邵天橋/重慶海事局長江瀘州通信管理處

淺談船舶網(wǎng)絡通信中幾種關(guān)鍵技術(shù)

邵天橋/重慶海事局長江瀘州通信管理處

船舶網(wǎng)絡通信與普通網(wǎng)絡通信相比具有海洋業(yè)務的特殊性，船舶機艙環(huán)境的復雜、惡劣，要求船舶設(shè)備之間的通信抗干擾、實時性強。相比與傳統(tǒng)的船舶信息網(wǎng)絡中，采用點對點的串行口通信，現(xiàn)代船舶在保留原有通信方式的前提下，采用了實時性好、可靠性強、成本較低、開發(fā)難度較小的現(xiàn)場總線系統(tǒng)和兼容性、互操作性好、資源共享能力強的以太網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。船舶可以根據(jù)不同的通信環(huán)境與信息量需求，采用不同的通信方式進行通信。

RS485通信；CAN總線通信

1.引言

自20世紀70年代起，船舶自動化技術(shù)出現(xiàn)了蓬勃的發(fā)展趨勢，單個設(shè)備更加自動化與智能化，各自動化設(shè)備之間實現(xiàn)了資源共享，各自動化子系統(tǒng)也進行了有機集成。這就迫切的需要真正實現(xiàn)對一全船各種設(shè)備的單點或多點集中監(jiān)控。隨著工控網(wǎng)絡通信技術(shù)的成熟，特別是串行接口技術(shù)的日漸成熟及各種現(xiàn)場總線技術(shù)的快速發(fā)展，其在工控領(lǐng)域得到廣泛的應用，并被IEC(國際電工技術(shù)委員會)作為標準采納，也是大多數(shù)船舶自動化設(shè)備公司采用的首選現(xiàn)場總線標準。而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工控信息管理領(lǐng)域的優(yōu)勢也非常適用于船舶。將上述三種網(wǎng)絡通信技術(shù)結(jié)合，可以有效地實現(xiàn)船舶自動化設(shè)備之間的相互通信以及各自動化子系統(tǒng)的集成。下面對串行通信接口技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)以及以太網(wǎng)技術(shù)在船舶中的應用做簡單的介紹。

2.三種關(guān)鍵技術(shù)在船舶通信系統(tǒng)中的應用

2.1 RS485通信接口技術(shù)

隨著計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，串口通信接口技術(shù)已經(jīng)相當成熟。相比并行通信，串行通信因其所用的傳輸線少，傳送成本低等特點，特別適用于遠距離通信。同時，由于其接口簡單可靠，即使是近距離傳輸?shù)耐鈬O(shè)備也普遍使用串行接口與其它計算機設(shè)備進行通信。按照接口的物理電器特性劃分，最被人們熟悉的串行接口有:RS232電平接口、RS422電平接口、RS485差分平衡電平接口和光隔離電流環(huán)接口。串行通信接口技術(shù)廣泛應用于各個領(lǐng)域中，船舶行業(yè)也不例外。在船舶中，串行通信接口技術(shù)主要應用于數(shù)據(jù)采集、遠程的信IV、交換。下而通過具體的例子說明串行通信接口技術(shù)如何應用于船舶通信系統(tǒng)中。

其中，RS485總線通信模式由于其工作方式簡單、價格低廉、傳輸距離較遠等特點，廣泛應用于工控領(lǐng)域中。但一旦通信所依從的環(huán)境條件較為惡劣，或者RS485網(wǎng)絡設(shè)計不當，就會極大地影響RS485通信的可靠性，從而影響整個系統(tǒng)的運行。

2.2 CAN總線技術(shù)

現(xiàn)代社會對汽車性能的需求越來越高，智能化控制在不斷地推進。智能化控制需要交換大量的數(shù)據(jù)，如果只從硬件的方面進行改進，成本會提升，而且過程比較繁瑣。CAN總線的實現(xiàn)方式就很好的解決了這一問題。1986年，在SAE(汽車工程人員協(xié)會)大會上Bosch首次提出了CAN的概念。緊接著在下一年，第一塊CAN控制芯片在INTEL被推出；隨后Philips半導體推出了8X200。 1993年，CAN的國際標準IS011898公布后，CAN總線在工控方面的到廣泛的應用。

現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡。它具有分散性、開放性、互用性等特點，因此廣泛應用于各種工業(yè)控制的場合?，F(xiàn)場總線的種類很多，比較流行的有:基金會現(xiàn)場總線FF、CAN總線、Lon Works總線、ProfiBus總線、Hart總線、Device Net總線、Control Net總線、Wor1dF1P以及總線以及P-NET等。不同的現(xiàn)場總線各具有特色，適用于不同的應川場合。自20世紀90年代以來，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應用于船舶機艙的監(jiān)視報警和主機遙控燈系統(tǒng)。日前，現(xiàn)場總線技術(shù)逐步成為船舶自動化發(fā)展的標志。

船舶通信利用CAN總線的良好性能，組成船舶通信控制網(wǎng)絡。CAN總線減少了船舶網(wǎng)絡的線束數(shù)目，是控制結(jié)構(gòu)更為簡單，提高了系統(tǒng)的可靠勝。CAN2.0技術(shù)規(guī)范與OSI（Open System Interconnection）模型中協(xié)議層的規(guī)范一致，CAN2.0協(xié)議規(guī)定了OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)鏈路層又包含邏輯鏈路控制層和媒體訪問控制層兩個子層。邏輯鏈路控制層有三個功能：幀接收濾波、超載通告和恢復管理，媒體訪問控制層是數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵，包括發(fā)送數(shù)據(jù)封裝、發(fā)送媒體訪問、接受媒體訪問管理、接受數(shù)據(jù)卸載幾個部分。物理層定義了位編碼/解碼、位定時、同步等功能。一般使用的物理媒介是雙絞線，采用差分電壓信號傳輸，一條信號線是CAN_H，另外一條是CAN_L。

在眾多現(xiàn)場總線中，目前在船上應用的則以CAN總線和ProfiBus總線為主，不同的設(shè)備廠商所采用的總線類型各不同。例如，西門子PLC構(gòu)建的系統(tǒng)一般采用ProfiBus，而KONGSBERG Maritime等公司的產(chǎn)品則采用CAN總線，如KONGSBERG Maritime生產(chǎn)的AutoChief C20型主機遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)各模塊之間通過雙兀余CAN總線進行通信來實現(xiàn)安全保護、控制和報警等功能。該公司生產(chǎn)的船舶發(fā)送機軸承磨損監(jiān)控系統(tǒng)(BWM)也是通過CAN網(wǎng)絡與AutoChief C20連接而成。此外還有一些廠商采用自己研制的現(xiàn)場總線，如德國的SAM公司等。中國目前也開發(fā)了許多基于總線技術(shù)的STI-VC2 船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)；三進科技發(fā)展有限公司已成功開發(fā)的基于CAN總線技術(shù)的CJBW系列全數(shù)字式船舶監(jiān)控報警系統(tǒng)，已在多艘軍民船舶上使用。

2.3 以太網(wǎng)技術(shù)

伴隨著計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)成為目前局域網(wǎng)中采用的最多最廣的通信協(xié)議標準。這種通信標準已經(jīng)廣泛的應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡，對于船舶控制網(wǎng)絡尤其重要。1981年，IEEEprojeetsoZ小組委員會成立，使10Mbit以太網(wǎng)成為一種國際標準。1995年，IEEE批準了IOOMbit/s的以太網(wǎng)，這種以太網(wǎng)被稱為快速以太網(wǎng)。

船舶規(guī)模的大型化和設(shè)備的復雜化使得船舶通信網(wǎng)絡的負載越來越大，通信速率的要求越來越高，采用一般的總線型網(wǎng)絡己經(jīng)不能滿足其發(fā)展需求，而以太網(wǎng)因其傳輸速度高、易于安裝、兼容性好、軟硬件產(chǎn)品豐富和支持技術(shù)成熟等特點，能夠滿足船舶自動化控制領(lǐng)域的應用需求而受到青睞。目前船舶局域網(wǎng)主要采用以太網(wǎng)，主要應用于監(jiān)視與報警系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡。例如，將與現(xiàn)場總線連接的集控室計算機通過局域網(wǎng)連接到駕駛臺和輪機員艙室等，實現(xiàn)全船數(shù)據(jù)共享。

在船舶自動化中，現(xiàn)場總線一般應用到現(xiàn)場級與監(jiān)控級中?，F(xiàn)場級主要完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理，并將數(shù)據(jù)提供給同級或者上級設(shè)備，同時接收上級指令，并將指令傳送給現(xiàn)場設(shè)備或者根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)驅(qū)動外圍的執(zhí)行機構(gòu)等。監(jiān)控級可以采用與現(xiàn)場級相同的總線協(xié)議，它主要完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控、向管理級與現(xiàn)場級設(shè)備提供通訊接口、擴展網(wǎng)絡，并完成相應的通信等功能。相比現(xiàn)場級和監(jiān)控級，管理級是船舶監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，它主要完成系統(tǒng)管理、主機參數(shù)綜合顯示、與外圍其它網(wǎng)絡互連、人機交互等功能。由于這級數(shù)據(jù)量大，管理級的網(wǎng)絡一般采用高速以太網(wǎng)。

3.船舶通信中網(wǎng)絡通信可靠性的重要性

網(wǎng)絡通信可靠性有其特殊性，所以對它的定義也不盡相同。其中有人定義網(wǎng)絡通信的可靠性為網(wǎng)路信息系統(tǒng)在長時間連續(xù)運行過程中滿足用戶的通信需求的能力。影響網(wǎng)絡通信可靠性的因素主要有：網(wǎng)絡通信的構(gòu)成設(shè)備的可靠性、網(wǎng)絡通信的管理和維護、網(wǎng)絡通信的運行環(huán)境、網(wǎng)絡通信的拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡通信的故障診斷與自我恢復能力、網(wǎng)絡通信的傳輸質(zhì)量以及其它影響網(wǎng)絡通信可靠性的因素。因此，只有對船舶網(wǎng)絡通信的可靠性進行研究，我們才能避免網(wǎng)絡通信運行過程中設(shè)備故障、信道擁塞、鏈路失效、通信中斷等問題對整個船舶網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的造成的嚴重影響。

4.結(jié)語

綜上所述，船舶網(wǎng)絡通信系統(tǒng)主要包括串行通信、現(xiàn)場總線通信以及以太網(wǎng)通信，其中，RS485通信、CAN總線通信與以太網(wǎng)通信最具有代表性同時應用最廣泛。目前，將這三種方式有效集成，增加冗余設(shè)計，使得船舶自動化系統(tǒng)具有很好的可靠性、實用性、經(jīng)濟性、功能性和拓展性。船舶通信網(wǎng)絡涉及到傳輸、終端設(shè)施協(xié)議以及相應的運行支撐系統(tǒng)，影響其可靠性的因素很多，如通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡所依存的環(huán)境條件、人為故障等。船舶環(huán)境較為復雜，大部分的控制系統(tǒng)都沒有達到完全自動化，需要人為的操作，即使發(fā)生故障，也可能影響整個船舶的正常運行，同時，船舶通信網(wǎng)絡對設(shè)備間信息傳輸?shù)膶崟r性要求嚴格。因此，RS485、CAN總線和以太網(wǎng)這三種通信的關(guān)鍵技術(shù)的可靠性研究，對提高船舶通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性、安全性起著至關(guān)重要的作用。

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邵天橋（1969_），男，重慶萬州區(qū)人，重慶海事局長江瀘州通信管理處副主任，本科，從事通信信息管理與維護。