基于CAN总线的散货船机舱监测报警系统研究

2017-01-17黄丞,王荣

江苏船舶 2016年5期

关键词：散货船机舱总线

黄丞,王荣

(上海船舶研究设计院，上海201203)

基于CAN总线的散货船机舱监测报警系统研究

黄丞,王荣

(上海船舶研究设计院，上海201203)

首先分析了船舶机舱控制对象的特点以及典型监测报警系统的组成及功能，结合K-chief600先进系统提出了基于CAN总线的网络体系结构；其次分析了用于某64 000 DWT散货船的监控报警系统的组成单元设计过程；最后对该船监控报警系统功能的实现进行了详细分析。

散货船；CAN总线；机舱监测报警系统

0 引言

机舱作为船舶的重要组成，其自动化水平成为衡量船舶总体水平的重要标准。自1961年日本首次实现机舱集中控制和驾驶室遥控主机以来，目前的机舱领域正在向着高度集成、网络控制、高速智能的方向迈进。

船舶机舱监测报警系统是船舶自动化体系的关键构成部分，通过该系统能够随时了解机舱里面诸多设备的运行情况以及参数信息。另外,在此基础上可以实现错误指示、故障报警、控制恢复和日志记录等功能。目前机舱监测报警系统这些功能是通过现场总线技术来实现的。

应用CAN总线技术进行机舱检测的好处主要体现在这些方面：实时性良好、远距离传输、有效抵抗电磁干扰、成本更低；引入双线串行通信技术，错误识别率更高，对噪声干扰抵抗性强；实现优先权以及仲裁功能，利用CAN控制器将不同的控制模块和CAN-bus连接在一起，搭建多主机局部网络；以报文ID为依据，选择接收或屏蔽报文；能够有效识别错误并对其进行处理；如果发送信息出错，无需人工操作就能够重发；如果节点出现无法修复的错误，能够自动断开和总线的连接；报文信息有源地址、目标地址等，通过标志符显示功能以及优先级信息。

本文研究的64 000 DWT散货船是新一代灵便形海豚系列散货船，入级DNV、LR、NK、BV、GL等船级社。全船总长199.9 m,型宽32.26 m,服务航速14.4 kn。该船机舱分为上平台、下平台以及底层。全船机舱报警点数约为400个，包括了模拟量的输入输出以及数字量输入输出。

本文在参考Konsberg的K-chief 600先进系统的基础上，提出了基于CAN总线的机舱监控报警系统用于64 000 DWT散货船控制。

1 CAN现场总线技术

1.1 现场总线控制系统介绍

现场总线是指在工作现场对各种设备控制系统进行互联，并实现它们之间的双向串行多节点数字通信，是处于总体控制网络最底层的网络，它的特点主要表现在开放、分散、智能、双向等方面。现场总线控制系统(FCS)基于具有开放性的通信网络，达到全分布控制目的，通过将智能设备进行连网控制，实现补偿计算、参数调整、报警、监控等目标[1]。

1.2 CAN的定义和技术规范

1.2.1 CAN节点的分层结构

CAN总线参照并遵循OSI参考模型进行设计开发。为提高通信速度、促进设计透明、降低接口成本，系统中仅设置物理层和数据链路层，各层的结构和功能如图1所示[2]。

1.2.2 CAN系统的4种不同类型帧的功能

CAN 系统以数据帧、远程帧、出错帧、超载帧共4种不同类型帧的形式来表示和控制数据的发送和接收过程。CAN 协议采用了带有冲突检测载波侦听多路访问技术，该技术可有效控制由多站数据发送导致的信号互扰，当节点在检测并确定总线上的间歇场未被“显性”中断时，即可访问总线发送信息。当多个节点同时发送时，总线按照 “按位仲裁”方法应对总线访问冲突。在应用该方法时，发送器首先释放位电平，然后以总线电平为标准对比，如果两者的大小一致，节点保持发送行为；若不相等表明节点丢失仲裁，不应继续发送。

图1 CAN总线的分层结构和功能示意图

在CAN总线中存在位错误、填充错误、CRC(循环冗余校验)错误、形式错误、应答错误共5种错误类型并各自有对应的错误界定方式。当检测到错误的存在时，逻辑链路控制子层就会获取这一信息，介质访问控制子层通过错误标识完成标定操作。

1.2.3 位定时与同步

因为CAN总线上所有节点都必须具有相同的比特率，而在数据传输中并不对时钟信号进行编码，因此时钟信号须由接收节点恢复并与发送器的时钟同步。本文所采用的SJA1000总线控制器通过数字锁相环(DPLL)来实现位定时，将DPLL设置为与接收数据同步，并以此为依据标定发送数据的时间。

2 机舱监测报警系统总体设计

2.1 K-Chief 600系统设计方案介绍

K-Chief 600监控报警系统包括报警监测系统、辅助控制系统、电站管理系统等，其硬件由分布式处理单元DPU、本地操作站LOS、迷你操作站MOS、遥控操作站ROS和值班呼叫系统WCS等构成。其系统框图如图2所示，其中DPSC为数据处理。

图2 K-Chief 600监控报警系统框图

2.2 船舶机舱监控系统组成及其功能

船舶监测报警系统根据《钢质海船入级与建造规范》和《船舶机舱监视报警装置技术条件》，以满足无人机舱、船级社规范及国际公约法规的相关要求为目标，设定系统预期的组成和功能如下[3]。

2.2.1 双冗余网络

双冗余网络用于连接系统中每个节点。本文拟将通过设置部分冗余(物理介质冗余)来保证网络的可靠运行。

2.2.2 工作站

工作站用于提供人机界面与操作接口，具有自检功能。每台工作站包括：工控机、显示器、输入设备等硬件以及操作系统、MIMIC图等软件。

2.2.3 备用电源

备用电源(UPS)用于在主电源(主、应急配电板供电)失电的情况下(该报警应送至AMS)。系统能自动启用备用电源，提供并维持一定时长的供电，确保监视系统在全船失电情况下都能正常工作。

2.2.4 报警打印机

报警打印机设置在报警单元或终端，用于监测参数打印记录和故障报警打印记录。

2.2.5 信号采集箱

信号采集箱用于下层设备运行参数采集，一般安装于机舱中，直接连接各类传感器。

2.2.6 传感器

传感器有压力、温度、液位、流量、位置、转速等，与数据采集模块相连实现现场数据采集。

2.2.7 延伸报警系统

延伸报警系统是无人机舱必备系统。通过配备一定数量的延伸报警板至驾驶室、公共场所、轮机长和每个轮机员房间，在机舱无人值班的情况下发生机舱报警时，通过声光报警的形式提醒当班轮机员或其他轮机员及时处理故障。

2.2.8 轮机员安全系统

轮机员安全系统一般在机舱入口处设置启/停按钮，在机舱梯道附近设置一定数量的复位按钮，供轮机员巡视机舱时定时去复位，防止轮机员因受伤等原因不能及时被发现而失去救助。

2.2.9 外部通信接口

外部通信接口有VDR、装载计算机、发电机、主机、锅炉、液位遥测阀门遥控系统、PMS等。

2.2.10 报警功能试验和自诊断

为保证系统各功能的正常工作，并查找故障，系统可以对除传感器外的各部分进行测试和检验，这些测试通过设置在控制室操纵台上的相关按钮进行。该功能可以对指示灯、监视通道、传感器、闪光源、电源等进行自诊断，便于发现系统自身问题并及时解决。

2.3 机舱监测报警系统的报警原理

AMS系统监测的信号可以分为两大类[4]：开关量信号包括设备的启停、液位的高、低等，模拟量信号包括温度、压力、转速、流量等。

2.3.1 开关量报警原理

开关量报警控制单元工作流程为：将开关量传感器监测的信号转换为电平信号；通过延时环节输出，以避免误报警；对延时环节输出的信号进行逻辑判断，以控制故障指示灯、启动声响报警、分组报警及故障打印。

2.3.2 模拟量报警原理

模拟量报警控制单元工作流程为：将传感器检测到的模拟量信号转变为电压信号；通过电压信号和标准值的比较，判断参数正常与否及报警类别；选择并控制参数测量值或报警值的显示。

3 监测报警系统组成功能设计实现

64 000 DWT散货船采用ME-C电喷柴油机，其控制系统软硬件由MAN-B&W公司设计。基于此，本节主要分析散货船主机监控系统中的监测报警和安全保护2个部分。

3.1 监测报警子系统

64 000 DWT 散货船监测报警子系统综合考虑散货船的机舱分布以及系统的寿命和可靠性要求，配置如下：主机控制台上装设UNO-2052E型微机、40 cm×30 cm LCD显示器、DPU-414型热敏打印机、报警灯板ALP、CAN网桥；安装与前后主机舱以及齿轮箱(GB)舱的延伸报警板EXA和数据采集箱DAB。系统原理如图3所示[5]，其中CAN BRIDGE为网桥，APICM为主动力工控机，DIU为数据接口单元。

图3 64 000散货船监测报警子系统原理图

3.2 遥控安全保护子系统

本船遥控安全保护子系统由安全系统与遥控系统组合实现。通过借鉴K-Chief 600系统经验，设置遥控系统的具体控制功能见表1，设置安全保护子系统的故障情况与报警设置的对应关系见表2。具体就硬件来说，实现安全保护功能依赖于安全保护控制器ESC、安全保护灯板及传感器；主机配备独立的遥控系统进行控制。主机遥控安全保护子系统原理如图4所示。

表1 遥控系统功能设置

表2 故障情况与报警设置的对应关系

图4 主机遥控安全保护子系统原理

3.3 电站监控系统设计研究

64 000 DWT 散货船的电站监控系统主要是通过使发电机组在其控制、监测、报警、保护等功能作用实现过程中达到电力供应安全、稳定、可靠、连续的目的，其中机组的安全保护和电站的功率管理是系统功能的核心所在。通过借鉴K-Chief 600系统经验，设置电站监控系统的监测和控制功能，其功能设置分别见表3和表4。

经过以上分析，64 000 DWT 散货船电站监控系统中设置电站、主配电板、辅机舱和主机舱4个位置的监控单元。系统布置遵循集散方式，为本船拥有的3台发电机组安装独立的微机控制器，实现控制管理的目标，控制器和操纵显示面板共同呈现遥控操作机组和监控功能的相关参数。另外，配备3个自适应数据采集器对机组监测点参数进行采集，数据经转换后通过CAN网络传送至上位机集中管理。在电站监控台设计安装1套管理微机，包括：动态模拟屏、报警灯板、电源显示灯板等组成单元，实现数据的管理、查询、打印、记录等功能[6]。

表3 电站监控系统监测功能设置

该系统的创新之处在于将全船400个参数测控需求通过CAN总线节点分散落实到现场监控层，在保证散货船电站安全、可靠运行的情况下实现高效监控管理。此设计可以直接作为全船自动化系统中的一环，方便后续扩展功能的实现。图5为在64 000 DWT散货船中基于CAN总线构建的电站监控系统组成框图，其中，粗实线即为CAN现场总线。

4 结论

结合机舱监测技术研究现状及发展趋势，本文首先论述了应用现场总线的网络化控制系统的优势和好处，利用比较方法，剖析所有现场总线的技术特点并结合船舶机舱监测报警系统的功能和技术要求，选定CAN总线并将其应用于散货船机舱监测报警系统；通过详细介绍CAN总线的应用特点和技术规范，参照先进K-chief 600系统给出了监测报警系统的网络总体设计方案；然后集中论述了监测报警系统各软、硬件组成单元的选型设计，最后以64 000 DWT散货船3个重要设备方面的监测报警为切入点，设计并实现了对机舱设备多种运行参数的现场数据采集、信息综合处理和显示、超限报警以及重要参数的现场就地显示等功能，实现了预期的效果。实际运行结果表明，将64 000 DWT散货船400个参数测控需求通过CAN总线节点分散落实到现场监控层，在保证散货船电站安全、可靠运行的情况下可实现高效监控管理。