CAN 在機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北武漢 430064)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展,推動(dòng)了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革發(fā)展,以此有序構(gòu)建起以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng),在此形勢(shì)下,現(xiàn)場總線應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)新型控制系統(tǒng),其可有效適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向,為自動(dòng)控制系統(tǒng)用戶創(chuàng)造極大便利,并推動(dòng)自動(dòng)化儀表、可編程控制器等體系結(jié)構(gòu)、功能的改革創(chuàng)新。在此背景下,現(xiàn)場總線產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成全球各國的自控技術(shù)研究熱點(diǎn)。二十世紀(jì)八十年代以來誕生的一些現(xiàn)場總線技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),較具代表性的現(xiàn)場總線包括有CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks、FFDENG等[1]。長期以來,世界各國都尤為重視海軍力量的發(fā)展,在大規(guī)模建造各類戰(zhàn)艦船舶的同時(shí),將船舶自動(dòng)化水平提升納入進(jìn)海軍建設(shè)的一項(xiàng)重要目標(biāo)。船舶自動(dòng)化系統(tǒng)涉及機(jī)艙、導(dǎo)航、通訊等多個(gè)環(huán)節(jié),其中機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)則是與發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置等設(shè)備相同重要且不可或缺的獨(dú)立系統(tǒng)。而傳統(tǒng)機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在設(shè)備層接線復(fù)雜、系統(tǒng)安裝及維護(hù)管理不便捷等諸多問題,因此,對(duì)CAN在機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行思考研究,有著十分重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線是目前自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一大熱點(diǎn)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可將連接于總線上用作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示、控制、監(jiān)控、參數(shù)調(diào)節(jié)、報(bào)警等一系列功能，將獨(dú)立封閉的解決方案轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化、公開化的解決方案?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)依托智能現(xiàn)場設(shè)備，可將原本DCS系統(tǒng)中處在控制室的控制模塊、相關(guān)輸入輸出模塊與現(xiàn)場設(shè)備相結(jié)合，加之現(xiàn)場設(shè)別可實(shí)現(xiàn)通信功能，所以控制系統(tǒng)可脫離控制室的控制儀表或者計(jì)算機(jī)，自主在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)控制功能，進(jìn)一步達(dá)成全面的分散控制。現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)簡單，表現(xiàn)出設(shè)備相互間可協(xié)同操作、開放性、現(xiàn)場設(shè)備的智能性及功能全面性等一系列技術(shù)特征。結(jié)合這些技術(shù)特征，決定了現(xiàn)場總線具備諸多優(yōu)點(diǎn)：可縮減硬件數(shù)量，降低安裝成本，降低維護(hù)成本，用戶可獲取可靠的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)，以及系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性可得到有力保障等。如今，諸如CAN、PROFIBUS、FF、LonWorks、FFDENG等現(xiàn)場總線在眾多行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛推廣。

2 CAN在機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性

CAN最初是由德國BOSC H公司為汽車的內(nèi)部測(cè)量及控制設(shè)計(jì)推出的,如今已在眾多領(lǐng)域得到推廣,并被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織指定為ISO11898標(biāo)準(zhǔn)[2]。相較于一般通信總線,CAN 數(shù)據(jù)通信表現(xiàn)出顯著的靈活性、實(shí)時(shí)性及可靠性,其特征主要包括以下幾點(diǎn):(1)通信速率最高可達(dá)到1Mbps/40m,直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km/2kbps。信息傳輸介質(zhì)包括雙絞線、光纖、同軸電纜等。(2)可通過全局廣播、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而無需專門調(diào)度。(3)可實(shí)現(xiàn)多主方式運(yùn)行,網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)可不受時(shí)間限制自主地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)傳輸信息,同時(shí)無主、從機(jī)之分,通訊便捷,基于該特征可有效地建立多機(jī)備份系統(tǒng)。(4)推行非破壞性總線優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù),當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸信息時(shí),優(yōu)先級(jí)相對(duì)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)自主停止傳輸,而優(yōu)先級(jí)相對(duì)高的節(jié)點(diǎn)則可不受影響的繼續(xù)開展數(shù)據(jù)傳輸,以此可很大程度上總線沖突仲裁效率,特別是在網(wǎng)絡(luò)超負(fù)載的情況下亦不會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓。(5)同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)幀、出錯(cuò)幀、遠(yuǎn)程幀、超載幀等報(bào)文幀,實(shí)行短幀格式,各幀有效字節(jié)數(shù)為8byte,傳輸迅速、受干擾概率低的同時(shí),還可實(shí)現(xiàn)可觀的檢錯(cuò)效果。(6)各幀信息都配備有CRC檢驗(yàn)及相關(guān)校驗(yàn)措施,確保了信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。(7)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)自診斷功能,倘若出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重情況,可自動(dòng)關(guān)閉總線,從而使其他節(jié)點(diǎn)及總線可繼續(xù)運(yùn)行。

因?yàn)榇斑\(yùn)行環(huán)境較為惡劣,加之如今對(duì)設(shè)備各項(xiàng)性能及可靠性、穩(wěn)定性提出了越來越嚴(yán)格的要求,在對(duì)船舶機(jī)艙自動(dòng)化現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)過程中,必須著重考量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性[3]。在引入雙重冗余總線結(jié)構(gòu)以外,還應(yīng)盡可能引入完善技術(shù)保證兼容性,使控制系統(tǒng)的運(yùn)行操作及相關(guān)功能可通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行有效呈現(xiàn);同時(shí),對(duì)全船網(wǎng)絡(luò)化設(shè)置有接口,保證與上層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)有效連接。CAN 所具備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、現(xiàn)場設(shè)備的智能化等,可很好地滿足船舶監(jiān)控的要求,表現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)越性[4]?；贑AN 現(xiàn)場總線協(xié)議的機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)特征,主要表現(xiàn)下述幾方面:(1)CAN是全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于簡單化,以此為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作及檢修維護(hù)等工作提供了極大便利。(2)散布于現(xiàn)場的智能設(shè)備可自主實(shí)現(xiàn)控制、測(cè)量、傳感、報(bào)警等一系列功能,所以省卻了各種中間環(huán)節(jié)及復(fù)雜連接導(dǎo)線,各項(xiàng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式與總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,一根電纜或者一對(duì)雙絞線上可連接多個(gè)設(shè)備,通過原本電纜即可實(shí)現(xiàn)對(duì)新型現(xiàn)場控制設(shè)備的引入,而不需要增加新的電纜。因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,設(shè)備連接導(dǎo)線少,再加上數(shù)字化、智能化設(shè)備內(nèi)部功能增強(qiáng),減少了信號(hào)的往返傳輸,進(jìn)而使系統(tǒng)可靠性得到了有效增強(qiáng)。(3)機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、參數(shù)較少,船舶整體布線長度有限,因此滿足低比特率、短幀的協(xié)議便可。通過對(duì)CAN 的應(yīng)用,將位速率調(diào)節(jié)為125kbps,總線長度最長可達(dá)到530m,以此可充分滿足船舶整體的布線長度要求。同時(shí),短幀格式可滿足船舶監(jiān)控實(shí)時(shí)性的要求,有效確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性及低誤碼率。(4)因?yàn)榇皺C(jī)艙涉及各式各樣的設(shè)備,加之它們有著極高的專業(yè)性、復(fù)發(fā)性,這使得船員要想有效掌握各項(xiàng)設(shè)備的性能存在不小的難度。CAN 在機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù),達(dá)成信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的繼承,構(gòu)建統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效便捷采集,為船員全面有效掌握船舶技術(shù)狀態(tài)提供有效便利。

3 CAN在機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 CAN在主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中不可或缺的一部分,其主要可分為監(jiān)測(cè)報(bào)警、安全防護(hù)及遠(yuǎn)程控制等模塊。系統(tǒng)中的各模塊可進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行,同時(shí)基于CAN可實(shí)現(xiàn)各模塊的有效連接,不論是哪個(gè)或若干個(gè)模塊發(fā)生故障,均不會(huì)對(duì)全面主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行造成不利影響,如此一來,可有效減輕船員的操作負(fù)擔(dān),并有效提升船舶系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。安全防護(hù)模塊可在機(jī)艙發(fā)生閥門為關(guān)閉、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高等緊急狀況時(shí),結(jié)合實(shí)際異常情況實(shí)行緊急制動(dòng)或聯(lián)鎖,依托CAN 確保各模塊的有序運(yùn)行。依托CAN與現(xiàn)場設(shè)備連接,遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可經(jīng)由主控室控制面板下達(dá)指令。監(jiān)測(cè)報(bào)警模塊則可實(shí)現(xiàn)船舶控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)報(bào)警等各項(xiàng)功能,即為依托CAN 總線將監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心,然后對(duì)數(shù)據(jù)開展處理,接著在主機(jī)上對(duì)各參數(shù)安全限值進(jìn)行調(diào)節(jié),一旦超出限值即會(huì)報(bào)警,另外還可對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警予以記錄,在需求時(shí)歸納報(bào)表及打印[5]。遠(yuǎn)程控制模塊可以以全自動(dòng)化、半自動(dòng)化方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,在船舶運(yùn)行時(shí)要求開展一系列控制,其中,保證主機(jī)依據(jù)預(yù)先設(shè)置的曲線開展運(yùn)行是至關(guān)重要的一環(huán),同時(shí)要求調(diào)解各部位的螺旋槳速度及相關(guān)的主機(jī)速度。遠(yuǎn)程控制模塊下,既可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的依據(jù)預(yù)先設(shè)置曲線運(yùn)行,又可結(jié)合實(shí)際需求以降低或提升主機(jī)轉(zhuǎn)速等,還可結(jié)合需求調(diào)解主機(jī)轉(zhuǎn)向。安全防護(hù)模塊可為監(jiān)測(cè)報(bào)警模塊、遠(yuǎn)程控制模塊提供有力補(bǔ)充,在機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行后,在系統(tǒng)中可預(yù)先設(shè)置相應(yīng)的故障模式,一旦系統(tǒng)引發(fā)故障后即可及時(shí)評(píng)定故障的類別并立即轉(zhuǎn)至故障處理程序,結(jié)合實(shí)際需求確定實(shí)行相應(yīng)操作,并依據(jù)故障狀況進(jìn)行報(bào)警,切實(shí)保障主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的安全有序運(yùn)行。

3.2 CAN在船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

船舶電站在船舶自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行中占據(jù)著十分重要的地位,有別于路基電站,船舶電站所處工作環(huán)境惡劣、要進(jìn)行頻繁并車及電站容量偏小,為保障船舶的有序運(yùn)行,必須要確保船舶電站的安全性、穩(wěn)定性。船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)船舶電站自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)前提,其不僅可對(duì)船舶電站各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),還可實(shí)現(xiàn)適時(shí)呈現(xiàn)及報(bào)警。船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu),如圖1所示。船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能主要包括自起動(dòng)功、自動(dòng)并車功能、解列停機(jī)功能、卸載功能以及報(bào)警功能等,其中,對(duì)于自起動(dòng)功能而言,倘若船舶電站當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組引發(fā)故障,其即可自主起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組,此處涉及的故障既包含傳統(tǒng)意義上的各種故障,還包含了電網(wǎng)負(fù)載過大的情況,與此期間即需要起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組。對(duì)于自動(dòng)并車功能而言,其指的是當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組與即將并車的機(jī)組的相位差值、電壓差值等都符合標(biāo)準(zhǔn)便可開展自動(dòng)并車。該項(xiàng)功能是船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)必不可少的一部分,其重要影響著船舶電站的有序運(yùn)行。對(duì)于解列停機(jī)功能而言,其指的是倘若船舶運(yùn)行負(fù)載不足額定負(fù)載的30%時(shí),要求開展解列停機(jī)操作。對(duì)于卸載功能而言,其指的是倘若船舶運(yùn)行負(fù)載在額定負(fù)載90%以上,且已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并車時(shí),要求可向系統(tǒng)下達(dá)卸載指令,對(duì)相關(guān)不關(guān)閉的負(fù)載提示予以關(guān)閉,并發(fā)出報(bào)警信號(hào)[6]。對(duì)于報(bào)警功能而言,作為傳播電站自動(dòng)化系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能,其可在船舶電站引發(fā)故障或出現(xiàn)過載時(shí)第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào),進(jìn)而采取相應(yīng)處理手段。

圖1 船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 Schematic diagram of functions of ship power station automation system

4 結(jié)語

總而言之,船舶自動(dòng)化是船舶工業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙全面自動(dòng)化,對(duì)提升船舶工作效率,保障船舶有序運(yùn)行等方面都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此,相關(guān)人員應(yīng)緊緊圍繞如何更有效實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙自動(dòng)化進(jìn)行探索研究,本文提出將CAN應(yīng)用于機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng),對(duì)實(shí)現(xiàn)主機(jī)監(jiān)控、船舶電站管理自動(dòng)化大有裨益。