多層分布式處理技術(shù)在主機(jī)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(jī)遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬玉鑫1, 曹輝2, 黃曉華2

（1. 中國(guó)船級(jí)社大連分社，遼寧大連 114013；2. 大連海事大學(xué)輪機(jī)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(jī)交互、數(shù)據(jù)解析、模塊化處理、網(wǎng)絡(luò)通訊等層面針對(duì)船用柴油主機(jī)提出了一種新的主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)由操縱權(quán)限控制單元、主機(jī)起動(dòng)單元、主機(jī)調(diào)速單元、主機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷限制單元、主機(jī)安全保護(hù)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(guò)雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jī)交互方式，在輪機(jī)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上進(jìn)行了在線調(diào)試，驗(yàn)證了本文所提出的系統(tǒng)框架和設(shè)計(jì)方法的合理性及有效性。

輪機(jī) 分布式處理 主機(jī) 遙控

0 引言

船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)是船舶主動(dòng)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(dòng)化程度的標(biāo)志，也是船舶安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。本文系統(tǒng)在參考和吸收了國(guó)際已有船用主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式及控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用角度詳細(xì)論述了多層分布式處理式的主機(jī)遙控系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)、系統(tǒng)邏輯分層規(guī)劃、系統(tǒng)分布式處理模塊的功能實(shí)現(xiàn)等。

1 系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以模塊化結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主要分為駕控臺(tái)控制單元、集控室控制單元、機(jī)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(fù)責(zé)獨(dú)立的邏輯運(yùn)算的同時(shí)，彼此之間通過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換[1]。系統(tǒng)還具航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）、機(jī)艙檢測(cè)報(bào)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(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 多層分布式處理設(shè)計(jì)

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(gè)處理單元的工作方式。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)則參考多層分布式處理模式中資源共享性、開(kāi)放性、并發(fā)性、容錯(cuò)性和透明性等特征從系統(tǒng)的通訊機(jī)制、數(shù)據(jù)規(guī)劃、功能設(shè)計(jì)等角度進(jìn)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(jī)遙控系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1人機(jī)交互接口

在系統(tǒng)的分布式處理中，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的是與系統(tǒng)人機(jī)交互有關(guān)的功能，如圖3所示，該層主要包括三地主機(jī)遙控面板、主/輔車令發(fā)生及接收器、主機(jī)狀態(tài)指示面板、主機(jī)安全報(bào)警面板、車鐘打印機(jī)、蜂鳴器、主機(jī)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(shí)現(xiàn)的是對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析。它一方面負(fù)責(zé)將解析的數(shù)據(jù)并交給應(yīng)用層人機(jī)交互接口顯示給用戶，同時(shí)也負(fù)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(shí)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組映射與解析；c、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)引擎，通過(guò)向應(yīng)用層及中間層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析、中轉(zhuǎn)與存儲(chǔ)。

圖3 應(yīng)用層人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)

圖4 表示層結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

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(jī)遙控系統(tǒng)邏輯處理的核心。該層包括多個(gè)系統(tǒng)功能的服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)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(duì)象，也叫透明對(duì)象（位置透明），能夠被遠(yuǎn)程分布式處理單元調(diào)用，在本文的系統(tǒng)中如主機(jī)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(duì)象的代理，即分布式對(duì)象在其它域中的代理對(duì)象，以完成消息的跨域傳遞；c、格式化標(biāo)識(shí)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(shí)符，由于BIN格式化標(biāo)識(shí)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(gè)DPU以及上位機(jī)之間通過(guò)雙冗余CAN總線連接，用于實(shí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的差錯(cuò)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(kuò)展幀格式，如表1所示，中央控制器與各個(gè)模塊之間采用CAN總線通信，仲裁場(chǎng)包括29位識(shí)別符、替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位、識(shí)別符擴(kuò)展位和RTR位[4]。通訊時(shí)，遠(yuǎn)程幀用來(lái)承載各個(gè)模塊間的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀則用來(lái)向各個(gè)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(jì)如表1-3所示。

圖5中間邏輯層結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

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

2.5分布式DPU單元

分布式DPU單元采用模塊化設(shè)計(jì)，屬于系統(tǒng)物理層中的分散式處理單元，是主機(jī)遙控系統(tǒng)各核心處理邏輯的物理載體，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算、控制規(guī)則及數(shù)據(jù)通訊等。DPU單元以單片機(jī)作為微處理器，采用單電路板結(jié)構(gòu)，均采用統(tǒng)一的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)，分布在機(jī)艙各處，其模塊類型、數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)的采集及控制等；另一方面，DPU通過(guò)專用線纜連接到雙冗余的CAN總線上，如圖1所示，實(shí)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(jì)為如下幾種類型，如表4所示。

3 分布式系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

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(jí)社規(guī)范建議，船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要包括有以下幾個(gè)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(shí)優(yōu)先權(quán)較低的一端需得到該優(yōu)先級(jí)端的確認(rèn)，其優(yōu)先級(jí)高低順序?yàn)椋簷C(jī)旁控制、集控臺(tái)控制、駕駛臺(tái)控制。機(jī)旁控制轉(zhuǎn)遙控控制通過(guò)設(shè)在機(jī)旁控制箱上的三位轉(zhuǎn)換氣閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，遙控控制模式時(shí)，集控臺(tái)控制、駕駛臺(tái)控制通過(guò)其各自控制面板上的權(quán)限轉(zhuǎn)換按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2分布式主機(jī)啟動(dòng)功能模塊

該模塊主要包括各種主機(jī)啟動(dòng)邏輯：a、起動(dòng)：當(dāng)主機(jī)滿足各項(xiàng)起動(dòng)條件后，空氣分配器投入工作，打開(kāi)主起動(dòng)閥與慢轉(zhuǎn)起動(dòng)閥，進(jìn)行主機(jī)起動(dòng)并鑒別起動(dòng)是否完成；b、慢轉(zhuǎn)起動(dòng)：起動(dòng)主機(jī)時(shí)起動(dòng)邏輯將控制主機(jī)先緩慢旋轉(zhuǎn)1-2轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)慢轉(zhuǎn)起動(dòng)，之后再轉(zhuǎn)入正常起動(dòng)；c、重復(fù)起動(dòng)：若到達(dá)重復(fù)起動(dòng)判別條件，系統(tǒng)重新進(jìn)入啟動(dòng)流程，重復(fù)起動(dòng)三次均失敗后，系統(tǒng)發(fā)出三次起動(dòng)失敗報(bào)警信號(hào)；d、重起動(dòng)邏輯：在倒車起動(dòng)、重復(fù)起動(dòng)或應(yīng)急起動(dòng)的情況下，為提高主機(jī)起動(dòng)的成功率，控制邏輯將自動(dòng)增大起動(dòng)油量或提高主機(jī)的發(fā)火設(shè)定轉(zhuǎn)速。

表1 擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)格式

表2 遠(yuǎn)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(jī)調(diào)速環(huán)節(jié)模塊

1）帶前饋信號(hào)的閉環(huán)調(diào)速環(huán)節(jié)

主機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制采用PID控制，同時(shí)增加了一個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)定的前饋信號(hào)，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(kāi)環(huán)調(diào)速環(huán)節(jié)

當(dāng)調(diào)速器或轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置等發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)都將被切除，主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)直接進(jìn)入采用直接燃油設(shè)定模式的開(kāi)環(huán)控制，控制端的車令信號(hào)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)油門(mén)調(diào)節(jié)。

3.4分布式主機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷限制功能模塊

為避免主機(jī)在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中出現(xiàn)超負(fù)荷情況，保證動(dòng)力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有主機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷限制功能。轉(zhuǎn)速限制包括：手動(dòng)轉(zhuǎn)速限制、轉(zhuǎn)速速率限制、起動(dòng)轉(zhuǎn)速限制、故障降速及臨界轉(zhuǎn)速限制等；負(fù)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(hù)模塊

安全保護(hù)系統(tǒng)也可視為獨(dú)立于主機(jī)遙控系統(tǒng)的功能單元，在出現(xiàn)某些特殊情況時(shí)對(duì)主機(jī)進(jìn)行故障停車或故障降速，確保主機(jī)安全。該模塊功能共分為兩種：a、故障停車包括超速保護(hù)、主機(jī)滑油低壓保護(hù)、凸輪軸滑油低壓保護(hù)、透平增壓器進(jìn)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(jìn)口低壓、掃氣空氣高溫、曲柄箱油霧高溫等[7]。上述不同項(xiàng)目的類型及限值可在調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行修改。

3.6分布式熱備冗余電源自動(dòng)切換模塊

主機(jī)遙控系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)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(shí)，為主電網(wǎng)AC220V電源輸入；在主電網(wǎng)失電后，電源模塊會(huì)自動(dòng)切換為應(yīng)急電網(wǎng)充放電板上的DC24V供電，同時(shí)發(fā)出“主電源故障”的聲光報(bào)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(shí)時(shí)、無(wú)擾動(dòng)切換，切換期間系統(tǒng)可不間斷運(yùn)行[8]。

圖8 主機(jī)遙控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)環(huán)境

圖9 主機(jī)工況點(diǎn)視圖

圖10 主機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)視趨勢(shì)圖

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境為我國(guó)某海事類院校的輪機(jī)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)與測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、在線聯(lián)調(diào)等方法相互結(jié)合，對(duì)本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試與參數(shù)修正。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可轉(zhuǎn)到測(cè)試模式，通過(guò)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(yàn)證系統(tǒng)的安保SLD/SHD報(bào)警相應(yīng)、通訊故障線路切換等。

圖11 主機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制趨勢(shì)圖

此外，針對(duì)閉環(huán)調(diào)試環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了調(diào)速器參數(shù)校對(duì)模式，該模式下實(shí)際的轉(zhuǎn)速信號(hào)被自動(dòng)隔離，進(jìn)入到調(diào)試系統(tǒng)的反饋信號(hào)由手動(dòng)在液晶屏界面上調(diào)整及設(shè)定，以實(shí)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(guò)程中的狀態(tài)顯示及運(yùn)行效果如圖9-12所示。

圖12 輪機(jī)長(zhǎng)設(shè)定轉(zhuǎn)速限制趨勢(shì)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(jì)到人機(jī)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(jī)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(guó)某航海類學(xué)校的輪機(jī)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上進(jìn)行了在線測(cè)試，測(cè)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(jī)起動(dòng)邏輯、主機(jī)調(diào)速邏輯等功能，驗(yàn)證了本文所提出的系統(tǒng)框架和功能設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 賈寶柱, 曹輝, 張均東, 魯?shù)酪? 張文杰. 基于WinCE的嵌入式主機(jī)遙控模擬裝置設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)造船, 2012, 52(4): 207-213.

[2] J.E. Smith. Instruction-Level Distributed Processing [J]. Computer, 2001, 34(4): 59-65.

[3] L. Pagliarini, H. H. Lund. Interactive parallel and distributed processing [J]. International Conference on Applied Mathematics and Informatics - Proceedings, 2010, 231-238.

[4] 徐弘升, 林葉錦. 基于嵌入式系統(tǒng)和CAN 總線的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 34(S): 101-103.

[5] 曹俊敏, 孟祥群, 唐厚君. 單個(gè)CAN控制器的雙總線冗余網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[J]. 微處理機(jī), 2007. 28(4): 29-31.

[6] 張桂臣, 任光. 基于PLC的船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 船舶工程, 2007, 29(4): 124-127.

[7] 林葉錦. 輪機(jī)自動(dòng)化[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2009.

[8] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2012.

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。