袁 健，方 鵬，黃 丞

(1.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203；2.蓬萊中柏京魯船業(yè)有限公司，山東 煙臺265601)

0 引言

船舶室外照明是影響船舶安全航行的重要因素。船舶一般包括以下室外燈：夜航時巡視的上建艉部走道區(qū)域的室外燈，裝卸貨時貨艙區(qū)域的室外燈，系泊工況下艏艉部錨絞區(qū)域的室外燈等。

通常在駕駛室、貨控室或者船舶辦公室配置室外燈控制器，其作用是控制船上的室外燈具，但傳統(tǒng)的室外燈控制器僅僅具備開關(guān)功能，無法滿足更多的人性化需求。因此，本文分析了現(xiàn)有室外燈控制器人性化程度不足、接線繁復(fù)且功能較少等問題，并針對以上問題提出了對室外燈控制器系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計與優(yōu)化的方案。

1 傳統(tǒng)室外燈控制器系統(tǒng)

在船舶實際運營中，根據(jù)船東和船廠的反饋，傳統(tǒng)室外燈控制器系統(tǒng)存在以下問題：

(1)控制板上沒有室外燈的開閉指示燈。傳統(tǒng)的室外燈控制裝置僅能通過旋鈕開關(guān)或撥動開關(guān)控制室外燈的開閉，無法顯示室外燈的開閉狀態(tài)，且異地操作會導(dǎo)致旋鈕開關(guān)狀態(tài)或撥動開關(guān)狀態(tài)與室外燈的開閉狀態(tài)無法保持始終一致，因而每操作一次，船員可能需外出確定室外燈開閉狀態(tài)，十分不便。特別是夜間外出確認(rèn)，船員的人身安全無法得到充分保障。

(2)電纜施工困難，成本高，故障率增加。越來越多的船東，特別是集裝箱船的船東，要求室外燈控制板不僅要安裝在駕駛室，而且也要安裝在貨控室和船舶其他高級船員艙室或者辦公室，從而實現(xiàn)多地控制室外燈的功能。兩個控制板之間用多芯電纜進(jìn)行信號傳輸，電纜的芯數(shù)按照需要控制室外燈的數(shù)量來選定。室外燈路數(shù)越多，電纜的芯數(shù)越多，導(dǎo)致電纜越粗，船廠的施工越困難，且增加了成本。另外，只要其中一芯線出現(xiàn)故障，對應(yīng)的室外燈就無法正常工作，增加了故障排除的難度。

(3)控制燈板旋鈕多，船員容易誤操作。目前的室外燈控制板功能單一，僅有燈具的開關(guān)功能。操作人員必須熟知船舶各種工況下室外燈開閉狀態(tài)，否則容易產(chǎn)生誤操作，且操作時間長。同時，為了夜間船舶航行安全，夜航時室外燈必須關(guān)閉，若因船員的誤操作導(dǎo)致夜航時開啟關(guān)系到航行安全的室外燈，船舶的運行安全無法得到充分保障。

考慮到傳統(tǒng)室外燈控制器結(jié)構(gòu)存在一定局限性，并且改造成本較大，需另設(shè)計一種操作便捷、界面友好、易于維護(hù)的控制器。

2 新型室外燈控制器系統(tǒng)

為解決上述問題，在設(shè)計室外燈控制器的電源電路和主控電路時，待開發(fā)功能及改善的要點在3個方面：開閉指示燈的設(shè)置、多控制器間電纜連接形式及狀態(tài)同步、各種工況下室外燈編組設(shè)定。

2.1 室外燈控制器電源電路設(shè)計

室外燈控制器電源電路設(shè)計的最根本要求是安全性與穩(wěn)定性，其原理見圖1。

圖1 新型室外燈控制器電源電路原理框圖

室外燈控制器由主電源和應(yīng)急電源供電。

室外燈控制器的電源電路設(shè)計有主電源AC/DC變換穩(wěn)壓電路和應(yīng)急電源AC/DC變換穩(wěn)壓電路。當(dāng)供電電源出現(xiàn)異常時(如電壓超限、斷電)，控制器通過主電源、應(yīng)急電源切換繼電器自動切換輸入電源，以保證控制器正常工作。

主電源、應(yīng)急電源切換繼電器的切換由主電源/應(yīng)急電源電壓比較電路控制，依靠主電源電壓/應(yīng)急電源電壓采集電路提供的電壓信號進(jìn)行運算。

主電源電壓采集電路和應(yīng)急電源電壓采集電路采集到的兩路輸出電壓值，不僅用于主電源/應(yīng)急電源電壓比較電路，同時還上傳至主控電路的微處理器。當(dāng)微處理器通過計算判定有電源故障時，通過電源故障指示燈及蜂鳴器進(jìn)行報警。

2.2 室外燈控制器主控電路設(shè)計

室外燈控制器的主控電路需要對全船室外燈集中管理控制；能夠自檢測、自診斷，實時顯示系統(tǒng)的運行于故障狀態(tài)；能夠兼容外部通信電路，具備可拓展性。其原理見圖2。

圖2 新型室外燈控制器主控電路原理框圖

主控系統(tǒng)主要由室外燈控制通信系統(tǒng)、外部設(shè)備通信系統(tǒng)及操作面板系統(tǒng)組成。

室外燈控制通信系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)信號總線與異地控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對室外燈的開關(guān)和運行狀態(tài)及故障報警的巡檢，達(dá)到智能控制的目的。

外部設(shè)備通信系統(tǒng)采用雙向串行通信，不僅將室外燈控制器的實時運行狀態(tài)上傳至外接關(guān)聯(lián)設(shè)備，還能接收外接關(guān)聯(lián)設(shè)備的控制指令實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

操作面板系統(tǒng)主要由LED指示燈、驅(qū)動電路、操作按鍵電路、蜂鳴器及驅(qū)動電路組成。LED指示燈及驅(qū)動電路可顯示室外燈啟/停狀態(tài)，還可以提供輸入電源運行狀態(tài)、通訊故障狀態(tài)，具有LED指示燈亮度調(diào)節(jié)的功能，滿足用戶在不同應(yīng)用場合的視覺需求。操作按鍵電路由多個復(fù)位式輕觸開關(guān)矩陣排列組成，并由微處理器進(jìn)行信號采集管理?？蓪崿F(xiàn)的主要功能包括：各組室外燈的開/關(guān)控制、室外燈控制器系統(tǒng)自檢、室外燈控制器警報消音、控制器指示燈亮度調(diào)節(jié)。蜂鳴器及驅(qū)動電路是由微處理器進(jìn)行控制的?？蓪崿F(xiàn)的主要功能包括：按鍵操作聲音反饋功能、系統(tǒng)故障報警功能。

2.3 室外燈控制器系統(tǒng)功能設(shè)計

室外燈控制器系統(tǒng)可由異地2個控制板組成，利用外部通訊模塊操作任一面板按鍵信號進(jìn)入微處理器，判斷數(shù)值對象，驅(qū)動對應(yīng)繼電器對室外燈進(jìn)行開關(guān)控制。開/關(guān)運行狀態(tài)同步顯示到異地兩個面板中，對應(yīng)指示燈變化。功能框圖見圖3。

圖3 新型室外燈控制器功能框圖

在此系統(tǒng)中，多個控制板通過數(shù)據(jù)信號CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，取代了多芯電纜，減少了大量的耗材與敷設(shè)成本。另外，控制器還可以提供輸入電源運行狀態(tài)及通訊故障狀態(tài)，達(dá)到智能控制的目的。除了上述的開閉指示、同步控制、故障巡檢功能，控制器還提供了RS485通訊、無源輸出等外部接口以提高兼容性。

值得一提的是，傳統(tǒng)室外燈控制板上一個開關(guān)只能控制一處照明。為改善傳統(tǒng)室外燈控制器操作不便、低效、易錯的問題，新型室外燈控制器可實現(xiàn)各組室外燈編組與一鍵控制，具體對比見圖4。此一鍵控制模式可根據(jù)實際工況對室外燈編組設(shè)定多種工作模式，如停泊模式、裝卸貨模式、系泊模式、航行模式等，不同的工作模式下對應(yīng)不同燈具開關(guān)狀態(tài)?？紤]到工作模式的選擇唯一性，控制器設(shè)定不存在多個工作模式同時進(jìn)行，即任意時段中一處照明有且僅有一個工作模式獨立控制，并且設(shè)定一種工作模式后，仍能通過按鍵單獨控制每路室外燈。

圖4 新型室外燈控制器一鍵控制示意圖

綜上所述，新型船用室外燈控制器系統(tǒng)主要包括以下優(yōu)點：

(1)電源可靠性，采用雙輸入電源設(shè)計，故障時實現(xiàn)自動切換和報警。

(2)界面友好性，新增室外燈開閉指示帶背光調(diào)節(jié)功能，滿足視覺亮度需求。

(3)CAN通訊取代多芯線，利用CAN通訊實現(xiàn)多控制器低成本可靠互聯(lián)。

(4)異地同步控制，可實現(xiàn)多個控制器同步控制室外燈開閉。

(5)在線狀態(tài)監(jiān)測、故障告警，多個控制器面板同步顯示室外燈開閉及故障狀態(tài)。

(6)強(qiáng)大的交互功能，外部接口可讀寫功能。

(7)經(jīng)典的操作界面，簡潔直觀、功能全面。

目前，新型室外燈控制器已順利應(yīng)用于多艘大型運輸船。本產(chǎn)品在提高船員工作效率的同時，一定程度上提高了作業(yè)安全性，節(jié)省了船廠建造成本，節(jié)省了船東運營成本。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)室外燈控制器面板缺少燈具開閉狀態(tài)指示功能、多控制板間接線復(fù)雜、開關(guān)數(shù)量多、操作繁瑣等問題進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)利用數(shù)字化電路設(shè)計和總線通信技術(shù)，給出了新型船用室外燈控制器的設(shè)計方案。

(2)針對船東需求，實現(xiàn)了同步指示、異地控制及一鍵模式等功能。

(3)多艘裝船案例表明了新型船用室外燈控制器系統(tǒng)的可行性與有效性、經(jīng)濟(jì)性與便捷性、可靠性與安全性。