CAN 在机舱自动化系统中的应用

2021-06-01

数字技术与应用 2021年4期

(中国舰船研究设计中心,湖北武汉 430064)

0 引言

随着网络信息技术的不断发展,推动了自动化系统结构的变革发展,以此有序构建起以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统,在此形势下,现场总线应运而生。现场总线控制系统作为一项新型控制系统,其可有效适应工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向,为自动控制系统用户创造极大便利,并推动自动化仪表、可编程控制器等体系结构、功能的改革创新。在此背景下,现场总线产品转变成全球各国的自控技术研究热点。二十世纪八十年代以来诞生的一些现场总线技术在相关领域呈现出良好的应用优势,较具代表性的现场总线包括有CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks、FFDENG等[1]。长期以来,世界各国都尤为重视海军力量的发展,在大规模建造各类战舰船舶的同时,将船舶自动化水平提升纳入进海军建设的一项重要目标。船舶自动化系统涉及机舱、导航、通讯等多个环节,其中机舱自动化系统则是与发动机、传动装置等设备相同重要且不可或缺的独立系统。而传统机舱监测系统存在设备层接线复杂、系统安装及维护管理不便捷等诸多问题,因此,对CAN在机舱自动化系统中的应用进行思考研究,有着十分重要的理论价值和实践意义。

1 现场总线控制系统

现场总线是目前自动化领域技术发展的一大热点，现场总线控制系统可将连接于总线上用作网络节点的智能设备构成网络系统，进而实现显示、控制、监控、参数调节、报警等一系列功能，将独立封闭的解决方案转化为标准化、公开化的解决方案。现场总线系统依托智能现场设备，可将原本DCS系统中处在控制室的控制模块、相关输入输出模块与现场设备相结合，加之现场设别可实现通信功能，所以控制系统可脱离控制室的控制仪表或者计算机，自主在现场实现控制功能，进一步达成全面的分散控制。现场总线结构简单，表现出设备相互间可协同操作、开放性、现场设备的智能性及功能全面性等一系列技术特征。结合这些技术特征，决定了现场总线具备诸多优点：可缩减硬件数量，降低安装成本，降低维护成本，用户可获取可靠的系统集成主动权，以及系统准确性、可靠性可得到有力保障等。如今，诸如CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks、FFDENG等现场总线在众多行业领域得到了广泛推广。

2 CAN在机舱自动化系统中应用的可行性

CAN最初是由德国BOSC H公司为汽车的内部测量及控制设计推出的,如今已在众多领域得到推广,并被ISO国际标准组织指定为ISO11898标准[2]。相较于一般通信总线,CAN 数据通信表现出显著的灵活性、实时性及可靠性,其特征主要包括以下几点:(1)通信速率最高可达到1Mbps/40m,直接传输距离最远可达到10km/2kbps。信息传输介质包括双绞线、光纤、同轴电缆等。(2)可通过全局广播、点对点及一点对多点等方式进行数据传输,而无需专门调度。(3)可实现多主方式运行,网络上各节点可不受时间限制自主地向网络上其他节点传输信息,同时无主、从机之分,通讯便捷,基于该特征可有效地建立多机备份系统。(4)推行非破坏性总线优先级仲裁技术,当多个节点同时传输信息时,优先级相对低的节点会自主停止传输,而优先级相对高的节点则可不受影响的继续开展数据传输,以此可很大程度上总线冲突仲裁效率,特别是在网络超负载的情况下亦不会发生网络瘫痪。(5)同时支持数据帧、出错帧、远程帧、超载帧等报文帧,实行短帧格式,各帧有效字节数为8byte,传输迅速、受干扰概率低的同时,还可实现可观的检错效果。(6)各帧信息都配备有CRC检验及相关校验措施,确保了信息数据的准确性。(7)节点可实现自诊断功能,倘若出现节点错误严重情况,可自动关闭总线,从而使其他节点及总线可继续运行。

因为船舶运行环境较为恶劣,加之如今对设备各项性能及可靠性、稳定性提出了越来越严格的要求,在对船舶机舱自动化现场总线网络系统进行研发过程中,必须着重考量系统的可靠性、稳定性[3]。在引入双重冗余总线结构以外,还应尽可能引入完善技术保证兼容性,使控制系统的运行操作及相关功能可通过监控系统进行有效呈现;同时,对全船网络化设置有接口,保证与上层网络的相关设备可实现有效连接。CAN 所具备的系统结构的高度分散性、对环境的适应性、现场设备的智能化等,可很好地满足船舶监控的要求,表现出显著的应用优越性[4]。基于CAN 现场总线协议的机舱自动化系统特征,主要表现下述几方面:(1)CAN是全面数字化、网络化的控制系统,其网络结构趋于简单化,以此为控制系统的设计、操作及检修维护等工作提供了极大便利。(2)散布于现场的智能设备可自主实现控制、测量、传感、报警等一系列功能,所以省却了各种中间环节及复杂连接导线,各项设备以网络节点的形式与总线网络进行连接,一根电缆或者一对双绞线上可连接多个设备,通过原本电缆即可实现对新型现场控制设备的引入,而不需要增加新的电缆。因为系统结构简化,设备连接导线少,再加上数字化、智能化设备内部功能增强,减少了信号的往返传输,进而使系统可靠性得到了有效增强。(3)机舱监控系统检测节点、参数较少,船舶整体布线长度有限,因此满足低比特率、短帧的协议便可。通过对CAN 的应用,将位速率调节为125kbps,总线长度最长可达到530m,以此可充分满足船舶整体的布线长度要求。同时,短帧格式可满足船舶监控实时性的要求,有效确保数据信息传输的准确性及低误码率。(4)因为船舶机舱涉及各式各样的设备,加之它们有着极高的专业性、复发性,这使得船员要想有效掌握各项设备的性能存在不小的难度。CAN 在机舱自动化系统中的应用,可实现对设备的远程监控、维护,达成信息网络与控制网络的继承,构建统一的分布式数据库,进而可实现对数据的高效便捷采集,为船员全面有效掌握船舶技术状态提供有效便利。

3 CAN在机舱自动化系统中的应用实践

3.1 CAN在主机监控系统中的应用

主机监控系统是机舱自动化系统中不可或缺的一部分,其主要可分为监测报警、安全防护及远程控制等模块。系统中的各模块可进行独立运行,同时基于CAN可实现各模块的有效连接,不论是哪个或若干个模块发生故障,均不会对全面主机监控系统的运行造成不利影响,如此一来,可有效减轻船员的操作负担,并有效提升船舶系统运行的可靠性、稳定性。安全防护模块可在机舱发生阀门为关闭、发动机温度过高等紧急状况时,结合实际异常情况实行紧急制动或联锁,依托CAN 确保各模块的有序运行。依托CAN与现场设备连接,远程控制系统可经由主控室控制面板下达指令。监测报警模块则可实现船舶控制系统数据采集与传输、数据分析、监测报警等各项功能,即为依托CAN 总线将监测获取的数据传输至监控中心,然后对数据开展处理,接着在主机上对各参数安全限值进行调节,一旦超出限值即会报警,另外还可对历史监测数据、报警予以记录,在需求时归纳报表及打印[5]。远程控制模块可以以全自动化、半自动化方式进行远程控制,在船舶运行时要求开展一系列控制,其中,保证主机依据预先设置的曲线开展运行是至关重要的一环,同时要求调解各部位的螺旋桨速度及相关的主机速度。远程控制模块下,既可实现全自动化的依据预先设置曲线运行,又可结合实际需求以降低或提升主机转速等,还可结合需求调解主机转向。安全防护模块可为监测报警模块、远程控制模块提供有力补充,在机舱自动化系统运行后,在系统中可预先设置相应的故障模式,一旦系统引发故障后即可及时评定故障的类别并立即转至故障处理程序,结合实际需求确定实行相应操作,并依据故障状况进行报警,切实保障主机监控系统的安全有序运行。

3.2 CAN在船舶电站自动化系统中的应用

船舶电站在船舶自动化系统运行中占据着十分重要的地位,有别于路基电站,船舶电站所处工作环境恶劣、要进行频繁并车及电站容量偏小,为保障船舶的有序运行,必须要确保船舶电站的安全性、稳定性。船舶电站自动化系统是实现船舶电站自动化控制的基础前提,其不仅可对船舶电站各项运行参数开展实时监测,还可实现适时呈现及报警。船舶电站自动化系统功能结构,如图1所示。船舶电站自动化系统可实现的功能主要包括自起动功、自动并车功能、解列停机功能、卸载功能以及报警功能等,其中,对于自起动功能而言,倘若船舶电站当前运行机组引发故障,其即可自主起动备用发电机组,此处涉及的故障既包含传统意义上的各种故障,还包含了电网负载过大的情况,与此期间即需要起动备用发电机组。对于自动并车功能而言,其指的是当前运行机组与即将并车的机组的相位差值、电压差值等都符合标准便可开展自动并车。该项功能是船舶电站自动化系统必不可少的一部分,其重要影响着船舶电站的有序运行。对于解列停机功能而言,其指的是倘若船舶运行负载不足额定负载的30%时,要求开展解列停机操作。对于卸载功能而言,其指的是倘若船舶运行负载在额定负载90%以上,且已实现自动并车时,要求可向系统下达卸载指令,对相关不关闭的负载提示予以关闭,并发出报警信号[6]。对于报警功能而言,作为传播电站自动化系统的一项重要功能,其可在船舶电站引发故障或出现过载时第一时间发出报警信号,进而采取相应处理手段。