船舶自动化系统有效集成方案研究

张越 郭兵 颜仁聪

摘要：本文为船舶自动化系统的有效集成提供了一个完整的解决方案，并介绍了系统配置和软硬件性能。该方案采用以太网技术、CAN总线技术和RS485网络技术连接各子系统或第三方设备。它可以在一个或多个服务器终端上对全船的热参数、导航数据等参数进行集中监测和报警，并根据需要随时将船舶工况数据发送到岸上。

关键词：船舶;自动化系统;集成方案研究;协议转换

引言

随着工业计算机技术和工业控制网络技术的发展，船舶自动化产品已基本实现数字化，标准化程度越来越高。但是，由于造船行业的特殊性，其自动化子系统选择了不同的供应商，如PMS（电站管理系统）、泵风机控制系统、阀门控制系统、机舱状态监测系统、照明控制系统、液位测量系统和其他监控系统。各自动化子系统相互独立，完成特定任务，各子系统之间不能共享控制信息或监控数据，运行监控终端也分布在全船。随着船舶管理要求的提高，迫切需要将上述自动化子系统有机地集成起来，使之成为一个完整的全船综合监控自动化系统，真正实现对船舶上各种设备的单点或多点集中监控。随着工业控制网络通信技术的成熟，特别是RS485网络数据传输技术和各种现场总线技术的发展，它已广泛应用于工业控制领域，并被IEC（国际电工委员会）作为标准采用。它也是大多数船舶自动化设备公司采用的首选现场总线标准。工业以太网技术在工业控制信息管理领域的优势也非常适合船舶。上述三种网络技术的有机结合，可以轻松实现船舶自动化子系统的完全集成，使系统的运行、管理和维护更加直观、简单，实现船岸间船舶运行数据的共享，充分发挥岸基保障的作用，提高船岸管理的协同效应。

1集成方案

全船综合监控自动化系统架构如图1所示。该系统以机舱状态监测系统为基础，通过RS485网络、网关等设备集成其他自动化子系统。集成子系统可以是具有标准串行数据输出的任何自动化系统。因此，系统中的自动化子系统可根据船舶的实际需要增减。图中PMS和ECDIS（电子海图）液位测量系统、导航数据记录仪、积载仪均由第三方提供，需要通过网关接入，系统底层采用标准 CAN2.0现场总线连接各现场输入输出智能模块，以及各现场传感器的输入输出信号，执行机构和电机起动器直接连接到输入输出智能模块，经这些智能模块处理后转换成数字信号，通过 CAN总线发送到现场处理主机，實现船舶现场工况数据采集和设备控制管理使用工业以太网技术连接所有工作站、智能扩展报警单元和智能通信单元。网络上的任何计算机都可以根据需要进行扩展，每个工作站根据其用途安装不同的人机交互图形界面软件。两个工作站操作e作为系统服务器，整个系统的运行维护数据库存储在其中，其他计算机根据需要在系统初始化时从服务器上下载。 CAN网络的现场处理主机通过RS485总线与网络之间的数据交换充当主机和第三方系统网关RS485网络是整个系统的中间层，主要负责现场数据的传输。

2系统性能特征

2.1工作站a和交换中心B

人机交互功能主要在工作站上实现。工作站选择安装了WinXP操作系统的PC。整个系统配备至少2台PC机（通常安装在中央控制室），用作以太网服务器和互为备用。当一台电脑出现故障时，它可以自动切换到备份电脑。工作站计算机a、智能通信单元C和智能扩展报警中继器g之间采用以太网通信（TCP/IP），各设备的通信电缆通过交换集线器集中。根据以太网设备的数量和距离，可以设置适当数量的交换集线器，实现网络的扩展。通常至少需要两个，分别安装在集控室和司机室。

2.2智能通信单元C

作为系统控制设备，安装实时操作系统和通信控制软件，通过以太网通信与工作站进行数据库下载、同步和事件记录，实现与RS485分站的数据输入输出通信，并通过输入数据操作控制逻辑。其他功能包括：从RS485现场变电站采集现场数据，从服务器工作站向VDR、配载机等第三方系统提供所需信息、现场数据和系统报警信息，并通过软件功能块实现控制逻辑。

2.3网关D

配备实时操作系统和通信控制软件，为PMS（电站电源管理系统）、VDR（导航数据记录仪）、液位测量系统、装载计算机等第三方系统提供接口（通常为RS485/RS232/RS422接口）。协议转换后，第三方设备的数据格式转换为系统标准格式（反之亦然），通过RS485总线网络与智能通信单元C连接，交换数据或控制逻辑J。

2.4  CAN总线现场处理主机E

CAN总线现场处理主机作为 CAN网络的主机，从各输入输出智能模块采集数据，通过RS485网络发送至智能通信单元C，或将从智能通信单元C接收到的数据发送到每个输入和输出智能模块。为了达到双重备份的目的，RS485总线网络的每个子站需要使用两台现场处理上位机作为备份。

2.5输入/输出智能模块F

RS485总线网络上的各现场分站均配备各种标准化的输入输出智能模块，如数字输入智能模块、数字输出智能模块、模拟输入智能模块、模拟输出智能模块、脉冲输入智能模块、PT100电阻输入智能模块等。通过 CAN总线与现场处理主机通信，接收开关量输入、模拟量输入（如温度、压力传感器等4～20mA信号）、电阻值输入、Pt100传感器（如流量计等）脉冲信号输入，并将数字信号输出到泵启动器和电磁阀，控制泵的启动和停止以及阀门的开启和关闭。接收现场传感器开关量输入，输出4～20mA电流信号至现场指示器、PID调节等控制设备。

2.6智能扩展报警单元G

智能扩展报警单元与以太网相连，接收来自智能通信单元的报警事件信息，并能存储一定量的报警历史。它还可以根据需要选择性地检索或遍历系统收集的数据或设备状态信息。另一个重要功能是实现换档转换和工程师呼叫，工程师呼叫报警功能由硬件实现。

2.7系统网络

以太网和RS485网络采用双网设计，互为备用，系统故障时可自动切换。以太网电缆采用Stp5双绞线，RS485网络和 CAN总线采用一对屏蔽双绞线。系统中的所有设备都设置了固定的IP地址，以避免通信错误。

3人机界面软件设计

工作站计算机上安装了基于WinXP的人机交互软件。船舶设备和部件以及系统本身的设备均设计为图形对象，用户操作和系统显示完全在图形界面中。除了基本的实时数据监控功能、设备控制功能和系统管理诊断功能外，还具有良好的用户图形界面，非常方便用户系统参数管理、系统维护和通道快速检查。在系统主窗口上设置报警显示、用户设置、报警分组、趋势显示、系统模式、通道抑制、数据打印、系统网络、数据库管理等功能按钮，可快速切换到相应的功能窗口，实现相关显示和操作。

3.1顯示功能

在主窗口中设置专门的报警框，自动滚动显示最新报警事件的详细信息，并显示现有报警列表、报警历史记录、报警抑制列表、报警点通道分组显示、模拟通道趋势显示、通道用户随机呼叫显示、通过船舶设备和系统仿真的功能调用图形状态显示和系统I/0状态显示等，对各自的自动化子系统和设备进行模拟图形显示。

3.2打印

用户可以选择任何设备打印相应的热工参数或其他参数的数据。打印内容和打印时间可由用户设置。当然，用户也可以随时打印。报警打印在发生报警事件时由系统自动打印。

3.3点控制窗口

泵、阀门和发电机的控制功能通过图形操作窗口实现，每个模拟通道也通过窗口中的模拟图形仪表显示。图形窗口的调用可以通过直接点击目标对象来实现。

3.4工作站和用户管理

每个工作站都是多用户工作站，不同级别的用户拥有不同的权限。管理层用户可以增加或减少工作站和用户的数量，执行系统维护和大修，并为每个工作站和其他用户分配相应的权限和优先级。有些工作站只有显示功能，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优先级。不同的用户级别决定了用户是否可以进行参数点设置、打印设置、系统维护等功能。

4结论

采用该方案设计的系统已在大型集装箱船上得到应用。由于设备模块化、系统网络化、标准化，具有良好的系统扩展性能，可广泛应用于各种类型和规模的商船。实践结果表明，该方案具有良好的实用性、经济性、功能性和可扩展性。

参考文献

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