CAN 在機艙自動化系統中的應用

(中國艦船研究設計中心,湖北武漢 430064)

0 引言

隨著網絡信息技術的不斷發展,推動了自動化系統結構的變革發展,以此有序構建起以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統,在此形勢下,現場總線應運而生。現場總線控制系統作為一項新型控制系統,其可有效適應工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向,為自動控制系統用戶創造極大便利,并推動自動化儀表、可編程控制器等體系結構、功能的改革創新。在此背景下,現場總線產品轉變成全球各國的自控技術研究熱點。二十世紀八十年代以來誕生的一些現場總線技術在相關領域呈現出良好的應用優勢,較具代表性的現場總線包括有CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks、FFDENG等[1]。長期以來,世界各國都尤為重視海軍力量的發展,在大規模建造各類戰艦船舶的同時,將船舶自動化水平提升納入進海軍建設的一項重要目標。船舶自動化系統涉及機艙、導航、通訊等多個環節,其中機艙自動化系統則是與發動機、傳動裝置等設備相同重要且不可或缺的獨立系統。而傳統機艙監測系統存在設備層接線復雜、系統安裝及維護管理不便捷等諸多問題,因此,對CAN在機艙自動化系統中的應用進行思考研究,有著十分重要的理論價值和實踐意義。

1 現場總線控制系統

現場總線是目前自動化領域技術發展的一大熱點，現場總線控制系統可將連接于總線上用作網絡節點的智能設備構成網絡系統，進而實現顯示、控制、監控、參數調節、報警等一系列功能，將獨立封閉的解決方案轉化為標準化、公開化的解決方案。現場總線系統依托智能現場設備，可將原本DCS系統中處在控制室的控制模塊、相關輸入輸出模塊與現場設備相結合，加之現場設別可實現通信功能，所以控制系統可脫離控制室的控制儀表或者計算機，自主在現場實現控制功能，進一步達成全面的分散控制。現場總線結構簡單，表現出設備相互間可協同操作、開放性、現場設備的智能性及功能全面性等一系列技術特征。結合這些技術特征，決定了現場總線具備諸多優點：可縮減硬件數量，降低安裝成本，降低維護成本，用戶可獲取可靠的系統集成主動權，以及系統準確性、可靠性可得到有力保障等。如今，諸如CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks、FFDENG等現場總線在眾多行業領域得到了廣泛推廣。

2 CAN在機艙自動化系統中應用的可行性

CAN最初是由德國BOSC H公司為汽車的內部測量及控制設計推出的,如今已在眾多領域得到推廣,并被ISO國際標準組織指定為ISO11898標準[2]。相較于一般通信總線,CAN 數據通信表現出顯著的靈活性、實時性及可靠性,其特征主要包括以下幾點:(1)通信速率最高可達到1Mbps/40m,直接傳輸距離最遠可達到10km/2kbps。信息傳輸介質包括雙絞線、光纖、同軸電纜等。(2)可通過全局廣播、點對點及一點對多點等方式進行數據傳輸,而無需專門調度。(3)可實現多主方式運行,網絡上各節點可不受時間限制自主地向網絡上其他節點傳輸信息,同時無主、從機之分,通訊便捷,基于該特征可有效地建立多機備份系統。(4)推行非破壞性總線優先級仲裁技術,當多個節點同時傳輸信息時,優先級相對低的節點會自主停止傳輸,而優先級相對高的節點則可不受影響的繼續開展數據傳輸,以此可很大程度上總線沖突仲裁效率,特別是在網絡超負載的情況下亦不會發生網絡癱瘓。(5)同時支持數據幀、出錯幀、遠程幀、超載幀等報文幀,實行短幀格式,各幀有效字節數為8byte,傳輸迅速、受干擾概率低的同時,還可實現可觀的檢錯效果。(6)各幀信息都配備有CRC檢驗及相關校驗措施,確保了信息數據的準確性。(7)節點可實現自診斷功能,倘若出現節點錯誤嚴重情況,可自動關閉總線,從而使其他節點及總線可繼續運行。

因為船舶運行環境較為惡劣,加之如今對設備各項性能及可靠性、穩定性提出了越來越嚴格的要求,在對船舶機艙自動化現場總線網絡系統進行研發過程中,必須著重考量系統的可靠性、穩定性[3]。在引入雙重冗余總線結構以外,還應盡可能引入完善技術保證兼容性,使控制系統的運行操作及相關功能可通過監控系統進行有效呈現;同時,對全船網絡化設置有接口,保證與上層網絡的相關設備可實現有效連接。CAN 所具備的系統結構的高度分散性、對環境的適應性、現場設備的智能化等,可很好地滿足船舶監控的要求,表現出顯著的應用優越性[4]。基于CAN 現場總線協議的機艙自動化系統特征,主要表現下述幾方面:(1)CAN是全面數字化、網絡化的控制系統,其網絡結構趨于簡單化,以此為控制系統的設計、操作及檢修維護等工作提供了極大便利。(2)散布于現場的智能設備可自主實現控制、測量、傳感、報警等一系列功能,所以省卻了各種中間環節及復雜連接導線,各項設備以網絡節點的形式與總線網絡進行連接,一根電纜或者一對雙絞線上可連接多個設備,通過原本電纜即可實現對新型現場控制設備的引入,而不需要增加新的電纜。因為系統結構簡化,設備連接導線少,再加上數字化、智能化設備內部功能增強,減少了信號的往返傳輸,進而使系統可靠性得到了有效增強。(3)機艙監控系統檢測節點、參數較少,船舶整體布線長度有限,因此滿足低比特率、短幀的協議便可。通過對CAN 的應用,將位速率調節為125kbps,總線長度最長可達到530m,以此可充分滿足船舶整體的布線長度要求。同時,短幀格式可滿足船舶監控實時性的要求,有效確保數據信息傳輸的準確性及低誤碼率。(4)因為船舶機艙涉及各式各樣的設備,加之它們有著極高的專業性、復發性,這使得船員要想有效掌握各項設備的性能存在不小的難度。CAN 在機艙自動化系統中的應用,可實現對設備的遠程監控、維護,達成信息網絡與控制網絡的繼承,構建統一的分布式數據庫,進而可實現對數據的高效便捷采集,為船員全面有效掌握船舶技術狀態提供有效便利。

3 CAN在機艙自動化系統中的應用實踐

3.1 CAN在主機監控系統中的應用

主機監控系統是機艙自動化系統中不可或缺的一部分,其主要可分為監測報警、安全防護及遠程控制等模塊。系統中的各模塊可進行獨立運行,同時基于CAN可實現各模塊的有效連接,不論是哪個或若干個模塊發生故障,均不會對全面主機監控系統的運行造成不利影響,如此一來,可有效減輕船員的操作負擔,并有效提升船舶系統運行的可靠性、穩定性。安全防護模塊可在機艙發生閥門為關閉、發動機溫度過高等緊急狀況時,結合實際異常情況實行緊急制動或聯鎖,依托CAN 確保各模塊的有序運行。依托CAN與現場設備連接,遠程控制系統可經由主控室控制面板下達指令。監測報警模塊則可實現船舶控制系統數據采集與傳輸、數據分析、監測報警等各項功能,即為依托CAN 總線將監測獲取的數據傳輸至監控中心,然后對數據開展處理,接著在主機上對各參數安全限值進行調節,一旦超出限值即會報警,另外還可對歷史監測數據、報警予以記錄,在需求時歸納報表及打印[5]。遠程控制模塊可以以全自動化、半自動化方式進行遠程控制,在船舶運行時要求開展一系列控制,其中,保證主機依據預先設置的曲線開展運行是至關重要的一環,同時要求調解各部位的螺旋槳速度及相關的主機速度。遠程控制模塊下,既可實現全自動化的依據預先設置曲線運行,又可結合實際需求以降低或提升主機轉速等,還可結合需求調解主機轉向。安全防護模塊可為監測報警模塊、遠程控制模塊提供有力補充,在機艙自動化系統運行后,在系統中可預先設置相應的故障模式,一旦系統引發故障后即可及時評定故障的類別并立即轉至故障處理程序,結合實際需求確定實行相應操作,并依據故障狀況進行報警,切實保障主機監控系統的安全有序運行。

3.2 CAN在船舶電站自動化系統中的應用

船舶電站在船舶自動化系統運行中占據著十分重要的地位,有別于路基電站,船舶電站所處工作環境惡劣、要進行頻繁并車及電站容量偏小,為保障船舶的有序運行,必須要確保船舶電站的安全性、穩定性。船舶電站自動化系統是實現船舶電站自動化控制的基礎前提,其不僅可對船舶電站各項運行參數開展實時監測,還可實現適時呈現及報警。船舶電站自動化系統功能結構,如圖1所示。船舶電站自動化系統可實現的功能主要包括自起動功、自動并車功能、解列停機功能、卸載功能以及報警功能等,其中,對于自起動功能而言,倘若船舶電站當前運行機組引發故障,其即可自主起動備用發電機組,此處涉及的故障既包含傳統意義上的各種故障,還包含了電網負載過大的情況,與此期間即需要起動備用發電機組。對于自動并車功能而言,其指的是當前運行機組與即將并車的機組的相位差值、電壓差值等都符合標準便可開展自動并車。該項功能是船舶電站自動化系統必不可少的一部分,其重要影響著船舶電站的有序運行。對于解列停機功能而言,其指的是倘若船舶運行負載不足額定負載的30%時,要求開展解列停機操作。對于卸載功能而言,其指的是倘若船舶運行負載在額定負載90%以上,且已實現自動并車時,要求可向系統下達卸載指令,對相關不關閉的負載提示予以關閉,并發出報警信號[6]。對于報警功能而言,作為傳播電站自動化系統的一項重要功能,其可在船舶電站引發故障或出現過載時第一時間發出報警信號,進而采取相應處理手段。

圖1 船舶電站自動化系統功能示意圖Fig.1 Schematic diagram of functions of ship power station automation system

4 結語

總而言之,船舶自動化是船舶工業發展的一大趨勢,實現船舶機艙全面自動化,對提升船舶工作效率,保障船舶有序運行等方面都有著十分重要的現實意義。因此,相關人員應緊緊圍繞如何更有效實現船舶機艙自動化進行探索研究,本文提出將CAN應用于機艙自動化系統,對實現主機監控、船舶電站管理自動化大有裨益。