浅谈船舶网络通信中几种关键技术

邵天桥/重庆海事局长江泸州通信管理处

浅谈船舶网络通信中几种关键技术

邵天桥/重庆海事局长江泸州通信管理处

船舶网络通信与普通网络通信相比具有海洋业务的特殊性，船舶机舱环境的复杂、恶劣，要求船舶设备之间的通信抗干扰、实时性强。相比与传统的船舶信息网络中，采用点对点的串行口通信，现代船舶在保留原有通信方式的前提下，采用了实时性好、可靠性强、成本较低、开发难度较小的现场总线系统和兼容性、互操作性好、资源共享能力强的以太网网络系统。船舶可以根据不同的通信环境与信息量需求，采用不同的通信方式进行通信。

RS485通信；CAN总线通信

1.引言

自20世纪70年代起，船舶自动化技术出现了蓬勃的发展趋势，单个设备更加自动化与智能化，各自动化设备之间实现了资源共享，各自动化子系统也进行了有机集成。这就迫切的需要真正实现对一全船各种设备的单点或多点集中监控。随着工控网络通信技术的成熟，特别是串行接口技术的日渐成熟及各种现场总线技术的快速发展，其在工控领域得到广泛的应用，并被IEC(国际电工技术委员会)作为标准采纳，也是大多数船舶自动化设备公司采用的首选现场总线标准。而工业以太网技术在工控信息管理领域的优势也非常适用于船舶。将上述三种网络通信技术结合，可以有效地实现船舶自动化设备之间的相互通信以及各自动化子系统的集成。下面对串行通信接口技术、现场总线技术以及以太网技术在船舶中的应用做简单的介绍。

2.三种关键技术在船舶通信系统中的应用

2.1 RS485通信接口技术

随着计算机技术迅猛发展，串口通信接口技术已经相当成熟。相比并行通信，串行通信因其所用的传输线少，传送成本低等特点，特别适用于远距离通信。同时，由于其接口简单可靠，即使是近距离传输的外围设备也普遍使用串行接口与其它计算机设备进行通信。按照接口的物理电器特性划分，最被人们熟悉的串行接口有:RS232电平接口、RS422电平接口、RS485差分平衡电平接口和光隔离电流环接口。串行通信接口技术广泛应用于各个领域中，船舶行业也不例外。在船舶中，串行通信接口技术主要应用于数据采集、远程的信IV、交换。下而通过具体的例子说明串行通信接口技术如何应用于船舶通信系统中。

其中，RS485总线通信模式由于其工作方式简单、价格低廉、传输距离较远等特点，广泛应用于工控领域中。但一旦通信所依从的环境条件较为恶劣，或者RS485网络设计不当，就会极大地影响RS485通信的可靠性，从而影响整个系统的运行。

2.2 CAN总线技术

现代社会对汽车性能的需求越来越高，智能化控制在不断地推进。智能化控制需要交换大量的数据，如果只从硬件的方面进行改进，成本会提升，而且过程比较繁琐。CAN总线的实现方式就很好的解决了这一问题。1986年，在SAE(汽车工程人员协会)大会上Bosch首次提出了CAN的概念。紧接着在下一年，第一块CAN控制芯片在INTEL被推出；随后Philips半导体推出了8X200。 1993年，CAN的国际标准IS011898公布后，CAN总线在工控方面的到广泛的应用。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它具有分散性、开放性、互用性等特点，因此广泛应用于各种工业控制的场合。现场总线的种类很多，比较流行的有:基金会现场总线FF、CAN总线、Lon Works总线、ProfiBus总线、Hart总线、Device Net总线、Control Net总线、Wor1dF1P以及总线以及P-NET等。不同的现场总线各具有特色，适用于不同的应川场合。自20世纪90年代以来，现场总线技术开始应用于船舶机舱的监视报警和主机遥控灯系统。日前，现场总线技术逐步成为船舶自动化发展的标志。

船舶通信利用CAN总线的良好性能，组成船舶通信控制网络。CAN总线减少了船舶网络的线束数目，是控制结构更为简单，提高了系统的可靠胜。CAN2.0技术规范与OSI（Open System Interconnection）模型中协议层的规范一致，CAN2.0协议规定了OSI模型中的数据链路层和物理层。数据链路层又包含逻辑链路控制层和媒体访问控制层两个子层。逻辑链路控制层有三个功能：帧接收滤波、超载通告和恢复管理，媒体访问控制层是数据链路层的关键，包括发送数据封装、发送媒体访问、接受媒体访问管理、接受数据卸载几个部分。物理层定义了位编码/解码、位定时、同步等功能。一般使用的物理媒介是双绞线，采用差分电压信号传输，一条信号线是CAN_H，另外一条是CAN_L。

在众多现场总线中，目前在船上应用的则以CAN总线和ProfiBus总线为主，不同的设备厂商所采用的总线类型各不同。例如，西门子PLC构建的系统一般采用ProfiBus，而KONGSBERG Maritime等公司的产品则采用CAN总线，如KONGSBERG Maritime生产的AutoChief C20型主机遥控系统，该系统各模块之间通过双兀余CAN总线进行通信来实现安全保护、控制和报警等功能。该公司生产的船舶发送机轴承磨损监控系统(BWM)也是通过CAN网络与AutoChief C20连接而成。此外还有一些厂商采用自己研制的现场总线，如德国的SAM公司等。中国目前也开发了许多基于总线技术的STI-VC2 船舶机舱监控系统；三进科技发展有限公司已成功开发的基于CAN总线技术的CJBW系列全数字式船舶监控报警系统，已在多艘军民船舶上使用。

2.3 以太网技术

伴随着计算机网络通信技术的不断发展，以太网成为目前局域网中采用的最多最广的通信协议标准。这种通信标准已经广泛的应用于工业控制网络，对于船舶控制网络尤其重要。1981年，IEEEprojeetsoZ小组委员会成立，使10Mbit以太网成为一种国际标准。1995年，IEEE批准了IOOMbit/s的以太网，这种以太网被称为快速以太网。

船舶规模的大型化和设备的复杂化使得船舶通信网络的负载越来越大，通信速率的要求越来越高，采用一般的总线型网络己经不能满足其发展需求，而以太网因其传输速度高、易于安装、兼容性好、软硬件产品丰富和支持技术成熟等特点，能够满足船舶自动化控制领域的应用需求而受到青睐。目前船舶局域网主要采用以太网，主要应用于监视与报警系统的上层网络。例如，将与现场总线连接的集控室计算机通过局域网连接到驾驶台和轮机员舱室等，实现全船数据共享。

在船舶自动化中，现场总线一般应用到现场级与监控级中。现场级主要完成对现场数据的采集与处理，并将数据提供给同级或者上级设备，同时接收上级指令，并将指令传送给现场设备或者根据现场设备的数据驱动外围的执行机构等。监控级可以采用与现场级相同的总线协议，它主要完成对现场数据的监控、向管理级与现场级设备提供通讯接口、扩展网络，并完成相应的通信等功能。相比现场级和监控级，管理级是船舶监控系统的核心部分，它主要完成系统管理、主机参数综合显示、与外围其它网络互连、人机交互等功能。由于这级数据量大，管理级的网络一般采用高速以太网。

3.船舶通信中网络通信可靠性的重要性

网络通信可靠性有其特殊性，所以对它的定义也不尽相同。其中有人定义网络通信的可靠性为网路信息系统在长时间连续运行过程中满足用户的通信需求的能力。影响网络通信可靠性的因素主要有：网络通信的构成设备的可靠性、网络通信的管理和维护、网络通信的运行环境、网络通信的拓扑结构、网络通信的故障诊断与自我恢复能力、网络通信的传输质量以及其它影响网络通信可靠性的因素。因此，只有对船舶网络通信的可靠性进行研究，我们才能避免网络通信运行过程中设备故障、信道拥塞、链路失效、通信中断等问题对整个船舶网络通信系统的造成的严重影响。

4.结语

综上所述，船舶网络通信系统主要包括串行通信、现场总线通信以及以太网通信，其中，RS485通信、CAN总线通信与以太网通信最具有代表性同时应用最广泛。目前，将这三种方式有效集成，增加冗余设计，使得船舶自动化系统具有很好的可靠性、实用性、经济性、功能性和拓展性。船舶通信网络涉及到传输、终端设施协议以及相应的运行支撑系统，影响其可靠性的因素很多，如通信设备和通信网络所依存的环境条件、人为故障等。船舶环境较为复杂，大部分的控制系统都没有达到完全自动化，需要人为的操作，即使发生故障，也可能影响整个船舶的正常运行，同时，船舶通信网络对设备间信息传输的实时性要求严格。因此，RS485、CAN总线和以太网这三种通信的关键技术的可靠性研究，对提高船舶通信系统的稳定性、实时性、安全性起着至关重要的作用。

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邵天桥（1969_），男，重庆万州区人，重庆海事局长江泸州通信管理处副主任，本科，从事通信信息管理与维护。