基于通用化的船舶监控装置设计*

王 磊 何晋秋

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)



基于通用化的船舶监控装置设计*

王 磊 何晋秋

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064)

随着船舶自动化程度的不断提高,针对船舶系统监控装置的技术特点,设计了基于通用化设计思想的船舶监控装置,详细介绍了监控装置的组成、硬件设计和软件设计,可以实现多类型、多通道信号的采集处理和控制,有效解决了设备型号多、资源浪费、维修不便的问题,并已成功应用到船舶上。

船舶系统; 通用化; 监控装置; CAN

Class Number TP393

1 引言

随着船舶技术的发展,其通用化程度、自动化程度以及可靠性等重要技术指标得到不断提高。但随着专业分工的细化,受传统格局的制约,各个船舶分系统各自为政,这种各系统自成体系的模式为当时历史时期的系统研制和管理带来了方便,但是,随着船舶标准化、维修性要求的不断提高,这种各自为战的模式越来越体现出缺点和不足：一是船舶分系统较多引起的监控装置型号较多；二是由于监控装置型号较多带来的维修不方便。

根据具体分系统的要求,很多同类型监控装置性能指标可能有所不同,但分系统的具体原理区别不大,从监控的角度来看甚至没有区别。深入分析各分系统的功能和结构,综合考虑其监控技术需求,研制可适应于不同分系统的通用化监控装置,是解决监测装置类型多、维修不便等问题的有效途径。

通用化监控装置是指同一类不同规格或不同分系统中,用途相同的装置,经过统一以后,可以彼此互换的一种标准监控装置。显然,通用化要以互换性为前提,主要有两层含义,即尺寸互换性和功能互换性。

采用通用化的设计思想,通过顶层优化设计,建立一种构架合理、扩展性强、接口标准、配置灵活的监控装置,可缩短各分系统研制周期,减少工作量,避免了重复设计,同时可为后期维修带来很大方便,提高了设计效率和质量。

2 功能

基于通用化设计的船舶监控装置主要实现以下功能：

1) 采集功能：多测点、多类型参数是船舶系统参数的主要特点。该装置主要采集船舶系统的模拟量和数字量信号。

2) 显示功能：在友好的人机界面上实时显示被监测参数值和系统重要设备的运行状态参数。

3) 数据通信功能：通过设计CAN总线、RS422总线接口,实现监控装置与船舶总线的数据通信。

图1 功能模块组成

4) 控制输出功能：根据系统指标要求,实现系统设备的电动控制。

根据监控装置的功能需求,将监控装置的基本功能模块划分为中央处理单元、测量模块、通信模块、控制输出模块、人机交互模块、显示输出模块及集成电源模块。

3 硬件通用化设计

监控装置需测量转换的输入信号种类多,且不同种类又有不同的数量。尽管如此,由于所选用的传感器主要采用4mA～20mA直流电流和0V～5V电压信号,触点信号主要为无源和有源触点,所以可以实现电路通用化设计。

一块通用测量模块具有11路模拟量信号输入通道、3路总线通讯(2路CAN和1路RS422)接口、1路以太网通信接口、44路开关量单端输入口(带光电隔离)、16路开关量双端输入口(带光电隔离)、16路开关量单端输出口、10路开关量双端输出口(带光电隔离)、3个八段数码管段驱动通道、12组数码管(每组3个八段数码管)扫描驱动通道。根据硬件设置,测量模块可以实现16种功能方式。

1) 模拟量信号通用采样电路

模拟量信号输入通道共11路,每路模拟量信号通道将输入的4mA～20mA电流信号转换成电压信号(I/V变换),经隔离处理、差动放大后,送入带11路模拟输入和串行控制器的A/D转换器(12位)。A/D转换器将11路模拟量输入信号变换成数字信号后,以串行方式发送给单片机。

图2 模拟量采样电路

图3 开关量采集电路

2) 开关量信号通用采集电路

44路开关量单端输入口通过光耦采集44个无源开关的状态,16路开关量双端输入口通过光耦采集16个有源开关的状态,开关导通时光耦导通并输出低电平,开关断开时光耦截止并输出高电平；60路电平信号经8个8位移位寄存器转换成串行信号后发送到单片机。

3) 模块功能选择电路

单片机通过采集I/O口RA0～RA3的状态来确定输入信号的种类,RA0～RA3的状态可通过短接连接器选择不同的短接点来确定,采用BCD码设置方式,共可设置16种功能。单片机根据输入信号种类运行相应的信号处理程序并通过通用测量板上发光二极管循环闪烁的闪烁次数区分不同的信号处理程序。

4) 总线通讯接口电路

工业控制现场总线的种类很多,在船舶控制领域广泛应用的通信方式主要是RS422/485、CAN总线及工业以太网方式,因此每个通用模块设计2路CAN总线、1路RS422及1路以太网接口,实现监控装置内部和外部数据通信。其中,CAN总线和RS422接口电路如图4所示。

图4 模块功能方式选择电路

图5 通讯接口电路

5) 控制输出电路

根据以为应用经验,控制输出通道数量较测量通道要少,因此根据控制对象主要是开关控制,研制了通用的控制输出模块,各个输出通道均进行光耦隔离。

4 软件通用化设计

在监控装置软件设计中,也充分考虑通用化设计思想。整个监控装置的程序由一个主程序和若干个功能子程序组成,还有一个中断子程序。一个子程序对应一种设备功能,可由用户设置来确定。程序组成图如图7所示。

图6 控制输出电路

图7 软件组成图

软件设计为一个通用测量软件,通过测量模块上跳线设置来选择当前运行的子程序。软件固化在测量模块单片机的程序存储器中,上电后自动运行。程序中根据A/D转换芯片采集的数据经滤波、去抖处理,并根据零点和斜率进行数据处理,最后变换成显示值送到面板显示。流程图如图8所示。

图8 软件流程图

在数据处理程序中,需要对输入模拟量进行数据处理,才能变换成显示值送到面板上进行显示。由于被测量对象基本上是线性的,所以在软件中采用两点确定一条直线原理来确定被测量值。直线的表达式为

y=kx+b

其中：y是显示值；x是输入测量归一化后的值；k是斜率；b是偏移量。

为了计算出斜率与偏移量,需要两组输入值和显示值来列举方程组。设两组对应关系为：(x1,y1),(x2,y2),其中前者为低点,后者为高点；得出方程组：

y1=kx1+b

y2=kx2+b

得出斜率与偏移量的计算公式为：

k=(y2-y1)/(x2-x1)

b=y1-((y2-y1)/(x2-x1))×x1

在进行数据处理过程中,通过将输入的模拟量的低点(或零位)和高点(或最大显示值)带入上述公式进行换算,便可以实现模/数转换的斜率和偏移量的设定(或调节)。

5 结语

通用化是船舶系统设备发展的大趋势,监控装置作为船舶设备的重要类型,有效解决了设备型号多、资源浪费、维修不便的问题。通过对通用化概念的分析,针对监控装置的具体设计,在通用化、标准化上做了深入的工作,对测量、通信等硬件,以及软件初步做到了通用特性的实现,各项功能和性能满足船舶分系统的使用要求,对于船舶系统其它设备的研制、设计有着重要的参考价值。

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Design of Ship Monitoring Equipment Based on Generality

WANG Lei HE Jinqiu

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064)

With the development of the ship automatization, focusing on the technic-characteristics of the ship monitoring equipment, this paper introduces ship monitoring equipment on the generalized idea, and introduces the compose, design of hardware and software of the equipment. The equipment can manage and control many types and channels signals at the same time, and solve the problem of lots of types, waste of resources and repair inconvenience. It has been used in one ship.

ship system, generality, monitoring equipment, CAN

2014年7月10日,

2014年8月29日

王磊,男,硕士,工程师,研究方向:船舶控制技术。何晋秋,女,高级工程师,研究方向:船舶电气控制。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.038