安科瑞 周菁

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰

摘要

    介紹一種船用水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，闡述監(jiān)控主機(jī)、控制模塊、報(bào)警模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的功能。該系統(tǒng)通過(guò)RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)，采用分散控制、集中管理的模塊化設(shè)計(jì)思想，能夠就地及遠(yuǎn)程控制水密門(mén)的狀態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，并對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、蜂鳴器報(bào)警、記錄等功能。提高船舶自動(dòng)化水平，確保船舶在航行中的安全性。

關(guān)鍵詞：船用水密門(mén)；監(jiān)控系統(tǒng)；RS485總線

引言

船舶自動(dòng)化設(shè)備是為船舶配套的核心裝備之一，包括機(jī)艙自動(dòng)化、航行自動(dòng)化、船岸信息一體化、閥門(mén)遙控等子系統(tǒng)，其中水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)推動(dòng)了船舶自動(dòng)的進(jìn)程和“智能型”船舶的實(shí)現(xiàn)^[1-2]，該系統(tǒng)用于確保船舶在行駛過(guò)程中的安全性，其主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)船艙內(nèi)與水密門(mén)相關(guān)的動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在運(yùn)行中發(fā)生的故障，并記錄保存故障信息，發(fā)出聲光報(bào)警信息^[3-4]。本文介紹了一種基于RS485總線的水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以與船載航行數(shù)據(jù)記錄儀連接，記錄水密門(mén)在船舶航行過(guò)程中狀態(tài)信息，且具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、方便擴(kuò)展、易于維護(hù)等特點(diǎn)。

1 船用水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本船用水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)充分考慮水密門(mén)系統(tǒng)的自身的特性，主要從系統(tǒng)安全可靠出發(fā)，兼容系統(tǒng)的操作性、維護(hù)性、可擴(kuò)展性，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由以下4個(gè)部分組成：監(jiān)控主機(jī)（TPC7062K）、控制模塊（AWD16-C）、報(bào)警模塊（AWD16-A）、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（AWD16-V），所有模塊通過(guò)RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)（如圖1所示）。

圖1  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊安裝在船舶駕駛室中控操作臺(tái)內(nèi)，控制模塊與報(bào)警模塊布署在船艙內(nèi)水密門(mén)現(xiàn)場(chǎng)。控制模塊和報(bào)警模塊通過(guò)RS485接口與監(jiān)控主機(jī)連接，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)RS232接口與監(jiān)控主機(jī)連接、通過(guò)RS485接口與船舶航行記錄儀連接，形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控主機(jī)、一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、若干個(gè)控制模塊、若干個(gè)報(bào)警模塊組成，其中每扇水密門(mén)配置一個(gè)控制模塊與一個(gè)報(bào)警模塊。

1.2 系統(tǒng)工作原理及流程

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控主機(jī)通過(guò)RS485總線周期性讀取控制模塊與報(bào)警模塊的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)的顯示水密門(mén)的狀態(tài)，記錄開(kāi)關(guān)門(mén)及系統(tǒng)的報(bào)警信息，并負(fù)責(zé)向協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議報(bào)文；當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊接收到監(jiān)控主機(jī)發(fā)送來(lái)的報(bào)文時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為VDR報(bào)文，然后發(fā)送至航行記錄儀中；監(jiān)控主機(jī)也可控制現(xiàn)場(chǎng)的控制模塊，進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)門(mén)動(dòng)作。

控制模塊及報(bào)警模塊的輸入端與現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)線連接，實(shí)時(shí)的采集現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)信息并判斷，做出相應(yīng)的動(dòng)作及報(bào)警指示。

1.2.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為：用C語(yǔ)言編寫(xiě)控制模塊、報(bào)警模塊以及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；用腳本語(yǔ)言編寫(xiě)監(jiān)控主機(jī)。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。系統(tǒng)通電后，首行初始化，完成初始化后，監(jiān)控主機(jī)向控制模塊、報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)文，以完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、記錄及傳送，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送查詢報(bào)文，判斷是否需要發(fā)送VDR報(bào)文。若系統(tǒng)*，則正常運(yùn)行，否則，進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)指示報(bào)警。控制模塊、報(bào)警模塊正常工作過(guò)程為：首先，采集控制模塊及報(bào)警模塊共16路的信號(hào)輸入，然后對(duì)其進(jìn)行邏輯預(yù)算以及關(guān)系判斷，若不滿足報(bào)警條件，則繼續(xù)采集信號(hào)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算；若滿足報(bào)警條件，相應(yīng)的繼電器輸出報(bào)警，對(duì)應(yīng)的LED指示燈則閃爍、點(diǎn)亮或熄滅。報(bào)警產(chǎn)生后，可人為消音或在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)消音；協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的正常工作過(guò)程為：給監(jiān)控主機(jī)發(fā)送查詢報(bào)文，若回送的報(bào)文中有報(bào)警及開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作信息時(shí)，則將讀取到的Modbus協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)化為VDR報(bào)文格式傳送給航行記錄儀。

圖2  系統(tǒng)工作流程圖

2 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)是水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，顯示器分辨率為800*480、65535色數(shù)字真彩、177.8mm（7in）寬屏顯示，觸摸控制、具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單，其中人機(jī)界面主頁(yè)如圖3所示。該模塊主要具有控制水密門(mén)閉合、顯示水密門(mén)當(dāng)前狀態(tài)，顯示、記錄、查詢系統(tǒng)報(bào)警信息，蜂鳴器報(bào)警等功能。其中，報(bào)警信息主要包括電源故障、油機(jī)電機(jī)過(guò)載、油壓低、油位低、限位開(kāi)關(guān)故障、控制模塊故障等。

此外，監(jiān)控主機(jī)還可以將采集到的開(kāi)關(guān)門(mén)及報(bào)警信息通過(guò)RS232總線傳給協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，由協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊終傳至船舶VDR系統(tǒng)。監(jiān)控主機(jī)具有的屏幕保護(hù)功能，較好的滿足船舶在夜間航行的要求；中英文顯示界面自由切換，擴(kuò)展了其應(yīng)用市場(chǎng)。

圖3  人機(jī)界面主頁(yè)

       圖3注：①：水密門(mén)狀態(tài)指示燈；②：?jiǎn)为?dú)關(guān)門(mén)按鈕； ③：水密門(mén)三種控制方式（遠(yuǎn)程總關(guān)、本地控制、單獨(dú)關(guān)）按鈕；④：蜂鳴器測(cè)試按鈕、報(bào)警消音按鈕、報(bào)警記錄按鈕，其中點(diǎn)擊報(bào)警記錄按鈕后進(jìn)入報(bào)警記錄界面；⑤：系統(tǒng)新一條報(bào)警信息；⑥：警告語(yǔ)。

3 控制模塊與報(bào)警模塊

      控制模塊與報(bào)警模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)水密門(mén)各種動(dòng)作控制及系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集，其供電電源為+24VDC，采用RS485通訊，具有6路無(wú)源干接點(diǎn)、2路模擬量輸入（可做開(kāi)關(guān)量使用），8路繼電器干觸點(diǎn)輸出、觸點(diǎn)額定負(fù)載，／250VAC／30VDC，節(jié)點(diǎn)輸入常開(kāi)/常閉類(lèi)型可設(shè)、輸入抖動(dòng)時(shí)間及輸出延時(shí)時(shí)間均可設(shè)。

控制模塊的輸入節(jié)點(diǎn)，連接水密門(mén)開(kāi)門(mén)按鈕、關(guān)門(mén)按鈕、停門(mén)按鈕、開(kāi)關(guān)門(mén)限位開(kāi)關(guān)、油泵壓力模擬量輸入等；輸出繼電器，連接開(kāi)關(guān)門(mén)液壓電磁閥、開(kāi)關(guān)閃光指示燈及報(bào)警響鈴、控制模塊故障輸出等。報(bào)警模塊的輸入節(jié)點(diǎn)，連接試驗(yàn)按鈕、消音按鈕以及電源故障、油機(jī)電機(jī)過(guò)載、油壓低、油位低、限位開(kāi)關(guān)故障、控制模塊故障等輸入報(bào)警點(diǎn)。輸出繼電器，連接報(bào)警指示燈及報(bào)警蜂鳴器。

將傳統(tǒng)的水密門(mén)現(xiàn)場(chǎng)控制器改為獨(dú)立控制模塊與報(bào)警模塊提高了系統(tǒng)魯棒性，且模塊采用公司32位處理器作為主控芯片，加入軟硬件“看門(mén)狗”技術(shù)，防止死機(jī)現(xiàn)象，大化的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，且通過(guò)公司內(nèi)部測(cè)試及客戶現(xiàn)場(chǎng)使用情況證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果，其原理框圖如圖4所示。

圖4  控制模塊與報(bào)警模塊原理框圖

4協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

4.1 模塊功能

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)通過(guò)RS232總線，接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的Modbus-RTU協(xié)議報(bào)文，模塊內(nèi)部進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再通過(guò)RS485總線，將轉(zhuǎn)換的VDR協(xié)議報(bào)文，終傳送至船行記錄儀，其原理框圖如圖5所示。

Voyage Data Recorder (VDR)是一種記錄船舶在運(yùn)行過(guò)程中各種數(shù)據(jù)信息以及突發(fā)事件的設(shè)備，其設(shè)計(jì)初的目的與用途是為了方便海事事故的查詢^[5]，系統(tǒng)的VDR報(bào)文滿足IEC61162-1-2010標(biāo)準(zhǔn)。

圖5   協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊原理圖

4.2  Modbus-RTU與VDR協(xié)議

Modbus是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。目前，可以通過(guò)以太網(wǎng)的TCP/IP以及各種介質(zhì)（有限：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A、光纖、無(wú)線等等）上的異步串行傳輸兩種方式實(shí)現(xiàn)Modbus通信，其主要傳輸模式有：RTU、ASCII^[6]。本系統(tǒng)主要用Modbus-RTU，03功能碼，具體報(bào)文格式舉例如表1所示。

表1  Modbus-RTU報(bào)文格式

      IEC61162-1-2010 文檔中明確的對(duì)船載自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備（AIS）信息采集和處理進(jìn)行了規(guī)范化的闡述，本文使用的VDR通訊協(xié)議數(shù)據(jù)格式如圖6所示^[7] 

圖6   VDR通訊協(xié)議數(shù)據(jù)格式

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種船用水密門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有獨(dú)立的控制模塊和報(bào)警模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，實(shí)施簡(jiǎn)單、維護(hù)方便；具有根據(jù)不同船型靈活配置，完善的報(bào)警顯示、故障診斷、故障記錄等功能，可以取代傳統(tǒng)工控機(jī)與PLC構(gòu)建的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)較好的推動(dòng)了船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，并在國(guó)內(nèi)外實(shí)船上得到了較好的應(yīng)用，從而保障了船舶的航行安全。

文章來(lái)源：《船舶》2016年1期。

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