基于雙CAN總線船舶機艙監測及控制系統

田慶林

（交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456）

目前我國常規船舶國產設備的實際配套率只有30%左右，高新技術船舶國產設備的實際配套率僅20%左右，特別是作為附加值很高的船舶自動化系統本土化率還不到10%。這與我國造船工業的迅猛發展形成了非常大的反差。目前每年全球船舶艙室電子設備需求接近300億元人民幣。其中中國的造船修船市場可為船舶艙室電子設備提供每年將近百億元人民幣的市場，但90%被進口產品壟斷。船舶艙室電子產品的開發制造是我國船舶業中最薄弱的環節之一。國內船舶艙室電子產品生產廠家自主創新較少，在系統技術性能、質量、品種和規格方面與國外同類產品存在著很大差距，船舶電子國產設備存在缺乏核心技術、技術起點較低、系統性差、工藝落后等突出問題。基于雙CAN總線船舶機艙監測及控制系統就是在這種背景下研發的。

1 系統功能

在船舶自動化技術不斷向全船綜合自動化階段發展的過程中，各類導航、監控、管理系統運用于船舶。其中船舶機艙監控系統、電站管理系統、視頻監控等系統以及船、岸通訊系統的融合，是船舶機艙自動化未來發展的趨勢。系統基于雙CAN現場總線技術，通過設計模塊化、智能化、具有冗余通信功能的遠程I/O單元，使系統配置可以滿足各種船舶機艙自動化監測、報警和控制。集成子系統主要包括機艙監測系統、主機控制系統、電站管理系統、閥門遙控系統、報警系統和船舶抗傾控制系統。

1.1 機艙監測系統

機艙監測報警系統由集中報警群和延伸報警系統組成。系統延伸到駕駛臺、公共艙室、值班輪機員房間。主要配置有基于工業控制計算機的機艙監測報警系統、輪機員呼叫系統、延伸報警系統、Dead Man報警系統以及聲光報警系統等[1]。

1.2 主機控制系統

通過雙CAN總線PID調節模塊，主機可以從集控室和駕駛臺控制船舶動作，可以從機旁手動控制，此外包括控制位置轉換、自動保護命令等。

1.3 電站管理系統

通過雙CAN總線柴油發電機管理模塊，發電機組有功功率、無功功率分配，電機間的負載可根據要求進行轉移，根據實際需要，起動或停止某臺發電機以及發電機的報警監控等[2]。

1.4 閥門遙控系統

基于自主研發的專用雙CAN總線閥門控制模塊，對船舶上大量應用的閥門進行狀態監控、動作控制、手/自動模式切換等操作。控制信號包括開閥門、閉閥門、停閥門；狀態監控包括開閥中、開閥到位、關閥中、關閥到位、停閥、閥門故障等。雙CAN總線專用模塊的引入，增加了系統的延展性和配置靈活性。

1.5 報警系統

基于自主研發的雙CAN總線模擬量采集模塊、開關量采集模塊、模擬量和開關量采集模塊、溫度采集模塊等多種模塊網絡搭建，實現對船舶各類艙室液位及水井的監控測量報警，實現對船舶燃油、柴油、潤滑油艙室壓力和溫度的監測報警。

1.6 船舶抗傾控制系統

通過平衡傳感器提供的高速狀態信息和雙CAN總線模塊通訊，系統可自動對船舶傾斜狀態做出合理操作實現船體平衡，例如自動起停平衡泵正反轉工作、越控請求、傾斜角度報警等的處理等操作。

以上各子系統主監控人機界面的軟件設計主要包括雙CAN總線CANopen浮動主通訊協議的實現，系統除常規的監測報警打印記錄保存功能外增加了系統網絡狀態的監測診斷，界面清新、操作方便、內容豐富完整，既顯示了系統網絡配置連接，又顯示了各接入系統的CAN節點總線狀態，不僅大大提高了船舶自動化程度，也使得船舶航行變得更加安全可靠。

2 網絡設計

系統設計了合理的網絡架構，優化網絡配置，實現了二級網絡結構中主干網和各子網之間的管理數據、服務數據和過程數據的最優通信[3]。系統網絡設計如圖1所示。

圖1 系統架構網絡設計示意Fig.1 Schematic diagram of network design for system architecture

2.1 實現滿足CIA DSP-307海事標準框架協議

目前流行的現場總線有很多標準化的網絡互連協議，但這些協議中還沒有一個是針對海事領域專用的，而海事組織明確要求通信系統要具有獨立的故障容錯能力。

DSP-307正是為了滿足海上自動設備不斷增加的安全性需要，專門為海事應用的CANopen設備開發而特別設計的。DSP-307通過2條獨立的CAN總線進行冗余通信，完全支持海事組織的要求，也滿足海事電子應用系統標準化的需要。同時，由于CANopen設備在國內外已經廣泛應用再加上CIA組織的強大助力，CIA DSP-307海事標準框架協議必將成為船舶機艙自動化應用領域的主導協議[4]。

基于此，我們設計了2 CAN+2 CAN的網絡結構，并選取了CIA DSP-307海事標準框架協議作為網絡協議，項目開發的所有網絡節點模塊均要滿足CIA DSP-307協議。

2.2 CANopen I/O模塊和CANopen PLC

機艙內使用各種傳感器監測各設備工況的物理量參數，包括溫度、壓力、液位、流量、轉速、相電壓、相電流等，除了以上離散的監測點外，自動化系統還包含需要針對某一具體應用需要而客制化的邏輯運算和智能控制，針對以上需求，系統設計的CANopen I/O模塊和CANopen PLC包括：

2.2.1 海事版雙CAN總線I/O模塊及船舶專用模塊

（1）CAN AI-20。 20通道模擬量采集模塊，測量范圍±5/10 V，4～20 mA，測量精度±4‰，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（2）CAN AO-20。20 通道模擬量控制模塊，控制范圍4～20 mA，精度±4‰，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（3）CAN RI-16。 16通道 PT100采集模塊，測量范圍-200～800℃，精度±5‰，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（4）CAN RAI-16。 16通道 PT100/AI采集模塊，精度±5‰，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（5）CAN DI-32。 32通道開關量采集模塊，同時支持干節點和濕節點（有效信號DC24 V）輸入，同時具有4通道頻率采集功能，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（6）CAN DO-32。32 通道開關量控制模塊，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（7）CAN DIO-20。20通道開關量采集控制模塊，波特率和節點ID可調，端子可插拔，雙CAN總線冗余通信；

（8）CAN VLC-10。10通道閥門控制模塊，開關停閥門命令，以及閥門到位信號接收，手動自動切換功能。波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（9）CAN SPD-2。2通道速度采集模塊，超速欠速監控報警，齒輪配置，觸發模式配置。波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（10）CAN LMC。液貨船多變量綜合采集模塊，溫度、壓力、開關量信號輸入以及支持HART協議雷達物位計信號，具有防爆特性，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信。

2.2.2 海事版雙CAN總線PLC、網關、及監控主站

在XC2287單片機上成功實現了具有雙CAN總線CANopen浮動主通訊功能的支持IEC61131-3的CANopen PLC，其具有CANopen I/O模塊的所有特點，更重要的是，其對IEC61131-3的支持，使所有系統工程師可以徹底擺脫復雜的底層CANopen浮動主通訊協議的困擾，只專注于他們所熟悉的自動控制，使用他們所熟悉的PLC編程語言，擴大了CAN總線和CANopen協議的應用范圍，大大降低了其應用難度。

（1）CAN GATE-4。4通道隔離網關可編程模塊，具有雙CAN總線網絡隔離，支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（2）CAN IOU-20。16通道數字量輸入輸出以及4通道模擬量輸入可編程綜合模塊，支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（3）CAN PID。16通道模擬量或者Pt100輸入，4通道模擬量輸出，8通道開關量輸出可編程綜合模塊，支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（4）CAN DIO-20A。20通道開關量可編程控制模塊，支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（5）CAN GP-01A。發電機保護模塊，提供發電機參數測量、短路、失磁、過載等多種保護功能，支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（6）CAN DGC-01A。發電機綜合控制模塊，提供和發動機操作相關的控制功能等，支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信；

（7）海事版雙CAN總線監控主站。包括本地操作單元LOS、駕駛室延伸報警單元WBU、船艙延伸報警單元WCU、綜合操作鍵盤、電站管理單元等一系列支持IEC61131標準語言編程環境，波特率和節點ID可調，雙CAN總線冗余通信系統。

基于CIA DSP-307海事版雙CAN總線多機冗余船舶機艙監控系統，能夠有效提高船舶航行安全，保障船舶機艙日常操作的有效運行，減輕船員勞動強度。相比傳統的機艙自動化系統，效益明顯提高，電纜用量減少30%，且系統結構越龐大，其所帶來的成本優勢越明顯。

3 結語

系統自2013年以來陸續裝船50余艘，成功應用到天津海事局、浙江海事局、中國遠洋集團等十余家大型國有企業。系統已經取得了1項實用新型專利證書和3項計算機軟件著作權登記證書，通過了上海儀器儀表自控系統檢驗測試所的各項環境和性能測試，取得了中國船級社CCS和韓國船級社KR的型式認可證書，以及法國BV船級社產品認可證書。

[1]許寶森.基于CAN總線的機艙監控模擬系統的研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學，2006.

[2]王杰.基于CAN總線的船舶電站自動控制裝置的設計[D].遼寧：大連海事大學，2007.

[3]車海寧.基于CAN總線的船舶智能控制系統設計[J].船海工程，2007，36（3）：113-115.

[4]羅曉.基于雙CAN總線的中小型船舶監控系統設計[D].山東：山東大學，2007.

[5]許明華.基于CAN總線的船舶自動化系統研究與設計[J].中國造船，2012，53（2）：185-191.