船舶综合集成自动化系统内外接口标准研究

张 云，余勇林

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

1 前言

船舶设备随着电子技术的发展，集成的功能越来越强大，对应的设备检测报警点也越来越多。船舶自动化系统作为船舶设备检测报警的综合显示终端和部分设备的遥控终端，基本上与船上所有设备都有接口关系。船舶设备的原理和控制模块的多样性，对自动化系统的接口兼容能力要求很高。本文主要在对自动化设备和系统的内外接口类型进行全面梳理的基础上，对电力﹑机械控制﹑特种设备系统内部和系统间的监测集成控制联调技术进行研究，以及对相关系统电气接口信号类型﹑数据通信协议种类﹑需集成的主要自动化设备和系统等进行研究，以期攻克综合集成自动化监控系统的接口协调技术难点。

2 系统内部接口研究

综合集成自动化系统按系统结构及功能，分为系统内部接口及外部接口；系统内部接口主要是基于系统内部各硬件之间通信及控制信号的传输；系统外部接口主要是指外部系统连接到自动化系统内，用于系统控制﹑报警﹑显示等用途的信号传输[1]。常规船自动化系统的结构示意图，如图1所示。

图1 自动化系统结构示意图

图1自动化系统中的设备主要有：数据采集分站﹑延伸报警模块﹑网络交换机﹑RS485通信网关等。

装置通过100 Mbps双冗余以太网络和CAN网络实现整个系统信息共享。下位机采用HT-MAS11型监测系统的数据采集分站（包括开关量﹑模拟量I/O模块）完成系统各种参数的采集，通用监控站内部采用双冗余CAN现场总线通讯，通过网关将CAN数据转换到以太网；上位机采用工控机，与各通用监控站及各延伸报警模块﹑计算机网络通过双冗余以太网连接，完成对参数的采集﹑参数屏幕显示﹑参数数据报警和打印记录等功能，同时将重要参数发送VDR（留有RS-485接口）。

自动化系统的内部接口，主要是各网络交换机﹑采集箱﹑分站之间的接口，考虑整个系统采用何种通信方式，以使各硬件设备进行快速﹑稳定的交换数据。

3 系统外部接口研究

随着科技的发展，通信手段也越来越丰富，反映在船舶上的通讯形式也越来越多。对于报警点或控制点较少的系统，可使用开关量或模拟量等形式实现，对设计及调试方便；但石油钻井平台﹑海洋工程勘探船等特殊船舶搭载众多复杂的设备，势必会应用到较多串口通讯。虽然目前有IEC等相关标准，但各设备厂家使用的串口通讯形式不尽相同，如IEC已采用为国际标准的现场总线就有12种之多，因此确定好该类船舶使用的通讯接口及协议类型尤为重要。

目前用于船舶上的自动化接口，主要有以下几种类型：

（1）输入信号

PT100温度传感器；

电位计信号；

电压信号；

电流变送器4...20 mA / 0…20 mA；

开关量信号(分无源及有源信号)；

脉冲信号。

（2）输出信号

电压信号±10 V, 0…10 V；

电流信号4…20 mA, ±20 mA, 0...20 mA；

开关量信号。

（3）串行连接输入/输出信号

Modbus - RS232, RS422, RS485；

NMEA - RS232, RS422, RS485, TTY；

ProfiBus - RS485；

DP (decentralize periphery) - RS485；

IE (industrial Ethernet) - RJ45；

ASCII - RS232, RS422, RS485, TTY；

CAN等。

以上所列各类接口类型，汇总见表1。

在船舶设计过程中，自动化系统的外部接口产生的过程如下：

（1）根据总规格书中设备配置，预估报警点数签订自动化技术协议；

表1 各类型信号接口汇总表

（2）各设备在签订技术协议时会预留自动化接口，一般选用常用接口标准，但每个设备选取的接口标准会不一样；

（3）根据收到的设备资料及规范要求，汇总各设备报警点及接口类型；

（4）厂家根据收到的报警点清单（自动化明细表或IO-LIST）设计各采集箱的模块配置。

在外部接口产生过程中，经常会出现各种各样的技术协调问题，例如有些通信接口协议在前期设计中未定义好，或存在非标准语句的格式，在调试过程才发现通迅接口不一致的情况，极不利于船厂调试工作的进展。常见的典型问题如下：

（1）PT100温度传感器：需要前期确认好传感器的输出信号类型，如：有些变送器输出信号为4-20 mA模拟量信号，有些变送器只是PT100电阻，需要信号采集方配置测量电桥，且有二线三线四线等连接方式。如在设计初期未确认好，后期更改会事倍功半；

（2）电压信号：需要前期确认好电压信号的范围，如±10 V﹑±5 V﹑0～10 V等。应尽量采用常用电压等级，如有比较特殊的电压范围应及时沟通；

（3）开关量信号：此类信号基本是目前最常用的信号，也最易被忽视。例如，某型船出现过如下问题：启动箱为AC380V电压等级，部分开关可在自动化系统遥控，电路图如图2所示。

图2 启动箱电气原理图

从图2可以看出，启动箱提供的远程遥控开关的接口是AC380 V，而该船自动化系统提供的DO接口电压等级最高为AC220 V，这也是自动化系统常规使用的电压等级。为实现远程遥控的功能，只能部分修改启动箱电路，增加中间继电器，将启动箱内用于遥控开关的接口转换为AC220 V电压等级。

又如，根据机舱泵组﹑全船风机的控制信号，其常规电气原理图如图3所示。从图3可以看出，启动﹑停止信号是串联在电路回路中的，其控制回路为AC220 V，送出到自动化系统采集箱的是有源AC220 V开合信号，而运行﹑故障﹑遥控位置信号通过内部继电器送出的是无源常开信号，因此在设置自动化模块接口时需要注意区分模块的类型，以避免在设置模块时出错；

（4）脉冲信号：此类信号使用不多且较难调试，如果有的设备输出此类信号，建议转换信号输出为常规模拟量信号。如：某型船燃油注入及回油流量计输出信号类型为脉冲信号1 L/P﹑1.77 Hz,需要外供DC24V电源。因自动化系统未配置脉冲采集模块，且前期未供电给流量计，调试过程中才发现相关问题，浪费了很多调试时间；

图3 风机常规电气原理图

（5）串行输入输出信号：随着相关设备系统的功能及性能的增强，设备需要传输的信号也大大增加，使用串行数据通讯的情况也越来越多。但此类信号出现的问题最多，涉及的问题较为复杂，很多跟程序设计有关。

串行接口是指数据一位一位的顺序传送，通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工﹑半双工和全双工三种。串行接口按电器标准及协议来分，包括RS-232-C﹑RS-422﹑RS-485等。

目前，国际通用的通信协议有NMEA0183和IEC61162-1/2等，它们不仅规定了通信协议，还指定RS-422作为其电气接口标准。

在船舶设计过程中，船厂一般都是提供自动化明细表给设备厂家进行系统设计﹑编制系统软件，为避免上述外部接口问题的出现，仅让设备厂家按自动化明细表来编制软件很难规避上面的问题，因自动化明细表里面主要是包含规范要求的报警点，很多功能性的控制点及报警点一般不会体现在表中，很容易造成报警点的遗漏，增加系统现场调试难度。

一般自动化明细表内容主要包含编号﹑项目名称﹑传感器描述﹑报警显示位置等信息，不能包含编制自动化软件所需的完整信息，所以经常造成现场软件与设备不能很好地对应起来。因此在后续设计过程中，我们与设备厂家共同编制报警输入输出表，表中包含了报警点编号﹑名称﹑分组﹑功能说明﹑信号类型﹑信号来源﹑及接入的采集箱﹑模块﹑端口号等完整的信息，可减少后期现场调试工作出现的各种问题，提高调试效率，并且船东﹑船检可按此表分系统去报验设备﹑提高报验效率。

4 结束语

根据船舶自动化系统的特点，通过内外设备接口协调，解决好各相关设备及系统间的接口问题，清理并制定包括接口类型﹑接口定义﹑接口数量及典型通讯内容的自动化监测控制接口表，形成监测点试验指导方法，确保系统配套完整性﹑接口准确性和工艺可操作性，对推动自动化系统接口标准化﹑提高设计及调试效率﹑降低维修难度和成本是十分必要的[2]。因此，开展对自动化系统内外接口标准研究，在船舶设计和建造中具有重要意义。