網(wǎng)橋，APICM為主動(dòng)力工控機(jī)，DIU為數(shù)據(jù)接口單元。

圖3 64 000散貨船監(jiān)測報(bào)警子系統(tǒng)原理圖

3.2 遙控安全保護(hù)子系統(tǒng)

本船遙控安全保護(hù)子系統(tǒng)由安全系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)組合實(shí)現(xiàn)。通過借鑒K-Chief 600系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置遙控系統(tǒng)的具體控制功能見表1，設(shè)置安全保護(hù)子系統(tǒng)的故障情況與報(bào)警設(shè)置的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。 具體就硬件來說，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能依賴于安全保護(hù)控制器ESC、安全保護(hù)燈板及傳感器；主機(jī)配備獨(dú)立的遙控系統(tǒng)進(jìn)行控制。主機(jī)遙控安全保護(hù)子系統(tǒng)原理如圖4所示。

表1 遙控系統(tǒng)功能設(shè)置

表2 故障情況與報(bào)警設(shè)置的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 主機(jī)遙控安全保護(hù)子系統(tǒng)原理

3.3 電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

64 000 DWT 散貨船的電站監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過使發(fā)電機(jī)組在其控制、監(jiān)測、報(bào)警、保護(hù)等功能作用實(shí)現(xiàn)過程中達(dá)到電力供應(yīng)安全、穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的目的，其中機(jī)組的安全保護(hù)和電站的功率管理是系統(tǒng)功能的核心所在。通過借鑒K-Chief 600系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能，其功能設(shè)置分別見表3和表4。

經(jīng)過以上分析，64 000 DWT 散貨船電站監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置電站、主配電板、輔機(jī)艙和主機(jī)艙4個(gè)位置的監(jiān)控單元。系統(tǒng)布置遵循集散方式，為本船擁有的3臺(tái)發(fā)電機(jī)組安裝獨(dú)立的微機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)控制管理的目標(biāo)，控制器和操縱顯示面板共同呈現(xiàn)遙控操作機(jī)組和監(jiān)控功能的相關(guān)參數(shù)。另外，配備3個(gè)自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集器對(duì)機(jī)組監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機(jī)集中管理。在電站監(jiān)控臺(tái)設(shè)計(jì)安裝1套管理微機(jī)，包括：動(dòng)態(tài)模擬屏、報(bào)警燈板、電源顯示燈板等組成單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、查詢、打印、記錄等功能[6]。

表3 電站監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測功能設(shè)置

該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于將全船400個(gè)參數(shù)測控需求通過CAN總線節(jié)點(diǎn)分散落實(shí)到現(xiàn)場監(jiān)控層，在保證散貨船電站安全、可靠運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)控管理。此設(shè)計(jì)可以直接作為全船自動(dòng)化系統(tǒng)中的一環(huán)，方便后續(xù)擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)。圖5為在64 000 DWT散貨船中基于CAN總線構(gòu)建的電站監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖，其中，粗實(shí)線即為CAN現(xiàn)場總線。

4 結(jié)論

結(jié)合機(jī)艙監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本文首先論述了應(yīng)用現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的優(yōu)勢和好處，利用比較方法，剖析所有現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)并結(jié)合船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的功能和技術(shù)要求，選定CAN總線并將其應(yīng)用于散貨船機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)；通過詳細(xì)介紹CAN總線的應(yīng)用特點(diǎn)和技術(shù)規(guī)范，參照先進(jìn)K-chief 600系統(tǒng)給出了監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案；然后集中論述了監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)各軟、硬件組成單元的選型設(shè)計(jì)，最后以64 000 DWT散貨船3個(gè)重要設(shè)備方面的監(jiān)測報(bào)警為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)艙設(shè)備多種運(yùn)行參數(shù)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信息綜合處理和顯示、超限報(bào)警以及重要參數(shù)的現(xiàn)場就地顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，將64 000 DWT散貨船400個(gè)參數(shù)測控需求通過CAN總線節(jié)點(diǎn)分散落實(shí)到現(xiàn)場監(jiān)控層，在保證散貨船電站安全、可靠運(yùn)行的情況下可實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)控管理。

表4 電站監(jiān)控系統(tǒng)控制功能設(shè)置

注：Pe為有效功率。

[1] 李巍，曹建明．現(xiàn)場總線技術(shù)與機(jī)艙自動(dòng)化[J]．交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2002，25(2)：109-112．

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圖5 64 000 DWT散貨船電站監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

2016-07-13

黃丞(1986—)，男，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作；王榮(1973—)，女，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

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