船舶自動化系統(tǒng)有效集成方案研究

張越 郭兵 顏仁聰

摘要：本文為船舶自動化系統(tǒng)的有效集成提供了一個完整的解決方案，并介紹了系統(tǒng)配置和軟硬件性能。該方案采用以太網(wǎng)技術(shù)、CAN總線技術(shù)和RS485網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接各子系統(tǒng)或第三方設(shè)備。它可以在一個或多個服務(wù)器終端上對全船的熱參數(shù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)測和報警，并根據(jù)需要隨時將船舶工況數(shù)據(jù)發(fā)送到岸上。

關(guān)鍵詞：船舶;自動化系統(tǒng);集成方案研究;協(xié)議轉(zhuǎn)換

引言

隨著工業(yè)計算機技術(shù)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶自動化產(chǎn)品已基本實現(xiàn)數(shù)字化，標(biāo)準(zhǔn)化程度越來越高。但是，由于造船行業(yè)的特殊性，其自動化子系統(tǒng)選擇了不同的供應(yīng)商，如PMS（電站管理系統(tǒng)）、泵風(fēng)機控制系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)、機艙狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、液位測量系統(tǒng)和其他監(jiān)控系統(tǒng)。各自動化子系統(tǒng)相互獨立，完成特定任務(wù)，各子系統(tǒng)之間不能共享控制信息或監(jiān)控數(shù)據(jù)，運行監(jiān)控終端也分布在全船。隨著船舶管理要求的提高，迫切需要將上述自動化子系統(tǒng)有機地集成起來，使之成為一個完整的全船綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)，真正實現(xiàn)對船舶上各種設(shè)備的單點或多點集中監(jiān)控。隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成熟，特別是RS485網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和各種現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，它已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并被IEC（國際電工委員會）作為標(biāo)準(zhǔn)采用。它也是大多數(shù)船舶自動化設(shè)備公司采用的首選現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制信息管理領(lǐng)域的優(yōu)勢也非常適合船舶。上述三種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機結(jié)合，可以輕松實現(xiàn)船舶自動化子系統(tǒng)的完全集成，使系統(tǒng)的運行、管理和維護(hù)更加直觀、簡單，實現(xiàn)船岸間船舶運行數(shù)據(jù)的共享，充分發(fā)揮岸基保障的作用，提高船岸管理的協(xié)同效應(yīng)。

1集成方案

全船綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以機艙狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過RS485網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備集成其他自動化子系統(tǒng)。集成子系統(tǒng)可以是具有標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)輸出的任何自動化系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)中的自動化子系統(tǒng)可根據(jù)船舶的實際需要增減。圖中PMS和ECDIS（電子海圖）液位測量系統(tǒng)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)記錄儀、積載儀均由第三方提供，需要通過網(wǎng)關(guān)接入，系統(tǒng)底層采用標(biāo)準(zhǔn) CAN2.0現(xiàn)場總線連接各現(xiàn)場輸入輸出智能模塊，以及各現(xiàn)場傳感器的輸入輸出信號，執(zhí)行機構(gòu)和電機起動器直接連接到輸入輸出智能模塊，經(jīng)這些智能模塊處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過 CAN總線發(fā)送到現(xiàn)場處理主機，實現(xiàn)船舶現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制管理使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)連接所有工作站、智能擴展報警單元和智能通信單元。網(wǎng)絡(luò)上的任何計算機都可以根據(jù)需要進(jìn)行擴展，每個工作站根據(jù)其用途安裝不同的人機交互圖形界面軟件。兩個工作站操作e作為系統(tǒng)服務(wù)器，整個系統(tǒng)的運行維護(hù)數(shù)據(jù)庫存儲在其中，其他計算機根據(jù)需要在系統(tǒng)初始化時從服務(wù)器上下載。 CAN網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場處理主機通過RS485總線與網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換充當(dāng)主機和第三方系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)RS485網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的中間層，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸。

2系統(tǒng)性能特征

2.1工作站a和交換中心B

人機交互功能主要在工作站上實現(xiàn)。工作站選擇安裝了WinXP操作系統(tǒng)的PC。整個系統(tǒng)配備至少2臺PC機（通常安裝在中央控制室），用作以太網(wǎng)服務(wù)器和互為備用。當(dāng)一臺電腦出現(xiàn)故障時，它可以自動切換到備份電腦。工作站計算機a、智能通信單元C和智能擴展報警中繼器g之間采用以太網(wǎng)通信（TCP/IP），各設(shè)備的通信電纜通過交換集線器集中。根據(jù)以太網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量和距離，可以設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的交換集線器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴展。通常至少需要兩個，分別安裝在集控室和司機室。

2.2智能通信單元C

作為系統(tǒng)控制設(shè)備，安裝實時操作系統(tǒng)和通信控制軟件，通過以太網(wǎng)通信與工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)庫下載、同步和事件記錄，實現(xiàn)與RS485分站的數(shù)據(jù)輸入輸出通信，并通過輸入數(shù)據(jù)操作控制邏輯。其他功能包括：從RS485現(xiàn)場變電站采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從服務(wù)器工作站向VDR、配載機等第三方系統(tǒng)提供所需信息、現(xiàn)場數(shù)據(jù)和系統(tǒng)報警信息，并通過軟件功能塊實現(xiàn)控制邏輯。

2.3網(wǎng)關(guān)D

配備實時操作系統(tǒng)和通信控制軟件，為PMS（電站電源管理系統(tǒng)）、VDR（導(dǎo)航數(shù)據(jù)記錄儀）、液位測量系統(tǒng)、裝載計算機等第三方系統(tǒng)提供接口（通常為RS485/RS232/RS422接口）。協(xié)議轉(zhuǎn)換后，第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)格式（反之亦然），通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)與智能通信單元C連接，交換數(shù)據(jù)或控制邏輯J。

2.4 ?CAN總線現(xiàn)場處理主機E

CAN總線現(xiàn)場處理主機作為 CAN網(wǎng)絡(luò)的主機，從各輸入輸出智能模塊采集數(shù)據(jù)，通過RS485網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至智能通信單元C，或?qū)闹悄芡ㄐ艈卧狢接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到每個輸入和輸出智能模塊。為了達(dá)到雙重備份的目的，RS485總線網(wǎng)絡(luò)的每個子站需要使用兩臺現(xiàn)場處理上位機作為備份。

2.5輸入/輸出智能模塊F

RS485總線網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場分站均配備各種標(biāo)準(zhǔn)化的輸入輸出智能模塊，如數(shù)字輸入智能模塊、數(shù)字輸出智能模塊、模擬輸入智能模塊、模擬輸出智能模塊、脈沖輸入智能模塊、PT100電阻輸入智能模塊等。通過 CAN總線與現(xiàn)場處理主機通信，接收開關(guān)量輸入、模擬量輸入（如溫度、壓力傳感器等4～20mA信號）、電阻值輸入、Pt100傳感器（如流量計等）脈沖信號輸入，并將數(shù)字信號輸出到泵啟動器和電磁閥，控制泵的啟動和停止以及閥門的開啟和關(guān)閉。接收現(xiàn)場傳感器開關(guān)量輸入，輸出4～20mA電流信號至現(xiàn)場指示器、PID調(diào)節(jié)等控制設(shè)備。

2.6智能擴展報警單元G

智能擴展報警單元與以太網(wǎng)相連，接收來自智能通信單元的報警事件信息，并能存儲一定量的報警歷史。它還可以根據(jù)需要選擇性地檢索或遍歷系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)或設(shè)備狀態(tài)信息。另一個重要功能是實現(xiàn)換檔轉(zhuǎn)換和工程師呼叫，工程師呼叫報警功能由硬件實現(xiàn)。

2.7系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)和RS485網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)設(shè)計，互為備用，系統(tǒng)故障時可自動切換。以太網(wǎng)電纜采用Stp5雙絞線，RS485網(wǎng)絡(luò)和 CAN總線采用一對屏蔽雙絞線。系統(tǒng)中的所有設(shè)備都設(shè)置了固定的IP地址，以避免通信錯誤。

3人機界面軟件設(shè)計

工作站計算機上安裝了基于WinXP的人機交互軟件。船舶設(shè)備和部件以及系統(tǒng)本身的設(shè)備均設(shè)計為圖形對象，用戶操作和系統(tǒng)顯示完全在圖形界面中。除了基本的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控功能、設(shè)備控制功能和系統(tǒng)管理診斷功能外，還具有良好的用戶圖形界面，非常方便用戶系統(tǒng)參數(shù)管理、系統(tǒng)維護(hù)和通道快速檢查。在系統(tǒng)主窗口上設(shè)置報警顯示、用戶設(shè)置、報警分組、趨勢顯示、系統(tǒng)模式、通道抑制、數(shù)據(jù)打印、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫管理等功能按鈕，可快速切換到相應(yīng)的功能窗口，實現(xiàn)相關(guān)顯示和操作。

3.1顯示功能

在主窗口中設(shè)置專門的報警框，自動滾動顯示最新報警事件的詳細(xì)信息，并顯示現(xiàn)有報警列表、報警歷史記錄、報警抑制列表、報警點通道分組顯示、模擬通道趨勢顯示、通道用戶隨機呼叫顯示、通過船舶設(shè)備和系統(tǒng)仿真的功能調(diào)用圖形狀態(tài)顯示和系統(tǒng)I/0狀態(tài)顯示等，對各自的自動化子系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行模擬圖形顯示。

3.2打印

用戶可以選擇任何設(shè)備打印相應(yīng)的熱工參數(shù)或其他參數(shù)的數(shù)據(jù)。打印內(nèi)容和打印時間可由用戶設(shè)置。當(dāng)然，用戶也可以隨時打印。報警打印在發(fā)生報警事件時由系統(tǒng)自動打印。

3.3點控制窗口

泵、閥門和發(fā)電機的控制功能通過圖形操作窗口實現(xiàn)，每個模擬通道也通過窗口中的模擬圖形儀表顯示。圖形窗口的調(diào)用可以通過直接點擊目標(biāo)對象來實現(xiàn)。

3.4工作站和用戶管理

每個工作站都是多用戶工作站，不同級別的用戶擁有不同的權(quán)限。管理層用戶可以增加或減少工作站和用戶的數(shù)量，執(zhí)行系統(tǒng)維護(hù)和大修，并為每個工作站和其他用戶分配相應(yīng)的權(quán)限和優(yōu)先級。有些工作站只有顯示功能，有些工作站有控制功能，但具有控制功能的工作站也有不同的優(yōu)先級。不同的用戶級別決定了用戶是否可以進(jìn)行參數(shù)點設(shè)置、打印設(shè)置、系統(tǒng)維護(hù)等功能。

4結(jié)論

采用該方案設(shè)計的系統(tǒng)已在大型集裝箱船上得到應(yīng)用。由于設(shè)備模塊化、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化，具有良好的系統(tǒng)擴展性能，可廣泛應(yīng)用于各種類型和規(guī)模的商船。實踐結(jié)果表明，該方案具有良好的實用性、經(jīng)濟性、功能性和可擴展性。

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