一種機(jī)艙綜合報警系統(tǒng)設(shè)計探討

林明沖 王敏 王志華

摘 要：本文探討一種船舶機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)具有以下特點：(1)系統(tǒng)模塊化，便于工程調(diào)試人員和船員維護(hù);(2)減少船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)的電纜使用量，節(jié)約工時成本;(3)系統(tǒng)擴(kuò)展性好，可以按需方便增加監(jiān)控點;(4)故障風(fēng)險分散，單節(jié)點故障不影響系統(tǒng)運行;(5)冗余設(shè)計，提高系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：報警系統(tǒng)；CAN總線；信號采集

中圖分類號:U664.82+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

A Design of Alarm and Monitoring System

LIN Mingchong, WANG Min, WANG Zhihua

（Guangzhou Hangtong Shipbuilding and Shipping Co.,Ltd. Guangzhou 510290）

Abstract: Discussion on the design of a kind of engine room monitoring and alarm system in this paper, the system has the following characteristics: （1） System modularization, convenient for engineering maintenance；（2） Reduce the usage of the cable in alarm and monitoring system, reduce the construction man-hour cost；（3）System scalability, increase the monitoring point conveniently according to the requirements；（4）Scattered failure risk, single point failure does not affect the operation of the system；（5）Redundant design, improve system reliability.

Keywords: Alarm system; CAN bus; Signal acquisition

1 概述

船舶機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)是輪機(jī)自動化的一個重要內(nèi)容，它能夠準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測機(jī)艙內(nèi)各種動力設(shè)備的運行狀態(tài)及其參數(shù)。一旦運行設(shè)備發(fā)生故障，自動發(fā)出聲光報警信號并進(jìn)行報警打印記錄，故障的狀態(tài)全部顯示在集控室的監(jiān)視屏上。因此，值班輪機(jī)員不需要到機(jī)艙進(jìn)行巡視，只要在集控室內(nèi)就可以了解機(jī)艙所有設(shè)備的運行狀態(tài)及其參數(shù)，從而可以減輕輪機(jī)管理人員的勞動強(qiáng)度，改善工作條件，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運行故障，提高設(shè)備運行的可靠性。

機(jī)艙綜合報警系統(tǒng)分為傳感器、采集硬件和軟件系統(tǒng)及通信模塊幾部分。采集硬件將大量的物理參數(shù)如溫度、壓力、開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過傳感器采集，然后遠(yuǎn)程傳輸?shù)綑C(jī)艙控制室，通過通信模塊上傳到上位計算機(jī)。對于無人機(jī)艙的船舶，機(jī)艙監(jiān)控報警系統(tǒng)要長期連續(xù)運行，機(jī)艙內(nèi)環(huán)境惡劣，系統(tǒng)不僅要克服船舶的震動、搖擺以及各種電氣設(shè)備的電磁干擾，還要適應(yīng)機(jī)艙內(nèi)的潮濕、有腐蝕性的鹽霧等環(huán)境。因此要求機(jī)艙報警系統(tǒng)可靠性高、實時性好、系統(tǒng)容量大、抗震、擴(kuò)充性和耐腐蝕能力強(qiáng)。

2 系統(tǒng)方案簡介

本文主要以某多功能錨作供應(yīng)船為實例，介紹一種機(jī)艙綜合報警系統(tǒng)的設(shè)計。該機(jī)艙綜合報警共需檢測報警點356個，實現(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)測報警及溫度、壓力等模擬信號顯示，具備延伸報警、輪機(jī)員值班選擇等功能。356個設(shè)備故障監(jiān)測報警點中：主機(jī)63個/臺（共2臺）；發(fā)電機(jī)22個/臺（共2臺）；首側(cè)推17個/臺（共2臺）；尾側(cè)推19個；大絞車14個；齒輪箱11個/臺（2臺）；CPP24個/臺（共2臺）；液位報警28個。以上系統(tǒng)占了整個報警系統(tǒng)91%的份額，基于此，本系統(tǒng)的信號采集根據(jù)設(shè)備的就近原則，分為8個信號采集箱布置（如圖1）：左主機(jī)采集箱；右主機(jī)采集箱；左CPP&齒輪箱采集箱；右CPP&齒輪箱采集箱；發(fā)電機(jī)采集箱；液位采集箱；尾側(cè)推采集箱；首側(cè)推采集箱。由于信號采集箱布置在被監(jiān)控設(shè)備旁，甚至安裝于設(shè)備上，就地采集及處理，然后通過數(shù)據(jù)總線方式傳輸給主站，較原將采集箱置于集控室的設(shè)計，不僅大大減少了監(jiān)控報警系統(tǒng)電纜的使用量，同時減少了施工的難度，顯著降低施工成本。

圖1 信號采集箱的分布

在通信總線選擇上，選用高速率、實時性好、容易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點的CAN總線進(jìn)行采集箱與主站的數(shù)據(jù)傳輸交換。CAN總線為一種具有國際標(biāo)準(zhǔn)的總線（ISO11898），用于數(shù)據(jù)傳送，具有以下特點：

（1）節(jié)約電纜，只需兩芯電源線、兩芯信號線、普通對絞線即可進(jìn)行主從站數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)交換，節(jié)約施工成本；

（2）CAN總線上的子站可以分優(yōu)先級，采用非破壞總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時通信時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止通信，使其在重負(fù)載的情況下也不會造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓（以太網(wǎng)則有可能）；

（3）CAN總線最高傳輸速率可以達(dá)到1 m/s，速率與距離關(guān)系如表1所示，本系統(tǒng)采用500KBPS通信速率，總線長度可達(dá)到100 m，滿足船上主站與采集箱之間的布線長度需要，且在此速率下可以滿足船上的數(shù)據(jù)交換的實時性；

表1 CAN總線傳輸速率與距離關(guān)系

（4）任何一個節(jié)點，在嚴(yán)重錯誤的情況下，自動從總線切除，不影響別的節(jié)點運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（5）通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，代替了傳統(tǒng)的地址編碼，由于不使用與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息（如節(jié)點地址等），因此節(jié)點性能與他們在網(wǎng)絡(luò)中的位置無關(guān)，可以實現(xiàn)在線上網(wǎng)、下網(wǎng)和即插即用，方便維護(hù)檢修；

（6）數(shù)據(jù)出錯率低，采用CRC校驗，保證了極低的出錯率。

本船入級ABS，需滿足ACCU入級符號要求，根據(jù)船級社規(guī)范及船東要求，該系統(tǒng)設(shè)計有3臺工作站，2臺安放于集控室，一臺安放于駕駛室前臺。延伸報警單元為7個,其中1個安裝于駕駛室后臺,4個分別裝于輪機(jī)長、大管輪、二管輪、三管輪房間,其余2個裝在公共場所。主站與工作站、延伸報警單元的通訊距離長，數(shù)據(jù)量大，組網(wǎng)節(jié)點多，因此通信方式適于選用以太網(wǎng)通信技術(shù)。

綜上所述，整個系統(tǒng)采用了CAN總線與以太網(wǎng)混合組網(wǎng)。系統(tǒng)實現(xiàn)信號采集、報警顯示、延伸報警報警、值班選擇、記錄打印等功能，設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2CAN總線與以太網(wǎng)混合組網(wǎng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)基于CAN總線與以太網(wǎng)混合通信，上層網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，整個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用了冗余的環(huán)網(wǎng)設(shè)計。下層采用了CAN總線傳輸，雙總線冗余。信號的采集通過采集箱處理后，每個采集箱都同時接入BUSA總線與BUSB總線，再分別由主站1與主站2進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，并通過PLC進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，通過網(wǎng)關(guān)組成一個冗余的局域環(huán)網(wǎng)，工作站與延伸板接入網(wǎng)絡(luò)后，其裝載的組態(tài)軟件通過網(wǎng)線接收數(shù)據(jù)，腳本處理后，實時顯示機(jī)艙設(shè)備的監(jiān)控情況。

3.1硬件部分

3.1.1 信號采集箱（CAN子站）

采集箱主要功能是直接與現(xiàn)場的傳感信號相聯(lián)，完成信號采集及處理，數(shù)據(jù)上傳至主站。它由主控制器、AI模塊、DI模塊組成、CAN總線收發(fā)器等組成，采集箱模塊具備以下功能：

（1）通過AI模塊采集4~20 mA或0~5 V電壓信號；

（2）通過DI模塊采集開關(guān)量信號；

（3）電源變換及隔離電源輸出；

（4）通過CAN總線接口與主站通信。

此采集箱硬件設(shè)計，可以采用低成本高性能的單片機(jī)來作為采集箱的主控制器，完成信號的采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸，降低硬件成本。而且信號采集板采用可拆卸的積木結(jié)構(gòu)，易于拆除更換，具有易維護(hù)性。下面以8路模擬量采集及數(shù)據(jù)CAN總線上傳至主站的模塊設(shè)計為例，拋磚引玉。該電路由ATMEGA128單片機(jī)、多路選擇芯片MAX4638、精密電流/電壓變化芯片RCV420、信號隔離ISO122、光耦TL117、CAN總線控制器MCP2515、CAN收發(fā)器MCP2551、隔離光耦6N137等組成，成本低，集成度高，設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。單片機(jī)的PD5、PD6、PD7引腳通過光耦TL117與MAX4638的A1、A2、A3相連，實現(xiàn)對8路4~20 mA模擬量的選通，選通的4~20 mA電流信號通過RCV420轉(zhuǎn)為0~5 V信號，經(jīng)過模擬量線性隔離芯片ISO122進(jìn)行隔離，送入ATMEGA128單片機(jī)中處理，完成A/D（模擬量/數(shù)字量）轉(zhuǎn)變存放于緩沖區(qū)。緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)由MCP2515及MCP2551組成的CAN總線接口發(fā)送至主站。MCP2515與MCP2551使用高速光耦6N137隔離以提高抗干抗性。

圖3 8路模擬量采集及數(shù)據(jù)CAN總線上傳至主站的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 主站

主站與采集箱進(jìn)行CAN雙向通信，完成采集箱傳送數(shù)據(jù)的接收，進(jìn)行數(shù)據(jù)的程序處理，傳輸給工作站及延伸板顯示及可編程的輸出，同時工作站指令的發(fā)送下發(fā)至采集箱。主站由西門子S7-300 PLC、CAN300（CAN總線擴(kuò)展模塊）、SM321（開關(guān)量輸入擴(kuò)展模塊）、CP343-1（網(wǎng)絡(luò)模塊擴(kuò)展模塊）、SM322（開關(guān)量輸出模塊）及外圍電路組成，在監(jiān)視與報警工作時，消音、確認(rèn)、測試等按鈕的開關(guān)量狀態(tài)都通過西門子S7-300 PLC擴(kuò)展模塊EM321采集輸入，通過CAN總線傳送過來的采集箱數(shù)據(jù)由CAN300讀取，在PLC中集中處理，然后通過網(wǎng)關(guān)送到上位機(jī)和延伸板顯示。當(dāng)有監(jiān)測點報警時，通過西門子SM322可編程輸出模塊輸出，串入外部24V電源驅(qū)動報警燈顯示、蜂鳴器報警。

3.1.3 工作站

本系統(tǒng)由三個工作站組成，集控室的兩機(jī)熱備用，運行相同的程序，實時地接收數(shù)據(jù)，并記錄入自己的歷史記錄數(shù)據(jù)庫。任何一臺通信失效時，發(fā)出通信故障報警，但不會影響另外一臺的使用。

3.1.4 延伸報警板

延伸報警板由觸摸屏及測試按鈕、消音按鈕、蜂鳴器、報警指示燈、值班指示燈組成。通過網(wǎng)絡(luò)可將本船所有設(shè)備故障報警延伸到值班輪機(jī)員處所。當(dāng)值班選擇系統(tǒng)的開關(guān)選定指定輪機(jī)員時，值班輪機(jī)員處的伸延報警板和值班選擇板上面的值班指示燈亮。如機(jī)艙有報警觸發(fā)，值班輪機(jī)員延伸板有聲光報警，而非值班輪機(jī)員處的延伸板，只有燈閃而無聲音報警，避免影響非值班輪機(jī)員正常休息。

3.2軟件部分

工作站及延伸報警板運行的組態(tài)軟件，不斷讀取PLC通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)，不斷刷新當(dāng)前報警狀態(tài)及顯示值，同時對報警參數(shù)的修改也通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給PLC進(jìn)行設(shè)定值的更新，本系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)的主要功能為：

（1）故障報警輸出：當(dāng)系統(tǒng)檢測到故障狀態(tài)時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，在得到應(yīng)答后，如故障依然存在時系統(tǒng)停止聲音輸出，指示燈平光;只有消除報警后，指示燈才滅。但消聲后不會影響下一個報警點的觸發(fā)；

（2） 實時顯示被測參數(shù)：在系統(tǒng)的軟件界面按分組顯示所有機(jī)艙參數(shù)條目，包括名稱、當(dāng)前值、單位、上限值、下限值以及報警狀態(tài)。以紅色顯示當(dāng)前監(jiān)測點處于報警狀態(tài)，綠色表示正常，以柱形條顯液位，虛擬儀表顯示轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等形式，滿足數(shù)據(jù)顯示的直觀性；

（3）歷史記錄查詢：輸入關(guān)鍵詞或起止日期，可以查詢到相應(yīng)的設(shè)備運行記錄；

（4）記錄打?。合到y(tǒng)接有一個報警記錄打印機(jī)，軟件設(shè)有自動打印功能開關(guān)，當(dāng)自動打印功能開時，報警觸發(fā)時，系統(tǒng)啟動打印機(jī)，實時打印當(dāng)前的報警時間、狀態(tài)等信息。手動打印時，可以打印當(dāng)前存在的所有的報警點，同時也可以通過設(shè)定起止時間進(jìn)行

（5）延時報警：當(dāng)船舶航行時，隨船的擺動，油水柜的液位來回波動，容易觸動液位開關(guān)產(chǎn)生誤報警，設(shè)置只有觸點狀態(tài)改變持續(xù)的時間大于延時時間再輸出報警，可以有效消除誤報警；

（6）閉鎖報警：當(dāng)船上的主機(jī)、主發(fā)電機(jī)、齒輪箱等系統(tǒng)正常停機(jī)時，壓力點或溫度點會降低到報警值，此不為故障報警。通過閉鎖功能，當(dāng)正常關(guān)機(jī)時，只顯示當(dāng)前實際的狀態(tài)值，但并不發(fā)出聲光報警；

（7） 權(quán)限限制：操作員需憑設(shè)定的用戶名與密碼進(jìn)入，獲取權(quán)限，才能修改有關(guān)參數(shù)；

（8） 失職報警：當(dāng)報警發(fā)生后，如果3分鐘內(nèi)沒有輪機(jī)員去應(yīng)答，系統(tǒng)就會產(chǎn)生呼叫船上所有的輪機(jī)員，以提醒值班人員的失職。

4結(jié)束語

機(jī)艙報警系統(tǒng)的設(shè)計，要針對項目船型所提出的監(jiān)控要求，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、船上設(shè)備布置及可靠性等進(jìn)行先期分析，進(jìn)行總體的策劃，基于成本及使用要求，選取合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及硬件選型。軟件設(shè)計方面，要以滿足客戶需求為原則，擁有良好的用戶體驗。同時，軟件要有開放性、可靠性、易擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)

[1]楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術(shù).北京航空航天大學(xué).

[2]李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]李江全.案例解說組態(tài)軟件典型控制應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.

[4]江海波.深入淺出AVR單片機(jī)——從ATMega48/88/168開始.中國電力出版社.

作者簡介：林明沖（1986-），男，助理工程師。從事船舶電氣施工管理工作。

王 敏（1983-），男，助理工程師。從事船舶電氣設(shè)計工作。

收稿日期：2014-01-17