船舶綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)外接口標(biāo)準(zhǔn)研究

張 云，余勇林

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

船舶設(shè)備隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成的功能越來(lái)越強(qiáng)大，對(duì)應(yīng)的設(shè)備檢測(cè)報(bào)警點(diǎn)也越來(lái)越多。船舶自動(dòng)化系統(tǒng)作為船舶設(shè)備檢測(cè)報(bào)警的綜合顯示終端和部分設(shè)備的遙控終端，基本上與船上所有設(shè)備都有接口關(guān)系。船舶設(shè)備的原理和控制模塊的多樣性，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的接口兼容能力要求很高。本文主要在對(duì)自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)的內(nèi)外接口類型進(jìn)行全面梳理的基礎(chǔ)上，對(duì)電力﹑機(jī)械控制﹑特種設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)間的監(jiān)測(cè)集成控制聯(lián)調(diào)技術(shù)進(jìn)行研究，以及對(duì)相關(guān)系統(tǒng)電氣接口信號(hào)類型﹑數(shù)據(jù)通信協(xié)議種類﹑需集成的主要自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)等進(jìn)行研究，以期攻克綜合集成自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的接口協(xié)調(diào)技術(shù)難點(diǎn)。

2 系統(tǒng)內(nèi)部接口研究

綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能，分為系統(tǒng)內(nèi)部接口及外部接口；系統(tǒng)內(nèi)部接口主要是基于系統(tǒng)內(nèi)部各硬件之間通信及控制信號(hào)的傳輸；系統(tǒng)外部接口主要是指外部系統(tǒng)連接到自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，用于系統(tǒng)控制﹑報(bào)警﹑顯示等用途的信號(hào)傳輸[1]。常規(guī)船自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)備主要有：數(shù)據(jù)采集分站﹑延伸報(bào)警模塊﹑網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)﹑RS485通信網(wǎng)關(guān)等。

裝置通過(guò)100 Mbps雙冗余以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)信息共享。下位機(jī)采用HT-MAS11型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集分站（包括開關(guān)量﹑模擬量I/O模塊）完成系統(tǒng)各種參數(shù)的采集，通用監(jiān)控站內(nèi)部采用雙冗余CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到以太網(wǎng)；上位機(jī)采用工控機(jī)，與各通用監(jiān)控站及各延伸報(bào)警模塊﹑計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)雙冗余以太網(wǎng)連接，完成對(duì)參數(shù)的采集﹑參數(shù)屏幕顯示﹑參數(shù)數(shù)據(jù)報(bào)警和打印記錄等功能，同時(shí)將重要參數(shù)發(fā)送VDR（留有RS-485接口）。

自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)部接口，主要是各網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)﹑采集箱﹑分站之間的接口，考慮整個(gè)系統(tǒng)采用何種通信方式，以使各硬件設(shè)備進(jìn)行快速﹑穩(wěn)定的交換數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)外部接口研究

隨著科技的發(fā)展，通信手段也越來(lái)越豐富，反映在船舶上的通訊形式也越來(lái)越多。對(duì)于報(bào)警點(diǎn)或控制點(diǎn)較少的系統(tǒng)，可使用開關(guān)量或模擬量等形式實(shí)現(xiàn)，對(duì)設(shè)計(jì)及調(diào)試方便；但石油鉆井平臺(tái)﹑海洋工程勘探船等特殊船舶搭載眾多復(fù)雜的設(shè)備，勢(shì)必會(huì)應(yīng)用到較多串口通訊。雖然目前有IEC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但各設(shè)備廠家使用的串口通訊形式不盡相同，如IEC已采用為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線就有12種之多，因此確定好該類船舶使用的通訊接口及協(xié)議類型尤為重要。

目前用于船舶上的自動(dòng)化接口，主要有以下幾種類型：

（1）輸入信號(hào)

PT100溫度傳感器；

電位計(jì)信號(hào)；

電壓信號(hào)；

電流變送器4...20 mA / 0…20 mA；

開關(guān)量信號(hào)(分無(wú)源及有源信號(hào))；

脈沖信號(hào)。

（2）輸出信號(hào)

電壓信號(hào)±10 V, 0…10 V；

電流信號(hào)4…20 mA, ±20 mA, 0...20 mA；

開關(guān)量信號(hào)。

（3）串行連接輸入/輸出信號(hào)

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。

以上所列各類接口類型，匯總見表1。

在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，自動(dòng)化系統(tǒng)的外部接口產(chǎn)生的過(guò)程如下：

（1）根據(jù)總規(guī)格書中設(shè)備配置，預(yù)估報(bào)警點(diǎn)數(shù)簽訂自動(dòng)化技術(shù)協(xié)議；

表1 各類型信號(hào)接口匯總表

（2）各設(shè)備在簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)會(huì)預(yù)留自動(dòng)化接口，一般選用常用接口標(biāo)準(zhǔn)，但每個(gè)設(shè)備選取的接口標(biāo)準(zhǔn)會(huì)不一樣；

（3）根據(jù)收到的設(shè)備資料及規(guī)范要求，匯總各設(shè)備報(bào)警點(diǎn)及接口類型；

（4）廠家根據(jù)收到的報(bào)警點(diǎn)清單（自動(dòng)化明細(xì)表或IO-LIST）設(shè)計(jì)各采集箱的模塊配置。

在外部接口產(chǎn)生過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的技術(shù)協(xié)調(diào)問(wèn)題，例如有些通信接口協(xié)議在前期設(shè)計(jì)中未定義好，或存在非標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句的格式，在調(diào)試過(guò)程才發(fā)現(xiàn)通迅接口不一致的情況，極不利于船廠調(diào)試工作的進(jìn)展。常見的典型問(wèn)題如下：

（1）PT100溫度傳感器：需要前期確認(rèn)好傳感器的輸出信號(hào)類型，如：有些變送器輸出信號(hào)為4-20 mA模擬量信號(hào)，有些變送器只是PT100電阻，需要信號(hào)采集方配置測(cè)量電橋，且有二線三線四線等連接方式。如在設(shè)計(jì)初期未確認(rèn)好，后期更改會(huì)事倍功半；

（2）電壓信號(hào)：需要前期確認(rèn)好電壓信號(hào)的范圍，如±10 V﹑±5 V﹑0～10 V等。應(yīng)盡量采用常用電壓等級(jí)，如有比較特殊的電壓范圍應(yīng)及時(shí)溝通；

（3）開關(guān)量信號(hào)：此類信號(hào)基本是目前最常用的信號(hào)，也最易被忽視。例如，某型船出現(xiàn)過(guò)如下問(wèn)題：?jiǎn)?dòng)箱為AC380V電壓等級(jí)，部分開關(guān)可在自動(dòng)化系統(tǒng)遙控，電路圖如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)箱電氣原理圖

從圖2可以看出，啟動(dòng)箱提供的遠(yuǎn)程遙控開關(guān)的接口是AC380 V，而該船自動(dòng)化系統(tǒng)提供的DO接口電壓等級(jí)最高為AC220 V，這也是自動(dòng)化系統(tǒng)常規(guī)使用的電壓等級(jí)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控的功能，只能部分修改啟動(dòng)箱電路，增加中間繼電器，將啟動(dòng)箱內(nèi)用于遙控開關(guān)的接口轉(zhuǎn)換為AC220 V電壓等級(jí)。

又如，根據(jù)機(jī)艙泵組﹑全船風(fēng)機(jī)的控制信號(hào)，其常規(guī)電氣原理圖如圖3所示。從圖3可以看出，啟動(dòng)﹑停止信號(hào)是串聯(lián)在電路回路中的，其控制回路為AC220 V，送出到自動(dòng)化系統(tǒng)采集箱的是有源AC220 V開合信號(hào)，而運(yùn)行﹑故障﹑遙控位置信號(hào)通過(guò)內(nèi)部繼電器送出的是無(wú)源常開信號(hào)，因此在設(shè)置自動(dòng)化模塊接口時(shí)需要注意區(qū)分模塊的類型，以避免在設(shè)置模塊時(shí)出錯(cuò)；

（4）脈沖信號(hào)：此類信號(hào)使用不多且較難調(diào)試，如果有的設(shè)備輸出此類信號(hào)，建議轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出為常規(guī)模擬量信號(hào)。如：某型船燃油注入及回油流量計(jì)輸出信號(hào)類型為脈沖信號(hào)1 L/P﹑1.77 Hz,需要外供DC24V電源。因自動(dòng)化系統(tǒng)未配置脈沖采集模塊，且前期未供電給流量計(jì)，調(diào)試過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題，浪費(fèi)了很多調(diào)試時(shí)間；

圖3 風(fēng)機(jī)常規(guī)電氣原理圖

（5）串行輸入輸出信號(hào)：隨著相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的功能及性能的增強(qiáng)，設(shè)備需要傳輸?shù)男盘?hào)也大大增加，使用串行數(shù)據(jù)通訊的情況也越來(lái)越多。但此類信號(hào)出現(xiàn)的問(wèn)題最多，涉及的問(wèn)題較為復(fù)雜，很多跟程序設(shè)計(jì)有關(guān)。

串行接口是指數(shù)據(jù)一位一位的順序傳送，通信線路簡(jiǎn)單，只要一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進(jìn)一步分為單工﹑半雙工和全雙工三種。串行接口按電器標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來(lái)分，包括RS-232-C﹑RS-422﹑RS-485等。

目前，國(guó)際通用的通信協(xié)議有NMEA0183和IEC61162-1/2等，它們不僅規(guī)定了通信協(xié)議，還指定RS-422作為其電氣接口標(biāo)準(zhǔn)。

在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，船廠一般都是提供自動(dòng)化明細(xì)表給設(shè)備廠家進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)﹑編制系統(tǒng)軟件，為避免上述外部接口問(wèn)題的出現(xiàn)，僅讓設(shè)備廠家按自動(dòng)化明細(xì)表來(lái)編制軟件很難規(guī)避上面的問(wèn)題，因自動(dòng)化明細(xì)表里面主要是包含規(guī)范要求的報(bào)警點(diǎn)，很多功能性的控制點(diǎn)及報(bào)警點(diǎn)一般不會(huì)體現(xiàn)在表中，很容易造成報(bào)警點(diǎn)的遺漏，增加系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試難度。

一般自動(dòng)化明細(xì)表內(nèi)容主要包含編號(hào)﹑項(xiàng)目名稱﹑傳感器描述﹑報(bào)警顯示位置等信息，不能包含編制自動(dòng)化軟件所需的完整信息，所以經(jīng)常造成現(xiàn)場(chǎng)軟件與設(shè)備不能很好地對(duì)應(yīng)起來(lái)。因此在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們與設(shè)備廠家共同編制報(bào)警輸入輸出表，表中包含了報(bào)警點(diǎn)編號(hào)﹑名稱﹑分組﹑功能說(shuō)明﹑信號(hào)類型﹑信號(hào)來(lái)源﹑及接入的采集箱﹑模塊﹑端口號(hào)等完整的信息，可減少后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作出現(xiàn)的各種問(wèn)題，提高調(diào)試效率，并且船東﹑船檢可按此表分系統(tǒng)去報(bào)驗(yàn)設(shè)備﹑提高報(bào)驗(yàn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)外設(shè)備接口協(xié)調(diào)，解決好各相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)間的接口問(wèn)題，清理并制定包括接口類型﹑接口定義﹑接口數(shù)量及典型通訊內(nèi)容的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制接口表，形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)指導(dǎo)方法，確保系統(tǒng)配套完整性﹑接口準(zhǔn)確性和工藝可操作性，對(duì)推動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化﹑提高設(shè)計(jì)及調(diào)試效率﹑降低維修難度和成本是十分必要的[2]。因此，開展對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)外接口標(biāo)準(zhǔn)研究，在船舶設(shè)計(jì)和建造中具有重要意義。