基于CAN總線的散貨船機艙監測報警系統研究

黃 丞,王 榮

(上海船舶研究設計院，上海201203)

基于CAN總線的散貨船機艙監測報警系統研究

黃 丞,王 榮

(上海船舶研究設計院，上海201203)

首先分析了船舶機艙控制對象的特點以及典型監測報警系統的組成及功能，結合K-chief600先進系統提出了基于CAN總線的網絡體系結構；其次分析了用于某64 000 DWT散貨船的監控報警系統的組成單元設計過程；最后對該船監控報警系統功能的實現進行了詳細分析。

散貨船；CAN總線；機艙監測報警系統

0 引言

機艙作為船舶的重要組成，其自動化水平成為衡量船舶總體水平的重要標準。自1961年日本首次實現機艙集中控制和駕駛室遙控主機以來，目前的機艙領域正在向著高度集成、網絡控制、高速智能的方向邁進。

船舶機艙監測報警系統是船舶自動化體系的關鍵構成部分，通過該系統能夠隨時了解機艙里面諸多設備的運行情況以及參數信息。另外,在此基礎上可以實現錯誤指示、故障報警、控制恢復和日志記錄等功能。目前機艙監測報警系統這些功能是通過現場總線技術來實現的。

應用CAN總線技術進行機艙檢測的好處主要體現在這些方面：實時性良好、遠距離傳輸、有效抵抗電磁干擾、成本更低；引入雙線串行通信技術，錯誤識別率更高，對噪聲干擾抵抗性強；實現優先權以及仲裁功能，利用CAN控制器將不同的控制模塊和CAN-bus連接在一起，搭建多主機局部網絡；以報文ID為依據，選擇接收或屏蔽報文；能夠有效識別錯誤并對其進行處理；如果發送信息出錯，無需人工操作就能夠重發；如果節點出現無法修復的錯誤，能夠自動斷開和總線的連接；報文信息有源地址、目標地址等，通過標志符顯示功能以及優先級信息。

本文研究的64 000 DWT散貨船是新一代靈便形海豚系列散貨船，入級DNV、LR、NK、BV、GL等船級社。全船總長199.9 m,型寬32.26 m,服務航速14.4 kn。該船機艙分為上平臺、下平臺以及底層。全船機艙報警點數約為400個，包括了模擬量的輸入輸出以及數字量輸入輸出。

本文在參考Konsberg的K-chief 600先進系統的基礎上，提出了基于CAN總線的機艙監控報警系統用于64 000 DWT散貨船控制。

1 CAN現場總線技術

1.1 現場總線控制系統介紹

現場總線是指在工作現場對各種設備控制系統進行互聯，并實現它們之間的雙向串行多節點數字通信，是處于總體控制網絡最底層的網絡，它的特點主要表現在開放、分散、智能、雙向等方面。現場總線控制系統(FCS)基于具有開放性的通信網絡，達到全分布控制目的，通過將智能設備進行連網控制，實現補償計算、參數調整、報警、監控等目標[1]。

1.2 CAN的定義和技術規范

1.2.1 CAN節點的分層結構

CAN總線參照并遵循OSI參考模型進行設計開發。為提高通信速度、促進設計透明、降低接口成本，系統中僅設置物理層和數據鏈路層，各層的結構和功能如圖1所示[2]。

1.2.2 CAN系統的4種不同類型幀的功能

CAN 系統以數據幀、遠程幀、出錯幀、超載幀共4種不同類型幀的形式來表示和控制數據的發送和接收過程。CAN 協議采用了帶有沖突檢測載波偵聽多路訪問技術，該技術可有效控制由多站數據發送導致的信號互擾，當節點在檢測并確定總線上的間歇場未被“顯性”中斷時，即可訪問總線發送信息。當多個節點同時發送時，總線按照 “按位仲裁”方法應對總線訪問沖突。在應用該方法時，發送器首先釋放位電平，然后以總線電平為標準對比，如果兩者的大小一致，節點保持發送行為；若不相等表明節點丟失仲裁，不應繼續發送。

圖1 CAN總線的分層結構和功能示意圖

在CAN總線中存在位錯誤、填充錯誤、CRC(循環冗余校驗)錯誤、形式錯誤、應答錯誤共5種錯誤類型并各自有對應的錯誤界定方式。當檢測到錯誤的存在時，邏輯鏈路控制子層就會獲取這一信息，介質訪問控制子層通過錯誤標識完成標定操作。

1.2.3 位定時與同步

因為CAN總線上所有節點都必須具有相同的比特率，而在數據傳輸中并不對時鐘信號進行編碼，因此時鐘信號須由接收節點恢復并與發送器的時鐘同步。本文所采用的SJA1000總線控制器通過數字鎖相環(DPLL)來實現位定時，將DPLL設置為與接收數據同步，并以此為依據標定發送數據的時間。

2 機艙監測報警系統總體設計

2.1 K-Chief 600系統設計方案介紹

K-Chief 600監控報警系統包括報警監測系統、輔助控制系統、電站管理系統等，其硬件由分布式處理單元DPU、本地操作站LOS、迷你操作站MOS、遙控操作站ROS和值班呼叫系統WCS等構成。其系統框圖如圖2所示，其中DPSC為數據處理。

圖2 K-Chief 600監控報警系統框圖

2.2 船舶機艙監控系統組成及其功能

船舶監測報警系統根據《鋼質海船入級與建造規范》和《船舶機艙監視報警裝置技術條件》，以滿足無人機艙、船級社規范及國際公約法規的相關要求為目標，設定系統預期的組成和功能如下[3]。

2.2.1 雙冗余網絡

雙冗余網絡用于連接系統中每個節點。本文擬將通過設置部分冗余(物理介質冗余)來保證網絡的可靠運行。

2.2.2 工作站

工作站用于提供人機界面與操作接口，具有自檢功能。每臺工作站包括：工控機、顯示器、輸入設備等硬件以及操作系統、MIMIC圖等軟件。

2.2.3 備用電源

備用電源(UPS)用于在主電源(主、應急配電板供電)失電的情況下(該報警應送至AMS)。系統能自動啟用備用電源，提供并維持一定時長的供電，確保監視系統在全船失電情況下都能正常工作。

2.2.4 報警打印機

報警打印機設置在報警單元或終端，用于監測參數打印記錄和故障報警打印記錄。

2.2.5 信號采集箱

信號采集箱用于下層設備運行參數采集，一般安裝于機艙中，直接連接各類傳感器。

2.2.6 傳感器

傳感器有壓力、溫度、液位、流量、位置、轉速等，與數據采集模塊相連實現現場數據采集。

2.2.7 延伸報警系統

延伸報警系統是無人機艙必備系統。通過配備一定數量的延伸報警板至駕駛室、公共場所、輪機長和每個輪機員房間，在機艙無人值班的情況下發生機艙報警時，通過聲光報警的形式提醒當班輪機員或其他輪機員及時處理故障。

2.2.8 輪機員安全系統

輪機員安全系統一般在機艙入口處設置啟/停按鈕，在機艙梯道附近設置一定數量的復位按鈕，供輪機員巡視機艙時定時去復位，防止輪機員因受傷等原因不能及時被發現而失去救助。

2.2.9 外部通信接口

外部通信接口有VDR、裝載計算機、發電機、主機、鍋爐、液位遙測閥門遙控系統、PMS等。

2.2.10 報警功能試驗和自診斷

為保證系統各功能的正常工作，并查找故障，系統可以對除傳感器外的各部分進行測試和檢驗，這些測試通過設置在控制室操縱臺上的相關按鈕進行。該功能可以對指示燈、監視通道、傳感器、閃光源、電源等進行自診斷，便于發現系統自身問題并及時解決。

2.3 機艙監測報警系統的報警原理

AMS系統監測的信號可以分為兩大類[4]：開關量信號包括設備的啟停、液位的高、低等，模擬量信號包括溫度、壓力、轉速、流量等。

2.3.1 開關量報警原理

開關量報警控制單元工作流程為：將開關量傳感器監測的信號轉換為電平信號；通過延時環節輸出，以避免誤報警；對延時環節輸出的信號進行邏輯判斷，以控制故障指示燈、啟動聲響報警、分組報警及故障打印。

2.3.2 模擬量報警原理

模擬量報警控制單元工作流程為：將傳感器檢測到的模擬量信號轉變為電壓信號；通過電壓信號和標準值的比較，判斷參數正常與否及報警類別；選擇并控制參數測量值或報警值的顯示。

3 監測報警系統組成功能設計實現

64 000 DWT散貨船采用ME-C電噴柴油機，其控制系統軟硬件由MAN-B&W公司設計?；诖?，本節主要分析散貨船主機監控系統中的監測報警和安全保護2個部分。

3.1 監測報警子系統

64 000 DWT 散貨船監測報警子系統綜合考慮散貨船的機艙分布以及系統的壽命和可靠性要求，配置如下：主機控制臺上裝設UNO-2052E型微機、40 cm×30 cm LCD顯示器、DPU-414型熱敏打印機、報警燈板ALP、CAN網橋；安裝與前后主機艙以及齒輪箱(GB)艙的延伸報警板EXA和數據采集箱DAB。系統原理如圖3所示[5]，其中CAN BRIDGE為網橋，APICM為主動力工控機，DIU為數據接口單元。

圖3 64 000散貨船監測報警子系統原理圖

3.2 遙控安全保護子系統

本船遙控安全保護子系統由安全系統與遙控系統組合實現。通過借鑒K-Chief 600系統經驗，設置遙控系統的具體控制功能見表1，設置安全保護子系統的故障情況與報警設置的對應關系見表2。 具體就硬件來說，實現安全保護功能依賴于安全保護控制器ESC、安全保護燈板及傳感器；主機配備獨立的遙控系統進行控制。主機遙控安全保護子系統原理如圖4所示。

表1 遙控系統功能設置

表2 故障情況與報警設置的對應關系

圖4 主機遙控安全保護子系統原理

3.3 電站監控系統設計研究

64 000 DWT 散貨船的電站監控系統主要是通過使發電機組在其控制、監測、報警、保護等功能作用實現過程中達到電力供應安全、穩定、可靠、連續的目的，其中機組的安全保護和電站的功率管理是系統功能的核心所在。通過借鑒K-Chief 600系統經驗，設置電站監控系統的監測和控制功能，其功能設置分別見表3和表4。

經過以上分析，64 000 DWT 散貨船電站監控系統中設置電站、主配電板、輔機艙和主機艙4個位置的監控單元。系統布置遵循集散方式，為本船擁有的3臺發電機組安裝獨立的微機控制器，實現控制管理的目標，控制器和操縱顯示面板共同呈現遙控操作機組和監控功能的相關參數。另外，配備3個自適應數據采集器對機組監測點參數進行采集，數據經轉換后通過CAN網絡傳送至上位機集中管理。在電站監控臺設計安裝1套管理微機，包括：動態模擬屏、報警燈板、電源顯示燈板等組成單元，實現數據的管理、查詢、打印、記錄等功能[6]。

表3 電站監控系統監測功能設置

該系統的創新之處在于將全船400個參數測控需求通過CAN總線節點分散落實到現場監控層，在保證散貨船電站安全、可靠運行的情況下實現高效監控管理。此設計可以直接作為全船自動化系統中的一環，方便后續擴展功能的實現。圖5為在64 000 DWT散貨船中基于CAN總線構建的電站監控系統組成框圖，其中，粗實線即為CAN現場總線。

4 結論

結合機艙監測技術研究現狀及發展趨勢，本文首先論述了應用現場總線的網絡化控制系統的優勢和好處，利用比較方法，剖析所有現場總線的技術特點并結合船舶機艙監測報警系統的功能和技術要求，選定CAN總線并將其應用于散貨船機艙監測報警系統；通過詳細介紹CAN總線的應用特點和技術規范，參照先進K-chief 600系統給出了監測報警系統的網絡總體設計方案；然后集中論述了監測報警系統各軟、硬件組成單元的選型設計，最后以64 000 DWT散貨船3個重要設備方面的監測報警為切入點，設計并實現了對機艙設備多種運行參數的現場數據采集、信息綜合處理和顯示、超限報警以及重要參數的現場就地顯示等功能，實現了預期的效果。實際運行結果表明，將64 000 DWT散貨船400個參數測控需求通過CAN總線節點分散落實到現場監控層，在保證散貨船電站安全、可靠運行的情況下可實現高效監控管理。

表4 電站監控系統控制功能設置

注：Pe為有效功率。

[1] 李巍，曹建明．現場總線技術與機艙自動化[J]．交通部上海船舶運輸科學研究所學報，2002，25(2)：109-112．

[2] 李文華，邱志強，孫瑜，等．基于現場總線的船舶電站實時監控系統研究[J]．船舶科學技術，2005，27(2):38-40．

[3] 蔣理．機艙監測報警系統的設計與實現[D]．南京：南京理工大學，2007．

[4] 崔萌.基于CAN總線的船舶機艙監控網絡系統的研究[D].大連：大連海事大學，2000．

[5] 周江春，韓華，屈衛東.基于雙CAN總線的船用動力裝置監測系統設計[J].柴油機，2004(5)：13-15，31.

[6] 曹紅京.基于CAN總線的T50A船機艙自動化系統應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

圖5 64 000 DWT散貨船電站監控系統組成框圖

2016-07-13

黃丞(1986—)，男，工程師，從事船舶電氣設計工作；王榮(1973—)，女，工程師，從事船舶電氣設計工作。

U664.82+1

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