一种机舱综合报警系统设计探讨

林明冲 王敏 王志华

摘 要：本文探讨一种船舶机舱监测报警系统的设计，该系统具有以下特点：(1)系统模块化，便于工程调试人员和船员维护;(2)减少船舶监测报警系统的电缆使用量，节约工时成本;(3)系统扩展性好，可以按需方便增加监控点;(4)故障风险分散，单节点故障不影响系统运行;(5)冗余设计，提高系统可靠性。

关键词：报警系统；CAN总线；信号采集

中图分类号:U664.82+1文献标识码：A

A Design of Alarm and Monitoring System

LIN Mingchong, WANG Min, WANG Zhihua

（Guangzhou Hangtong Shipbuilding and Shipping Co.,Ltd. Guangzhou 510290）

Abstract: Discussion on the design of a kind of engine room monitoring and alarm system in this paper, the system has the following characteristics: （1） System modularization, convenient for engineering maintenance；（2） Reduce the usage of the cable in alarm and monitoring system, reduce the construction man-hour cost；（3）System scalability, increase the monitoring point conveniently according to the requirements；（4）Scattered failure risk, single point failure does not affect the operation of the system；（5）Redundant design, improve system reliability.

Keywords: Alarm system; CAN bus; Signal acquisition

1 概述

船舶机舱监测报警系统是轮机自动化的一个重要内容，它能够准确可靠地监测机舱内各种动力设备的运行状态及其参数。一旦运行设备发生故障，自动发出声光报警信号并进行报警打印记录，故障的状态全部显示在集控室的监视屏上。因此，值班轮机员不需要到机舱进行巡视，只要在集控室内就可以了解机舱所有设备的运行状态及其参数，从而可以减轻轮机管理人员的劳动强度，改善工作条件，及时发现设备的运行故障，提高设备运行的可靠性。

机舱综合报警系统分为传感器、采集硬件和软件系统及通信模块几部分。采集硬件将大量的物理参数如温度、压力、开关状态等数据通过传感器采集，然后远程传输到机舱控制室，通过通信模块上传到上位计算机。对于无人机舱的船舶，机舱监控报警系统要长期连续运行，机舱内环境恶劣，系统不仅要克服船舶的震动、摇摆以及各种电气设备的电磁干扰，还要适应机舱内的潮湿、有腐蚀性的盐雾等环境。因此要求机舱报警系统可靠性高、实时性好、系统容量大、抗震、扩充性和耐腐蚀能力强。

2 系统方案简介

本文主要以某多功能锚作供应船为实例，介绍一种机舱综合报警系统的设计。该机舱综合报警共需检测报警点356个，实现设备故障监测报警及温度、压力等模拟信号显示，具备延伸报警、轮机员值班选择等功能。356个设备故障监测报警点中：主机63个/台（共2台）；发电机22个/台（共2台）；首侧推17个/台（共2台）；尾侧推19个；大绞车14个；齿轮箱11个/台（2台）；CPP24个/台（共2台）；液位报警28个。以上系统占了整个报警系统91%的份额，基于此，本系统的信号采集根据设备的就近原则，分为8个信号采集箱布置（如图1）：左主机采集箱；右主机采集箱；左CPP&齿轮箱采集箱；右CPP&齿轮箱采集箱；发电机采集箱；液位采集箱；尾侧推采集箱；首侧推采集箱。由于信号采集箱布置在被监控设备旁，甚至安装于设备上，就地采集及处理，然后通过数据总线方式传输给主站，较原将采集箱置于集控室的设计，不仅大大减少了监控报警系统电缆的使用量，同时减少了施工的难度，显著降低施工成本。

图1 信号采集箱的分布

在通信总线选择上，选用高速率、实时性好、容易实现等诸多优点的CAN总线进行采集箱与主站的数据传输交换。CAN总线为一种具有国际标准的总线（ISO11898），用于数据传送，具有以下特点：

（1）节约电缆，只需两芯电源线、两芯信号线、普通对绞线即可进行主从站数据通信，完成数据交换，节约施工成本；

（2）CAN总线上的子站可以分优先级，采用非破坏总线仲裁技术，当两个节点同时通信时，优先级低的节点主动停止通信，使其在重负载的情况下也不会造成网络瘫痪（以太网则有可能）；

（3）CAN总线最高传输速率可以达到1 m/s，速率与距离关系如表1所示，本系统采用500KBPS通信速率，总线长度可达到100 m，满足船上主站与采集箱之间的布线长度需要，且在此速率下可以满足船上的数据交换的实时性；

表1 CAN总线传输速率与距离关系

（4）任何一个节点，在严重错误的情况下，自动从总线切除，不影响别的节点运行，保证系统的稳定性；

（5）通信数据块进行编码，代替了传统的地址编码，由于不使用与系统结构相关的信息（如节点地址等），因此节点性能与他们在网络中的位置无关，可以实现在线上网、下网和即插即用，方便维护检修；

（6）数据出错率低，采用CRC校验，保证了极低的出错率。

本船入级ABS，需满足ACCU入级符号要求，根据船级社规范及船东要求，该系统设计有3台工作站，2台安放于集控室，一台安放于驾驶室前台。延伸报警单元为7个,其中1个安装于驾驶室后台,4个分别装于轮机长、大管轮、二管轮、三管轮房间,其余2个装在公共场所。主站与工作站、延伸报警单元的通讯距离长，数据量大，组网节点多，因此通信方式适于选用以太网通信技术。

综上所述，整个系统采用了CAN总线与以太网混合组网。系统实现信号采集、报警显示、延伸报警报警、值班选择、记录打印等功能，设计结构图如图2所示。

图2CAN总线与以太网混合组网设计结构图

3 系统设计

本系统基于CAN总线与以太网混合通信，上层网络采用标准的TCP/IP协议，整个以太网网络采用了冗余的环网设计。下层采用了CAN总线传输，双总线冗余。信号的采集通过采集箱处理后，每个采集箱都同时接入BUSA总线与BUSB总线，再分别由主站1与主站2进行数据的读取，并通过PLC进行处理，转换为标准的TCP/IP以太网协议，通过网关组成一个冗余的局域环网，工作站与延伸板接入网络后，其装载的组态软件通过网线接收数据，脚本处理后，实时显示机舱设备的监控情况。

3.1硬件部分

3.1.1 信号采集箱（CAN子站）

采集箱主要功能是直接与现场的传感信号相联，完成信号采集及处理，数据上传至主站。它由主控制器、AI模块、DI模块组成、CAN总线收发器等组成，采集箱模块具备以下功能：

（1）通过AI模块采集4~20 mA或0~5 V电压信号；

（2）通过DI模块采集开关量信号；

（3）电源变换及隔离电源输出；

（4）通过CAN总线接口与主站通信。

此采集箱硬件设计，可以采用低成本高性能的单片机来作为采集箱的主控制器，完成信号的采集与网络传输，降低硬件成本。而且信号采集板采用可拆卸的积木结构，易于拆除更换，具有易维护性。下面以8路模拟量采集及数据CAN总线上传至主站的模块设计为例，抛砖引玉。该电路由ATMEGA128单片机、多路选择芯片MAX4638、精密电流/电压变化芯片RCV420、信号隔离ISO122、光耦TL117、CAN总线控制器MCP2515、CAN收发器MCP2551、隔离光耦6N137等组成，成本低，集成度高，设计结构图如图3所示。单片机的PD5、PD6、PD7引脚通过光耦TL117与MAX4638的A1、A2、A3相连，实现对8路4~20 mA模拟量的选通，选通的4~20 mA电流信号通过RCV420转为0~5 V信号，经过模拟量线性隔离芯片ISO122进行隔离，送入ATMEGA128单片机中处理，完成A/D（模拟量/数字量）转变存放于缓冲区。缓冲区的数据由MCP2515及MCP2551组成的CAN总线接口发送至主站。MCP2515与MCP2551使用高速光耦6N137隔离以提高抗干抗性。

图3 8路模拟量采集及数据CAN总线上传至主站的设计结构图

3.1.2 主站

主站与采集箱进行CAN双向通信，完成采集箱传送数据的接收，进行数据的程序处理，传输给工作站及延伸板显示及可编程的输出，同时工作站指令的发送下发至采集箱。主站由西门子S7-300 PLC、CAN300（CAN总线扩展模块）、SM321（开关量输入扩展模块）、CP343-1（网络模块扩展模块）、SM322（开关量输出模块）及外围电路组成，在监视与报警工作时，消音、确认、测试等按钮的开关量状态都通过西门子S7-300 PLC扩展模块EM321采集输入，通过CAN总线传送过来的采集箱数据由CAN300读取，在PLC中集中处理，然后通过网关送到上位机和延伸板显示。当有监测点报警时，通过西门子SM322可编程输出模块输出，串入外部24V电源驱动报警灯显示、蜂鸣器报警。

3.1.3 工作站

本系统由三个工作站组成，集控室的两机热备用，运行相同的程序，实时地接收数据，并记录入自己的历史记录数据库。任何一台通信失效时，发出通信故障报警，但不会影响另外一台的使用。

3.1.4 延伸报警板

延伸报警板由触摸屏及测试按钮、消音按钮、蜂鸣器、报警指示灯、值班指示灯组成。通过网络可将本船所有设备故障报警延伸到值班轮机员处所。当值班选择系统的开关选定指定轮机员时，值班轮机员处的伸延报警板和值班选择板上面的值班指示灯亮。如机舱有报警触发，值班轮机员延伸板有声光报警，而非值班轮机员处的延伸板，只有灯闪而无声音报警，避免影响非值班轮机员正常休息。

3.2软件部分

工作站及延伸报警板运行的组态软件，不断读取PLC通过网络传输过来的数据，不断刷新当前报警状态及显示值，同时对报警参数的修改也通过网络传输给PLC进行设定值的更新，本系统的软件实现的主要功能为：

（1）故障报警输出：当系统检测到故障状态时，系统发出声光报警，在得到应答后，如故障依然存在时系统停止声音输出，指示灯平光;只有消除报警后，指示灯才灭。但消声后不会影响下一个报警点的触发；

（2） 实时显示被测参数：在系统的软件界面按分组显示所有机舱参数条目，包括名称、当前值、单位、上限值、下限值以及报警状态。以红色显示当前监测点处于报警状态，绿色表示正常，以柱形条显液位，虚拟仪表显示转速、压力、温度等形式，满足数据显示的直观性；

（3）历史记录查询：输入关键词或起止日期，可以查询到相应的设备运行记录；

（4）记录打印：系统接有一个报警记录打印机，软件设有自动打印功能开关，当自动打印功能开时，报警触发时，系统启动打印机，实时打印当前的报警时间、状态等信息。手动打印时，可以打印当前存在的所有的报警点，同时也可以通过设定起止时间进行

（5）延时报警：当船舶航行时，随船的摆动，油水柜的液位来回波动，容易触动液位开关产生误报警，设置只有触点状态改变持续的时间大于延时时间再输出报警，可以有效消除误报警；

（6）闭锁报警：当船上的主机、主发电机、齿轮箱等系统正常停机时，压力点或温度点会降低到报警值，此不为故障报警。通过闭锁功能，当正常关机时，只显示当前实际的状态值，但并不发出声光报警；

（7） 权限限制：操作员需凭设定的用户名与密码进入，获取权限，才能修改有关参数；

（8） 失职报警：当报警发生后，如果3分钟内没有轮机员去应答，系统就会产生呼叫船上所有的轮机员，以提醒值班人员的失职。

4结束语

机舱报警系统的设计，要针对项目船型所提出的监控要求，对数据采集系统、船上设备布置及可靠性等进行先期分析，进行总体的策划，基于成本及使用要求，选取合适的网络拓扑结构及硬件选型。软件设计方面，要以满足客户需求为原则，拥有良好的用户体验。同时，软件要有开放性、可靠性、易扩展性。

参考文献

[1]杨春杰，王曙光，亢红波.CAN总线技术.北京航空航天大学.

[2]李正军.现场总线与工业以太网及其应用技术.机械工业出版社.

[3]李江全.案例解说组态软件典型控制应用.电子工业出版社.

[4]江海波.深入浅出AVR单片机——从ATMega48/88/168开始.中国电力出版社.

作者简介：林明冲（1986-），男，助理工程师。从事船舶电气施工管理工作。

王 敏（1983-），男，助理工程师。从事船舶电气设计工作。

收稿日期：2014-01-17