多層分布式處理技術(shù)在主機遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬玉鑫, 曹輝, 黃曉華

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多層分布式處理技術(shù)在主機遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬玉鑫1, 曹輝2, 黃曉華2

（1. 中國船級社大連分社，遼寧大連 114013；2. 大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

在參考多層分布式處理模式的基礎(chǔ)上，從人機交互、數(shù)據(jù)解析、模塊化處理、網(wǎng)絡(luò)通訊等層面針對船用柴油主機提出了一種新的主機遙控系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)由操縱權(quán)限控制單元、主機起動單元、主機調(diào)速單元、主機轉(zhuǎn)速與負荷限制單元、主機安全保護單元等分布式處理模塊組成，彼此在已構(gòu)建的多層分布式處理單元之間通過雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采用液晶化軟件界面及按鈕指示燈陣列為主要的人機交互方式，在輪機自動化實訓(xùn)平臺上進行了在線調(diào)試，驗證了本文所提出的系統(tǒng)框架和設(shè)計方法的合理性及有效性。

輪機 分布式處理 主機 遙控

0 引言

船舶主機遙控系統(tǒng)是船舶主動力的監(jiān)視、控制及保障系統(tǒng)。它是船舶控制體系的核心，是體現(xiàn)船舶自動化程度的標(biāo)志，也是船舶安全運行的基礎(chǔ)保障。本文系統(tǒng)在參考和吸收了國際已有船用主機遙控系統(tǒng)的設(shè)計模式及控制特點的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)開發(fā)與工程應(yīng)用角度詳細論述了多層分布式處理式的主機遙控系統(tǒng)的框架設(shè)計、系統(tǒng)邏輯分層規(guī)劃、系統(tǒng)分布式處理模塊的功能實現(xiàn)等。

1 系統(tǒng)的框架設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計以模塊化結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主要分為駕控臺控制單元、集控室控制單元、機旁控制單元以及各分布式處理單元（DPU）。分布式處理單元在負責(zé)獨立的邏輯運算的同時，彼此之間通過高速率雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)（CAN A、CAN B）按照既定通用協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換[1]。系統(tǒng)還具航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）、機艙檢測報警系統(tǒng)（AMS）以及備用轉(zhuǎn)速拾取等單元，這些單元可以通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的串行通訊接口在既定的通訊協(xié)議下進行數(shù)據(jù)交換。

2 多層分布式處理設(shè)計

分布式處理是一種將系統(tǒng)應(yīng)用邏輯分布到在物理上和邏輯上相互分離的多個處理單元的工作方式。本文系統(tǒng)設(shè)計則參考多層分布式處理模式中資源共享性、開放性、并發(fā)性、容錯性和透明性等特征從系統(tǒng)的通訊機制、數(shù)據(jù)規(guī)劃、功能設(shè)計等角度進行分層規(guī)劃[2]。系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖1 主機遙控系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1人機交互接口

在系統(tǒng)的分布式處理中，應(yīng)用層實現(xiàn)的是與系統(tǒng)人機交互有關(guān)的功能，如圖3所示，該層主要包括三地主機遙控面板、主/輔車令發(fā)生及接收器、主機狀態(tài)指示面板、主機安全報警面板、車鐘打印機、蜂鳴器、主機轉(zhuǎn)速表等組成。

2.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析為系統(tǒng)的“表示層”，實現(xiàn)的是對系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析。它一方面負責(zé)將解析的數(shù)據(jù)并交給應(yīng)用層人機交互接口顯示給用戶，同時也負責(zé)接受應(yīng)用層返回的信息，并傳遞給下一層業(yè)務(wù)邏輯層處理。如圖4所示，該層主要由三部分組成：a、系統(tǒng)分組數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)分組保存與上一層各交互接口的數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)緩存的作用；b、數(shù)據(jù)解析服務(wù)，負責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組映射與解析；c、數(shù)據(jù)驅(qū)動引擎，通過向應(yīng)用層及中間層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析、中轉(zhuǎn)與存儲。

圖3 應(yīng)用層人機交互接口設(shè)計

圖4 表示層結(jié)構(gòu)組成設(shè)計

2.3系統(tǒng)分布式處理邏輯

系統(tǒng)分布式處理邏輯處于系統(tǒng)中間邏輯層，如圖5所示，其嵌入于各分布式DPU單元中，為主機遙控系統(tǒng)邏輯處理的核心。該層包括多個系統(tǒng)功能的服務(wù)，以實現(xiàn)主機遙控系統(tǒng)的程序邏輯并完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。其中，a、分布式對象，也叫透明對象（位置透明），能夠被遠程分布式處理單元調(diào)用，在本文的系統(tǒng)中如主機調(diào)速單元、控制權(quán)限的轉(zhuǎn)換及應(yīng)答單元等；b、透明對象的代理，即分布式對象在其它域中的代理對象，以完成消息的跨域傳遞；c、格式化標(biāo)識符，用于定義消息是如何傳遞到信道中的，目前有SOAP和BIN兩種格式化標(biāo)識符，由于BIN格式化標(biāo)識符傳遞的速度更快，本文方案采用的是BIN格式；d、CAN通訊通道，即各個DPU以及上位機之間通過雙冗余CAN總線連接，用于實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部通訊。

2.4雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)通訊

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接受，包括對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的差錯控制、流量控制，如圖6所示。本文的通訊幀格式采用CAN2.0B中擴展幀格式，如表1所示，中央控制器與各個模塊之間采用CAN總線通信，仲裁場包括29位識別符、替代遠程請求位、識別符擴展位和RTR位[4]。通訊時，遠程幀用來承載各個模塊間的請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀則用來向各個模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)通信的距離的不同，通信速率可設(shè)定為50K－1M之間[5]。本文系統(tǒng)的部分CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議設(shè)計如表1-3所示。

圖5中間邏輯層結(jié)構(gòu)組成設(shè)計

圖6 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)組成設(shè)計

2.5分布式DPU單元

分布式DPU單元采用模塊化設(shè)計，屬于系統(tǒng)物理層中的分散式處理單元，是主機遙控系統(tǒng)各核心處理邏輯的物理載體，用來實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯運算、控制規(guī)則及數(shù)據(jù)通訊等。DPU單元以單片機作為微處理器，采用單電路板結(jié)構(gòu)，均采用統(tǒng)一的機械和電氣設(shè)計，分布在機艙各處，其模塊類型、數(shù)量根據(jù)實際情況可進行彈性化調(diào)整。DPU一方面作為傳感器和執(zhí)行器的接口，直接與傳感器和執(zhí)行器相連，實現(xiàn)系統(tǒng)信號的采集及控制等；另一方面，DPU通過專用線纜連接到雙冗余的CAN總線上，如圖1所示，實現(xiàn)DPU單元之間的互聯(lián)。按照數(shù)據(jù)輸入輸出類型的不同，DPU模塊被設(shè)計為如下幾種類型，如表4所示。

3 分布式系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)在船舶使用中可能出現(xiàn)的各種情況以及參考各船級社規(guī)范建議，船舶主機遙控系統(tǒng)的功能設(shè)計主要包括有以下幾個方面。

3.1分布式操縱權(quán)限功能模塊

操縱權(quán)限轉(zhuǎn)換時優(yōu)先權(quán)較低的一端需得到該優(yōu)先級端的確認，其優(yōu)先級高低順序為：機旁控制、集控臺控制、駕駛臺控制。機旁控制轉(zhuǎn)遙控控制通過設(shè)在機旁控制箱上的三位轉(zhuǎn)換氣閥來實現(xiàn)，遙控控制模式時，集控臺控制、駕駛臺控制通過其各自控制面板上的權(quán)限轉(zhuǎn)換按鈕來實現(xiàn)。

3.2分布式主機啟動功能模塊

該模塊主要包括各種主機啟動邏輯：a、起動：當(dāng)主機滿足各項起動條件后，空氣分配器投入工作，打開主起動閥與慢轉(zhuǎn)起動閥，進行主機起動并鑒別起動是否完成；b、慢轉(zhuǎn)起動：起動主機時起動邏輯將控制主機先緩慢旋轉(zhuǎn)1-2轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)慢轉(zhuǎn)起動，之后再轉(zhuǎn)入正常起動；c、重復(fù)起動：若到達重復(fù)起動判別條件，系統(tǒng)重新進入啟動流程，重復(fù)起動三次均失敗后，系統(tǒng)發(fā)出三次起動失敗報警信號；d、重起動邏輯：在倒車起動、重復(fù)起動或應(yīng)急起動的情況下，為提高主機起動的成功率，控制邏輯將自動增大起動油量或提高主機的發(fā)火設(shè)定轉(zhuǎn)速。

表1 擴展幀數(shù)據(jù)格式

表2 遠程幀ID29 位格式

表3 數(shù)據(jù)幀ID29 位格式

表4 各DPU參數(shù)

圖7 PID控制算法框圖

3.3分布式主機調(diào)速環(huán)節(jié)模塊

1）帶前饋信號的閉環(huán)調(diào)速環(huán)節(jié)

主機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制采用PID控制，同時增加了一個轉(zhuǎn)速設(shè)定的前饋信號，該調(diào)速環(huán)節(jié)具有正常工作模式（PI 控制）和惡劣海況控制模式（PID 控制）兩種控制模式，其控制算法框圖如圖7所示[6]：

2）具有直接燃油設(shè)定功能的開環(huán)調(diào)速環(huán)節(jié)

當(dāng)調(diào)速器或轉(zhuǎn)速檢測裝置等發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能和轉(zhuǎn)速反饋信號都將被切除，主機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)直接進入采用直接燃油設(shè)定模式的開環(huán)控制，控制端的車令信號直接控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)油門調(diào)節(jié)。

3.4分布式主機轉(zhuǎn)速與負荷限制功能模塊

為避免主機在動態(tài)變化過程中出現(xiàn)超負荷情況，保證動力系統(tǒng)安全可靠運行，系統(tǒng)設(shè)計有主機轉(zhuǎn)速與負荷限制功能。轉(zhuǎn)速限制包括：手動轉(zhuǎn)速限制、轉(zhuǎn)速速率限制、起動轉(zhuǎn)速限制、故障降速及臨界轉(zhuǎn)速限制等；負荷限制包括：轉(zhuǎn)矩限制、排煙溫度限制、轉(zhuǎn)矩限制等。

3.5分布式安全保護模塊

安全保護系統(tǒng)也可視為獨立于主機遙控系統(tǒng)的功能單元，在出現(xiàn)某些特殊情況時對主機進行故障停車或故障降速，確保主機安全。該模塊功能共分為兩種：a、故障停車包括超速保護、主機滑油低壓保護、凸輪軸滑油低壓保護、透平增壓器進口滑油壓力低等；b、故障降速包括：曲柄箱油霧高、缸套冷卻水進口低壓、掃氣空氣高溫、曲柄箱油霧高溫等[7]。上述不同項目的類型及限值可在調(diào)試過程中進行修改。

3.6分布式熱備冗余電源自動切換模塊

主機遙控系統(tǒng)的電源設(shè)計采用主電網(wǎng)和充放電板雙路冗余供電模式。系統(tǒng)正常工作時，為主電網(wǎng)AC220V電源輸入；在主電網(wǎng)失電后，電源模塊會自動切換為應(yīng)急電網(wǎng)充放電板上的DC24V供電，同時發(fā)出“主電源故障”的聲光報警。該功能嵌入并集成于自主研發(fā)的電源功率管理模塊，能夠保證雙路電源的實時、無擾動切換，切換期間系統(tǒng)可不間斷運行[8]。

圖8 主機遙控系統(tǒng)測試平臺環(huán)境

圖9 主機工況點視圖

圖10 主機轉(zhuǎn)速監(jiān)視趨勢圖

4 實驗與測試

系統(tǒng)的測試環(huán)境為我國某海事類院校的輪機自動化實訓(xùn)平臺，如圖8所示。在實驗與測試過程中，通過理論設(shè)計、實驗測試、在線聯(lián)調(diào)等方法相互結(jié)合，對本文的系統(tǒng)設(shè)計進行測試與參數(shù)修正。系統(tǒng)在運行時可轉(zhuǎn)到測試模式，通過人為設(shè)置相關(guān)傳感器故障、通訊故障以及電源故障等，觀察系統(tǒng)在線表現(xiàn)，驗證系統(tǒng)的安保SLD/SHD報警相應(yīng)、通訊故障線路切換等。

圖11 主機最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制趨勢圖

此外，針對閉環(huán)調(diào)試環(huán)節(jié)設(shè)計了調(diào)速器參數(shù)校對模式，該模式下實際的轉(zhuǎn)速信號被自動隔離，進入到調(diào)試系統(tǒng)的反饋信號由手動在液晶屏界面上調(diào)整及設(shè)定，以實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)、故障查詢等。部分調(diào)試過程中的狀態(tài)顯示及運行效果如圖9-12所示。

圖12 輪機長設(shè)定轉(zhuǎn)速限制趨勢圖

5 總結(jié)

本文參考多層化分布式處理模式從系統(tǒng)的框架設(shè)計到人機交互接口、系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析、模塊化處理邏輯、雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)通訊及分布式處理單元等層面提出了一種基于多層化分布式處理技術(shù)的主機遙控系統(tǒng)的框架及概念。系統(tǒng)液晶化軟件界面為主，以具有各種指示燈及按鈕陣列的面板為輔，在我國某航海類學(xué)校的輪機自動化實訓(xùn)平臺上進行了在線測試，測試的內(nèi)容包括雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)控制權(quán)限轉(zhuǎn)換、主機起動邏輯、主機調(diào)速邏輯等功能，驗證了本文所提出的系統(tǒng)框架和功能設(shè)計的合理性。

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The Application of Multilayer Distributed Processing Technology to Main Engine Remote Control System

Ma Yuxin1, Chao Hui2, Huang Xiaohua2

( 1. Dalian Branch of China Classfication Society, Dalian 114013, Liaoning, China; 2. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026,China)

U675 TP3

A

1003-4862（2014）08-0051-06

2014-06-06

馬玉鑫（1980-），男，工程師。專業(yè)方向：船舶質(zhì)量管理。