船舶机舱自动化监控系统研究_曹玉姣

第10卷 第12期 中 国 水 运 Vol.10 No.12 2010年 12月 China Water Transport December 2010
收稿日期：2010-10-13
作者简介：曹玉姣（1979-），女，湖北鄂州人，武汉航海职业技术学院船舶工程系教师。

船舶机舱自动化监控系统研究
曹玉姣
(武汉航海职业技术学院，湖北 武汉 430063)
摘 要：随着造船业及市场需求的发展，船舶结构日趋复杂，功能不断增强，机舱是船舶的心脏，集中了船舶的主要动力设备。

研究设计先进的机舱监控系统对于推进机舱自动化的发展具有重要意义。

传统的机舱监控系统以中小型计算机集中监控为主，难以实现远程控制，已不能适应造船业的迅猛发展。

我国已进入造船大国行列，研究新型的船舶机舱监控系统对于提高船舶自动化水平，推动我国船舶工业的迅速发展具有重要意义。

关键词：机舱监控；自动化；现场总线；以太网
中图分类号：U663.8 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2010）12-0107-03
一、引言
当前，国际造船、航运市场转暖、新船成交价回升，船舶科技迅速发展和海洋经济的崛起，也给传统造船业注入了新的生机和活力，加上大批旧船尤其是油轮面临退役，需要更新补充，以及对船舶安全要求的提高，许多船舶将提前报废，世界造船业总体上呈稳步发展的趋势。

随着造船业及市场需求的发展，船舶结构日趋复杂，功能不断增强，对船舶综合自动化的要求也日益突出。

船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、信息一体化、装载自动化等于一体的多功能综合系统，其中，机舱自动化尤为重要。

机舱是船舶的心脏，集中了船舶的主要动力设备，先进的机舱监控系统对于推进机舱自动化的发展具有重要意义。

船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统,船舶机舱自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研究的重要技术之一,是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。

机舱自动化系统包括主动力系统、发电系统等多个子系统的控制与监测,例如,主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵控制等,需要研究数字监控技术(包括单元系统模块技术、电子模块技术、系统接口模块技术)、光纤数字传输技术、网络技术(包括船用光纤、现场总线、工业以太网等技术)、智能柴油机电控技术、全电力电子技术、微机电技术等,以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式,向实现机舱综合自动化这个高层次阶段发展。

二、船舶机舱自动化监控系统的发展
20世纪50年代以来，随着自动化技术，特别是电子技术的发展，在船舶建设中的应用，提出了“船舶自动化”概念，船舶自动化主要包括轮机自动化、导航自动化和舾装自动化三个方面。

但是限于当时的电子技术水平，使用的监测工具也以常规仪表为主，只有单项自动调节控制装置在机舱中得以应用，实现了某些船舶设备的自动化，如船舶主机、自动舵、锅炉、柴油机装置的压力、温度和液位的自动调节等。

各装置尚没有构成一个完整的集中控制系统，各自独立，
自成体系。

70年代初随着数字计算机开始应用于工控领域，机舱监控系统出现了典型代表——集中监控系统(CCS—Computer Control System)。

这种系统的典型特点是采用一台功能强、速度快的小型或中型计算机在集中控制室内对机舱的动力装置和系统进行集中监视和控制。

这种监控系统具有一定的先进性，它可以监视上百个参数，可同时代替十几个模拟调节器，例如温度、压力、粘度、转速等调节器。

但数据的传输系统依然是大部分引用开关量DI、DO、模拟量0~5V 或4-20mA 的AI、AO 模拟信号，整个系统的数据采集设备昂贵、线路复杂、造价成本较高。

系统的集中控制带来了可靠性问题，稍有不慎就可能造成整个系统的失控或瘫痪，所以它的发展受到了较大的限制。

90年代以来，新造船舶开始采用网络型微机监控系统，随着现场总线技术的日益成熟以及现场总线技术在其他工控领域的成功应用。

很快现场总线技术在船舶监控中得到了应用，由此出现了全分布式监控系统又称现场总线控制系统(FCS——Fieldbus Control System)，此类系统应用现场总线作为各个子系统的内部控制网络，它的典型特点是将监控功能进一步下放，利用智能I／O 模块、智能变送器、数字传感器和执行器在现场一级实现控制系统的组态，因此提高了现场信息的可利用程度，增强了整个系统的可靠性，这种分布式应用对自动监控系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构方面产生了深远的影响。

我国国产机舱监控系统应用起步较晚，60年代后期开始研制，到了80年代后期已经研制出了国产的机舱自动化监控系统。

然而国产系统由于系统功能、结构、制造成本等原因，实际应用较少，系统性能较低、可靠性较差，标准化、系列化、智能化程度不高，总体技术指标落后，技术储备差距大，无法适应当前国内船舶工业的迅速发展。

近期，中国船舶重工集团第704所、第711所和上海船舶运输科学研究所共同研发的中国首套船舶自动化嵌入式系统已经面世，该套系统的出现，打破了中国船舶一直依赖“外脑”的局面。

该系统通过ACTIVEX、DCOM、ODBC、TCP/IP等先进的软件技
108 中 国 水 运 第10卷
术，使所有监测数据共享、实现了数据一体化管理的应用目的，并且实现了集中监测和联动控制，电脑背后连接着开放式的高速网络，网络间还延伸出一条条通往主动力、电力、导航、通讯、装卸载等的线路，以及记录船舶航行状况的“黑匣子”。

纵观史今，船舶机舱自动化系统的发展方向是，发展以计算机网络、现场总线技术为标志的集成平台管理系统IPMS 技术、柴油机遥控技术、全自动电站及电能管理技术、全电力 推进系统监控技术、标准操控台数字监控系统技术、设备软硬件模块化、标准化、系列化技术、船舶光纤数字传输技术、船舶机舱微机电系统新技术等。

三、船舶机舱自动化监控系统研究设计
船舶机舱监控系统的发展经历了集中监控系统、分布式监控系统及现场总线网络型监控系统的发展阶段，自上世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域中显示了自己的优势，如LonWorks、Profibus、CAN总线等。

对于局域网体系结构来说，目前国内外应用较广泛的是以太网，它的最大优点是检测故障容易，扩展或改变网络布局容易，安装、管理、使用简单和成本低。

虽然双绞线抗干扰能力弱，因此在铺设双绞线时要与电力电缆分开并采用屏蔽双绞线。

局域网通信协议采用统一的协议标准 TCP／IP 以太网架构，这不仅确保了信息准确、快速、完整地传输，还可以极大地简化系统设计，网络设备、网络接口及软件开发环境都与主流市场相同，很容易达到资源共享的目的，适合新造船舶的网络集成。

结合现场总线与以太网技术在相关领域的应用，本文研究设计了基于现场总线和以太网技术的船舶机舱监控系统。

通过现场总线和以太网双层网络搭建系统的网络架构，实现信息的本地采集、传输及远程监控功能。

下文将对具体的设计结构进行分析说明。

1．船舶机舱自动化监控系统的结构研究 （1）监控系统总体结构
船舶机舱监控系统作为船舶自动化系统的重要组成部分，主要实现对船舶机舱动力设备的运行状态及热工参数的监控，一旦设备故障或者运行参数越限自动发出声光报警并进行报警信息打印，它还能定时的对有关设备的运行参数进行打印制表。

系统将按标准化、模块化、系列化进行设计，采用现场总线和以太网搭建双层网络架构：基于现场总线的机舱监控网络和基于以太网的上位机网络。

在机舱监控网络中，监控装置直接挂接在现场总线之上，实现对机舱重要设备的监控，如对船舶主机、辅机、齿轮箱、锅炉等设备的滑油、燃油压力、冷却水压力以及液位的监控。

上位机网络接收机舱监控网络上传的设备运行状况和热工参数，存储于服务器数据库中以备查询，并对报警信息进行实时显示、打印。

它的主要结构由两部分组成：下位机用PLC或智能ＩＯ模块进行数据采集和处理；上位机由监控系统设备组成，在组态软件的平台下，构造和生成上位机监控系统。

系统内部分别采用现场总线相连，从而形成了监控局域网和管理局域网，将监控网和管理网用网关相互连接，确保两局域网的信息共享和有效传输，实现机舱的网络化监控。

如图1——船舶
机舱集中监控系统所示。

图1 船舶机舱集中监控系统结构`
（2）系统层次关系
按功能结构划分，整个监控系统分为三层：远程监控层、现场监控层、数据采集层，如图2所示。

下面分别加以阐述：
图2 监控系统层次关系图
① 数据采集层
数据采集层由处于机舱底层的智能测控节点构成。

智能测控节点包括主控制器模块及AI、AO、DI、DO等功能子模块，主控制器模块挂接在现场总线之上，与网关进行通讯，同时留有RS485接口与各功能子模块进行信息交互。

AI模块用于采集机舱传感器或变送器输出的8路4．20mA电流信号或0-5V电压信号；DI模块采集设备的启停、故障、越限等开关量信号。

AO可输出4路4-20mA电流信号，实现对现场执行机构的控制。

DO模块实现对开关设备的启停、开关控制。

主控制器模定时轮询m及DI模块以获取机舱设备信息或运行状态。

并将上位机控制命令下达给AO或DO模块进而实现对相关设备的控制功能。

② 现场监控层
现场监控层采用CAN／Ethemet网关由微控制器、以太网口、CAN通讯接口及延伸报警装置等构成，连接CAN总线和以太网。

该网关还设有一块延伸报警装置，对发生报警的智能测控节点进行声光报警，以引起相关人员注意，该报警装置可设置在大管轮、二管轮、轮机员、集控室、餐厅等处，并且可以通过语音、声光、屏幕界面显示等多种方式进行报警。

③ 远程监控层
上位机网络层以TCP／IP协议为载体，通过网关上传的
第12期 曹玉姣：船舶机舱自动化监控系统研究 109 机舱设备信息存储于机网络层的服务器数据库中，可以实现
历史数据的查询、数据的共享以及数据的实时打印等功能。

在驾驶室、集控室、船长室等处设置监控终端，可以共享服
务器数据库中的数据，进行实现对机舱设备的远程监控。

2．船舶机舱自动化监控系统的功能应用
基于现场总线和以太网建立的机舱自动化监控系统，其
功能是，通过建立一个稳定的船舶机舱自动化监控平台，实
现“功能齐全、集中监控、易于维护”的统一管理模式----
对船舶机舱动力系统（包括船舶主机、辅机、齿轮箱、锅炉
等设备）和安全管理系统（视频监控、紧急报警器等）、消防
报警系统等实现集中监控和管理，对有关被监测和控制设备
的运行信息、报警事件进行记录，可通过相应报表管理程序进行相关查询、确认、排序、打印等操作,系统具有实时报警报表、历史报警报表、操作员记录报警及历史数据记录报表，可由用户灵活设定多个报表，一个报表中可以显示的是某个监控设备的运行数据，也可以显示出多个设备的某些运行数据，以便于同类设备的运行情况比较。

系统通过强大的数据共享功能和标准开放式的数据库接口，可支持各种类型的数据库，实现先进的监控技术和科学的管理相容合的应用平台。

本文所研究的监控系统软件采用工业级组态方式，将各设备的运行参数经处理后，以直观的方式实时显示在各监控系统的运行界面上，使得管理人员可轻松掌握各船舶机舱内各设备的运行状况。

系统提供的内置VBA开发接口、支持OPC通讯接口等功能，使监控软件的组态及开发简单，画面更美观，操作简易，并且提供了前所未有的开放性，极大的方便了系统集成。

（1）监控系统功能实现
在该监控系统中，用户可以在计算机显示屏上通过热键或用鼠标点击对各监控画面进行切换，对船舶中参数如温度、压力、流量等进行监测，并对阀门进行控制，还开发了动画显示效果。

例如：
① 冷却系统，冷却气缸燃烧室高温区喷油嘴阀门状态动态颜色显示。

② 加压式高温加热劣质燃油系统参数显示。

（2）报警及报表管理
报警记录是监控软件的另一重要功能，类似于数据的记录与查询。

报警记录和查询也采取了分布式的组织结构，完全支持网络存储和访问。

报警记录模块对在系统运行过程中发生的报警信息进行记录，记录采用标准的微软数据库格式，其他系统能够通过ODBC接口访问到该数据库，这也是自动化监控系统提供的开放接口之一。

报警记录的主要内容包括：报警信息、应答信息、报警恢复信息等。

和历史数据记录一样，报警记录也可以进行灵活的配置，包括记录的优先级和存储设定。

报警功能里还包括实时报警查询，历史报警查询功能。

实时报警查询是对当前正在发生的报警进行汇总显示的一种方式，是为了让操作管理人员能一目了然地看到系统中所有存在的报警；历史报警查询类似于实时查询，只是显示的是所有报警事件。

同时，系统还可以实现将所有报警用报表的样式给出，利于在系统外部对历史报警进行分析与查询。

四、结束语
随着造船业的发展，船舶设备的结构日趋复杂，在功能上不断完善，对系统的可靠性、稳定性提出了更高的要求。

机舱作为船舶的心脏，集中了船舶主机等大部分船舶设备，因此，机舱自动化监控系统的研究对于推动船舶自动化发展具有重要意义。

本文研究的基于现场总线和以太网的船舶机舱自动化监控系统，正是21世纪国际船舶自动化技术发展总趋势。

参考文献
[1] 郑凤阁．轮机自动化[M]．大连：大连海事大学出版社，
2005．
[2] 牛宝来．船舶自动控制系统[M]．大连：大连海事大学出
版社，1990．
[3] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出
版社，1999．
[4]
刘晓莉，高军，赵延明．基于ARM的以太网与CAN总线互联网关的设计[J]．工业控制计算机，2007，20(4)：15．16．。