基于CAN总线的船舶机舱综合监控系统

基于CAN总线的船舶机舱综合监控系统
【摘要】为了实现船舶自动化，提高机舱综合监控系统的可靠性，本文结合课题的研究，给出了整个系统的设计方案。

文中设计了基于双CAN总线的机舱综合监控系统，并着重介绍了报警分站和人机界面的设计。

【关键词】船舶；综合监控；双CAN总线
0.引言
船舶机舱综合监控系统的自动化水平是衡量当前船舶先进程度的一个重要标志。

现场总线技术集先进的嵌入式系统、现代通信、自控理论、网络技术于一身，以其先进性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。

而CAN（Control Area Network）总线是国际上应用最广泛的现场总线之一：起先，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络；而后逐步被应用于机械工业、过程工业等领域；近年来，船舶综合监控系统越来越多采用CAN总线技术，而且CAN 总线技术表现出的优势是其它总线技术所无法媲美的。

1.CAN总线技术的特点与优势
CAN总线是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求高位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

当信号传输距离到10km时，CAN总线仍可提供高达5kbps的数据传输速率。

作为一种技术先进、可靠性高、成本合理的远程网络通信控制方式，CAN总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。

特别是船舶自动化机舱，越来越多得采用CAN总线。

从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。

CAN总线除具有一般现场总线所具有的技术规范开放、现场设备可互操作等特点外，还有其自身的一些优势：（1）低成本的现场总线。

（2）极高的总线利用率。

（3）很远的数据传输距离。

（4）高速的数据传输速率。

（5）多主结构依据优先权进行总线访问。

（6）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。

（7）可靠的错误处理和检错机制。

（8）发送的信息遭到破坏后可自动重发。

（9）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。

（10）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

（11）通信介质支持双绞线、同轴电缆或者光纤。

2.基于CAN-bus的船舶机舱综合监控
本文是采用双CAN技术，冗余设计，提高船舶机舱综合监控的可靠性。

发电机组由三台发电机组成，可以根据负荷的大小，自动并车和解列，可以单机运行、双机运行或三机运行。

发电机组将发出来的电送到配电板，由配电板根据负载用电负荷的不同，合理分配用电量。

主机的控制单元也挂在CAN总线上，方便主机的各种参数的采集，以及安保系统对主机的实时监控。

由于机舱设备繁杂，待监控的参数众多，一般需在集控室设二台监控机，才可以完成所有的监控任务或达到满意的效果，双机冗余提高了监控的可靠性。

两
台监控机，互为冗余，两机同时运行时，一机为主机，可具有监控功能，另一机为备机，只起监视作用。

一旦主机发生故障，则可自动触发控制切换，备机变为主机，可以拥有控制功能。

其它场合如驾驶台和轮机员房间一般都只设一台监控机。

各监控机通常只具有监视功能，控制权必须通过密码登录，并由系统中唯一存在的主控工控机裁决后才有可能获得。

在机舱，通常设置两台现场工控机，双机软硬冗余设计，提高监控的可靠性。

用于与下层现场数据采集信息交互，对机舱中的主机、发电机、空压机、辅锅炉等设备进行监控和监视，而且也与上层网络通讯，实现数据共享。

在一般情况下两工控机同时运行，工控机中的各应用程序可在两机间单独主备切换实现冗余功能。

每一台工控机都配置一台UPS，防止供电电源故障后，监控机瞬时断电，数据没有及时保存，造成监视数据丢失，从而影响设备的正常运行，进而影响船舶的正常运营。

通过CANBUS桥接器，延伸报警站挂在CANBUS总线上实现数据共享，包括驾驶台延伸报警站、轮机长延伸报警站和轮机员延伸报警站。

驾驶员和轮机员都可以通过这些延伸报警站及时了解机舱的报警情况，从而及时了解机舱的状态。

各种智能数显仪表也通过CANBUS桥接器，挂在CAN总线上，通过数据共享，显示主机、辅机等设备的各种参数。

主机高温控制器、滑油温度控制器和低温温度控制器，这三个比较重要的控制器也通过RS485/CAN转换器，连接到CAN现场总线上，这样可以高效及时得对温度进行调控。

辅锅炉、冰机、空压机、消防设备等机舱设备控制面板也通过各自的测控单元连接到CAN现场总线上，实现数据交互和共享。

海水泵、滑油泵等机舱各种泵都通过控制单元连接到CAN现场总线上，这样对于泵的启动和停止，轮机员可以现场控制，也可以软操和遥控。

3.机舱报警分站的设计
机舱报警分站包括：计算机、彩色图形显示器和打印机。

如图 1 所示，设置四个机舱报警分站，主站通常设置在集控室，所有报警分站都连接在CAN现场总线上，实现数据共享。

机舱报警分站，其主要功能包括：
（1）报警指示、历史报警显示和故障打印。

（2）即时参数列表显示、直方图显示、曲线显示及其打印。

（3）控制过程MIMICS图显示。

（4）历史参数显示及趋势监视。

（5）重要事件触发显示。

（6）主机、发电机、泵浦等设备的操控。

（7）参数修改。

（8）值班延伸报警选择等。

报警分站含有主机各个缸的排气温度、缸套水温、活塞油温度、扫气箱温度和着火检测温度，以及各个缸气缸油断流的通道，除需完成报警外，还要判断故障减速，只要任一缸温度达到减速温度，就要发出相应的故障减速信号到集控台上的报警控制模块，由其输出控制相应的继电器动作，向主机安保系统发出故障减速信号。

报警分站也有发电机、空压机、辅锅炉等机舱设备的控制界面，除需完成报警外，还要判断故障，如果有故障，就发出相应的故障信号到集控台上的报警控制模块，由其输出控制相应的继电器动作，向故障设备的安保系统发出故障减速或停止信号。

本文设计的报警分站，其最大的特点是：当机舱集控室主报警控制
站故障时，报警分站仍然可以控制机舱的主要设备，可以显示机舱各主要设备的主要参数和状态，而且在故障时，可以由此报警分站直接向故障设备的安保系统发出故障减速或停止信号。

4.人机界面设计
监控界面是非常重要的，因为它首先会展示给使用者，给使用者第一印象。

它的设计直接关系到机舱综合监控系统的总体形象和效率。

整个系统的监控内容，包括主机、辅机、辅锅炉等等设备，都集中到人机界面上显示和操作，而监控界面的设计最主要的是设计合理的布局和界面的切换。

本文是要用CorelDRAW 软件画出布局合理的界面底图和用VB设计控制合理的控件，设计界面不仅布局合理，而且使用方便且美观。

根据本系统的设计，界面采用多个窗体，只有一个主窗体，主窗体上设置多个分窗体的控件，用以链接分窗体。

主窗体上不仅显示分窗体的链接控件，而且显示主机的状态。

分窗体有十多个，其中有主机监控，发电机监控，辅锅炉监控，历史数据查询，网络状态和机舱状态监视，实时信息显示，操作日志，报警信息分类显示与处理，控制权限转移与设置，操作员登录与解录等窗体。

5.结束语
本文设计是基于CAN总线的船舶机舱综合监控，是一个大型的CAN现场总线网络系统。

该监控系统在CAN总线技术的基础上，结合自动控制技术、计算机技术、通信技术和电子技术，使机舱主要设备的监视和控制集中到一台计算机上操作和控制，并通过合理使用通信方式，并通过软硬件的冗余设计，提高了此系统的可靠性。

该系统由于设计多个报警分站，不仅可以方便船员在多地点控制和及时了解机舱各设备的状态，而且可以在上位机或集控室主站故障的情况下，担当主站的重任，完成机舱一些主要设备的监控功能，这样更增加了机舱综合监控系统的可靠性，从而保证船舶正常运行。

【参考文献】
［１］何文雪，谢剑英. 基于现场总线技术的船舶机舱综合监控系统.船舶工程2003（04）．
［２］张均东，任光，孙培廷.船舶监控网络中的冗余设计和实现[J].中国造船.2002(03)．
［３］余剑翔，张均东，任光，曹辉.“海巡31”号船舶综合网络监控系统.中国造船，2007（12）．
［４］徐振华，顾俊，施兴德.船舶自动化系统有效集成方案研究[J].上海造船，2011（04）．
［５］吴卓成，黄文君.船用柴油机智能报警监控系统的设计[J].中国造船.2009(03)．
［６］严新平，李志雄等.综合一体化的船舶机舱监控系统.武汉理工大学学报.2011（05）．
［７］余世林，陈辉，宁海强，王术新.船艇机舱综合模拟训练系统的设计研究.中国造船.2010(06)．
［８］郭远星，施一明，叶莹.船舶综合控制系统研究与设计.中国造船.2010（09）．。