谈船舶机舱监测报警系统
【摘要】机舱监测报警系统自动化是船舶自动化的一个重要组成部分，它直接影响到船舶的安全和船舶营运的经济效益。本文回顾了船舶机舱监测报警系统的发展历程，介绍了两种典型监测报警系统的特点，并结合现代技术的发展特点指出了未来机舱监测手段的发展趋势。
【关键词】机舱监测报警系统；P87C591；现场总线型；发展趋势
船舶机舱中的监测和报警系统是船舶中最重要的监测设备，也是实现机舱自动化乃至船舶自动化不可缺少的条件之一。它可以代替轮机人员在相对恶劣的环境下对主机及辅助设备的运行状况进行监测，并在运行设备发生故障后给出声光报警信号。在轮机人员进行应答后撤销报警，同时进入故障记忆状态，故障排除后即可撤销故障记忆，在AUT20控制模式下还可将报警信号向公共场所、轮机长及值班人员处所进行延伸，实现真正意义上的无人值班。由此可见，先进的机舱监测报警系统不仅能够提高营运经济性、安全可靠性和减少固定船员的配置，而且极大地推动了船舶自动化的进程和“智能型”船舶的实现。迅速发展的电子技术和网络技术也都渗透到船舶机舱监测技术领域。本文将针对该系统的发展状况进行介绍和分析，并对船舶机舱监测报警系统的发展趋势提出观点，以供参考。
一、机舱监测报警系统的发展历程
机舱监测报警系统是随着控制理论和电子技术的发展而发展起来的，到目前为止其发展历程大致经历了以下四个阶段：
1.常规仪表监测阶段。上世纪60年代以前，过程工业控制的自动化水平相对较低，当时的控制理论主要为经典控制理论，控制对象也多以单变量为主。根据当时的电子技术水平，只有单项自动调节控制装置在机舱中得以应用，且使用的监测工具也以常规仪表为主，以有触点继电器式监视报警系统为其典型代表。在该系统中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，如各种热工参数的自动调节、单个机舱设备的自动控制等。
2.电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑监控阶段。上世纪60年代中后期，随着电子工业的发展，晶体管集成元件的可靠性逐步提高，出现了以电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑控制为代表的机舱监视报警系统即集中监视系统，这使得主机、辅机和各种自动化设备可靠性得以进一步提高。该系统多使用模拟式仪表，但随着生产的发展，模拟式仪表的局限性越来越明显，如模拟仪表难于实现多变量解耦控制以及其它复杂规律的控制，而且控制精度不高等。同时生产规模的扩大和工艺的日益复杂却使仪表控制系统越来越多，控制室的仪表屏越来越大，难于实现集中的操作和显示且各个系统之间难于实现通信联系。此外，由于这种系统的每个信号都要从机舱引到集控室，这将消耗大量昂贵的电缆线，增加各类工程费用等，使得系统造价过高，因此，无论从技术上或经济性，该类监测报警系统都存在诸多不足。
3.以微机为基础的集散型监控阶段。上世纪70年代到80年代，随着先进的控制工具如集散控制系统（DCS）的出现与不断完善以及如预估控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以及智能控制等现代控制理论的不断发展和提高，先进控制手段也应运而生。加上电子计算机的设计、制造与应用技术的日益成熟，世界上许多国家相继制造出装有计算机监测的自动化程度更高的船舶。先后出现过微机集中监测系统、分散监控系统及集散型微机网络监测系统。其中集散型又称网络型微机监控系统则采用多个独立微机系统组成分站，用高一级的微机系统组成中央单元，中央单元通过网络同各分站相连。该系统既集中了集中型和分散型的优点，又克服了它们的缺点，是目前用于机舱集中监测最多的结构形式。
4.基于现场总线技术的机舱监控系统与全船自动化系统联网监控阶段。到上世纪90年代，又出现了基于现场总线的新型控制系统，即现场总线式全分布式系统（简称FCS），并已形成了网络化结构。它是计算机技术、通信技术、控制技术的综合集成，它的特点是全数字化、具有开放性和互操作性等。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持，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。船舶机舱分布式总线监控系统的概念最初是由加拿大海军研发并广泛应用于驱逐舰、潜艇等，它以总线为核心，将所有控制台中的微机连接成网，共享数据。系统具有对资源的动态重构能力，易于向接入总线系统的更多控制台提供冗余措施，在系统结构上采用总线挂接方式。进入21世纪，各研究机构纷纷加强了该系统的研制。目前，德国西门子公司、挪威挪康公司等国际著名的船电产品制造商已有较成熟的技术和相应的配套产品，并已实际应用于各类船舶。
二、现场总线型（FCS）机舱监控报警系统
现场总线技术在经历了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有：FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dup line等，它们具有各自的特色，并在不同应用领域形成了自己的优势。这里以目前处于先进水平的DATACH IEF C20型监测报警系统为例，介绍现场总线技术在船用机舱监测报警系统中的应用现状。
1.系统介绍。DATACH IEF C20是NORCONTROL公司推出的基于CAN现场总线技术的分布式机舱监测报警和控制系统，集中体现了当前机舱控制技术发展的先进水平。图1所示为DATACH IEF C20的系统结构。该系统主要组成包括：远程操作站（ROS—Remote OperatorStation）、现场操作站（LOS—Local Operator Station）、分布式处理单（DPU—Distributed Processing Unit）、本地局域网双冗余（LAN—Local Area Network）总线、CAN（Controller Area Network）现场总线、网关（GW—Gateways）、系统网关（SGW—System Gateways）、监视呼叫系统（WCS—Watch Calling System）等。图1 DATACH IEF C20的系统结构图。
图1DATACH IEF C20的系统结构图
DATACH IEF C20是CAN现场总线与以太网（Ethernet）相结合的双网络系统。两种网络各自采用双冗余总线，系统中的主要设备（DPU、LOS和ROS等）同时连接到两条总线上。两条总线互为备用，因而可以获得高度的可靠性。CAN现场总线是基于带有继电隔离的ISO11898标准，软件协议遵循开放式CAN总线的定义。CAN现场总线网主要用于现场信息的采集、转换和控制。CAN总线分成Local和Global两个分段，负责机舱设备控制的DPU单元与Local CAN相连，负责参数监测报警的DPU单元则与Glob2al CAN相连，两个分段各自又是双冗余的。双处理分段控制器d PSC用来实现Local CAN和Global CAN两个分段总线间的通信，负责将Local CAN的信息发送到Global CAN。此外，监视呼叫系统（包括驾驶台监视单元WBU和船员舱室监视单元WCU）间的报警以及ROS和WBU、WCU之间的通信也是通过CAN进行的。Ethernet网负责系统信息的管理，其最大传输速度为l0M/bps，遥控操作站ROS之间的数据传送借助于之进行。系统网关（SGW）用来使CAN和Ethemet两种不同的网络实现互联，从而使DPU和ROS之间得以进行双向的数据传送。
2.系统特点。DATACH IEF C20系统采用了先进的网络式机构，使系统结构分散、危险分散，操作管理集中，因此使用方便可靠，配置灵活，同时该系统在通信上采用冗余技术大大提高了数据传输的可靠性。其特点表现为以下三个方面：
①结构分散。DATACH IEF C20系统所有监测和自动化功能都是由分布式系统的一些智能I/O单元—分布式处理单元DPU完成的。 每个DPU都有特定的I/O通道数目和类型，通道数为8-32个，可根据需要通过在模块中装载适当的软件进行配置，以实现报警、控制、安全保护等功能。该系统形成的分散结构形式，有利于故障分散、危险分散。
②操作管理集中。DATACH IEF C20系统的人机接口（也称为集中操作）是系统的主操作站，由几个远程操作站ROS组成，它们通常被安装在集控室、驾驶台、货物控制室、危险控制室等地。
③双冗余网络结构。DATACH IEF C20系统中无论是现场总线CAN、局域网LAN还是网关都是双冗余的，这样可充分保证信息传输的可靠性。
三、带P87C591的现场总线（CAN）机舱监测报警系统
目前各国船级社AUT-0规范要求机舱周期性无人值守，因此需要机舱监测报警系统可靠性高、实时性好、系统容量大和扩充性强。CAN总线由于其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性而被广泛应用于船舶机舱监测报警系统中。
1.系统介绍。系统采用Philip’s公司新推出的集成有CAN控制器SJA1000的单片机P87C591应用于智能节点设计。该系统上位机由3台联网的PC机组成，分别安装在驾驶室、轮机长室和集控室，形成一个覆盖全船的机舱监控网络。该网络采用标准的TCP/IP协议，可并入全船网络。上位机选用PC机的好处是PC机上有多条扩展槽，利用局域网通信卡，使得该系统能与船上其他部门联网，便于统一指挥管理，而且可以充分利用现有的软件工具和开发环境，方便快捷地设计功能丰富的软件。下位机是由微控制器P87C591和CAN接口芯片PCA82C250等组成的CAN智能监测报警点。所有的监测报警点都以平等主体挂接在CAN总线上。每个监测报警点可以接收到来自总线的数据，也可以向总线发送数据。每个CAN局域网最多可接入110个分站，监测7040点参数，信息量完全可以满足各类船舶对机舱监测报警系统的使用要求。系统结构图如图2所示。
图2 系统结构图
2.系统特点。系统的机舱监测报警系统采用Philip’ s公司新推出的集成有CAN控制器SJA1000的单片机P87C591应用于智能节点的设计。
P87C591采用了强大的80C51指令集并成功地包括了Philip’s半导体SJA1000CAN控制器的PeliCAN功能，它完全履行CAN2. 0B规范并提供一个直接从SJA1000独立CAN控制器的软件移植路径，具有CAN的扩充特性。P87C591所连接的CAN节点电路所需要的外部元件仅仅是一个晶振加两个电容驱动片内振荡器提高了系统的集成度，从而简化了硬件电路设计。
其特点表现为以下两个方面：
①具有CAN的扩充特性。P87C591采用了强大的80C51指令集并成功地包括了Philip’s半导体SJA1000CAN控制器的PeliCAN功能，它完全履行CAN2。0B规范并提供一个直接从SJA1000独立CAN控制器的软件移植路径，具有CAN的扩充特性，其中包括增强型验收滤波器，支持系统维护、诊断，系统优化以及接收F IFO特性。
②高集成度。P87C591所连接的CAN节点电路所需要的外部元件仅仅是一个晶振加两个电容驱动片内振荡器，一个连接到复位脚的电阻、电容；使用一个收发器就可以将P87C591连接到CAN总线上，提高了系统的集成度，从而简化了硬件电路设计。
四、监测报警系统的发展趋势
传统的基于CAN总线的机舱监测报警系统，CAN总线上的智能节点都采用单片机外加CAN控制器的设计方法，这样不利于产品的集成和成本的降低。鉴于此把现场总线技术运用到船舶机舱监控系统中是当前机舱监测技术发展的必然趋势。国际和国内各船舶研究机构就现场总线技术在船舶上的研究、开发已经广泛展开，并开始应用。考虑到船舶航行的特殊性和未来网络技术的日新月异，笔者以为未来机舱监测报警系统的发展应体现在以下三个方面：
1.技术开放统一性。自动化系统与设备朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。虽然当前存在许多现场总线技术并存的局面，并且有一些已在不同应用领域形成了自己的优势，但是船舶备件的通用性和互换性要求控制系统的体系结构应以统一的现场总线为纽带构成，即总线技术应向着趋于开放统一的方向发展。
2.控制高可靠性。工作可靠性对船舶设备而言尤为重要，监测系统作为保障船舶运行安全的一个重要系统应能够提供多重冗余控制和自诊断功能，以提高系统可靠性和在恶劣环境下帮助管理人员及时查找和排除故障的能力。
3.管理船岸一体性。随着船舶自动化程度的不断提高和计算机网络系统技术的飞速发展，船舶自动化系统正在朝船舶集成化方向发展，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技术是船舶自动化的一个重要发展方向。机舱监控系统作为实现故障预报和智能诊断的重要环节，应加强形成模块的标准化，以便及时传输监控信息，共享信息，进而实现“机电合一”、“驾机合一”和“船岸一体化”。
参考文献：
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