高可靠性船用水密門(mén)監控系統的介紹及應用

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)監控系統，闡述監控主機、控制模塊、報警模塊、協(xié)議轉換模塊的功能。該系統通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行組網(wǎng)，采用分散控制、集中管理的模塊化設計思想，能夠就地及遠程控制水密門(mén)的狀態(tài)、自動(dòng)監測系統的各種狀態(tài)信息，并對系統故障進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、蜂鳴器報警、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)；監控系統；RS485總線(xiàn)

引言

船舶自動(dòng)化設備是為船舶配套的核心裝備之一，包括機艙自動(dòng)化、航行自動(dòng)化、船岸信息一體化、閥門(mén)遙控等子系統，其中水密門(mén)監控系統推動(dòng)了船舶自動(dòng)的進(jìn)程和“智能型”船舶的實(shí)現^[1-2]，該系統用于確保船舶在行駛過(guò)程中的安全性，其主要負責監測船艙內與水密門(mén)相關(guān)的動(dòng)力設備的運行狀態(tài)和運行參數，可以自動(dòng)監測設備在運行中發(fā)生的故障，并記錄保存故障信息，發(fā)出聲光報警信息^[3-4]。本文介紹了一種基于RS485總線(xiàn)的水密門(mén)監控系統，該系統可以與船載航行數據記錄儀連接，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、組網(wǎng)靈活、方便擴展、易于維護等特點(diǎn)。

1 船用水密門(mén)監控系統

1.1 系統結構圖

本船用水密門(mén)監控系統充分考慮水密門(mén)系統的自身的特性，主要從系統安全可靠出發(fā)，兼容系統的操作性、維護性、可擴展性，整個(gè)系統采用模塊化設計，主要由以下4個(gè)部分組成：監控主機（TPC7062K）、控制模塊（AWD16-C）、報警模塊（AWD16-A）、協(xié)議轉換模塊（AWD16-V），所有模塊通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行組網(wǎng)（如圖1所示）。

圖1  系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

系統的監控主機與協(xié)議轉換模塊安裝在船舶駕駛室中控操作臺內，控制模塊與報警模塊布署在船艙內水密門(mén)現場(chǎng)?？刂颇K和報警模塊通過(guò)RS485接口與監控主機連接，協(xié)議轉換模塊通過(guò)RS232接口與監控主機連接、通過(guò)RS485接口與船舶航行記錄儀連接，形成網(wǎng)絡(luò )系統。每個(gè)系統由一個(gè)監控主機、一個(gè)協(xié)議轉換模塊、若干個(gè)控制模塊、若干個(gè)報警模塊組成，其中每扇水密門(mén)配置一個(gè)控制模塊與一個(gè)報警模塊。

1.2 系統工作原理及流程

1.2.1 系統工作原理

監控主機通過(guò)RS485總線(xiàn)周期性讀取控制模塊與報警模塊的狀態(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)及系統的報警信息，并負責向協(xié)議轉換模塊發(fā)送標準的Modbus-RTU協(xié)議報文；當協(xié)議轉換模塊接收到監控主機發(fā)送來(lái)的報文時(shí)，將其轉換為VDR報文，然后發(fā)送至航行記錄儀中；監控主機也可控制現場(chǎng)的控制模塊，進(jìn)行遠程關(guān)門(mén)動(dòng)作。

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

1.2.2系統工作流程

系統軟件設計分為：用C語(yǔ)言編寫(xiě)控制模塊、報警模塊以及協(xié)議轉換模塊；用腳本語(yǔ)言編寫(xiě)監控主機。系統工作流程圖如圖2所示。系統通電后，首行初始化，完成初始化后，監控主機向控制模塊、報警模塊發(fā)送報文，以完成對系統狀態(tài)的顯示、記錄及傳送，協(xié)議轉換模塊向監控主機發(fā)送查詢(xún)報文，判斷是否需要發(fā)送VDR報文。若系統*，則正常運行，否則，進(jìn)行系統進(jìn)行相應指示報警?？刂颇K、報警模塊正常工作過(guò)程為：首先，采集控制模塊及報警模塊共16路的信號輸入，然后對其進(jìn)行邏輯預算以及關(guān)系判斷，若不滿(mǎn)足報警條件，則繼續采集信號，進(jìn)行邏輯運算；若滿(mǎn)足報警條件，相應的繼電器輸出報警，對應的LED指示燈則閃爍、點(diǎn)亮或熄滅。報警產(chǎn)生后，可人為消音或在規定的時(shí)間內自動(dòng)消音；協(xié)議轉換模塊的正常工作過(guò)程為：給監控主機發(fā)送查詢(xún)報文，若回送的報文中有報警及開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作信息時(shí)，則將讀取到的Modbus協(xié)議報文轉化為VDR報文格式傳送給航行記錄儀。

圖2  系統工作流程圖

2 監控主機

監控主機是水密門(mén)監控系統的重要組成部分，顯示器分辨率為800*480、65535色數字真彩、177.8mm（7in）寬屏顯示，觸摸控制、具有良好的人機界面，操作簡(jiǎn)單，其中人機界面主頁(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)當前狀態(tài)，顯示、記錄、查詢(xún)系統報警信息，蜂鳴器報警等功能。其中，報警信息主要包括電源故障、油機電機過(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，監控主機還可以將采集到的開(kāi)關(guān)門(mén)及報警信息通過(guò)RS232總線(xiàn)傳給協(xié)議轉換模塊，由協(xié)議轉換模塊終傳至船舶VDR系統。監控主機具有的屏幕保護功能，較好的滿(mǎn)足船舶在夜間航行的要求；中英文顯示界面自由切換，擴展了其應用市場(chǎng)。

圖3  人機界面主頁(yè)

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

3 控制模塊與報警模塊

      控制模塊與報警模塊負責現場(chǎng)水密門(mén)各種動(dòng)作控制及系統狀態(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)額定負載，／250VAC／30VDC，節點(diǎn)輸入常開(kāi)/常閉類(lèi)型可設、輸入抖動(dòng)時(shí)間及輸出延時(shí)時(shí)間均可設。

控制模塊的輸入節點(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)閃光指示燈及報警響鈴、控制模塊故障輸出等。報警模塊的輸入節點(diǎn)，連接試驗按鈕、消音按鈕以及電源故障、油機電機過(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警點(diǎn)。輸出繼電器，連接報警指示燈及報警蜂鳴器。

將傳統的水密門(mén)現場(chǎng)控制器改為獨立控制模塊與報警模塊提高了系統魯棒性，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)，防止死機現象，大化的保證了系統的穩定可靠運行，且通過(guò)公司內部測試及客戶(hù)現場(chǎng)使用情況證明，該系統設計達到了預期的效果，其原理框圖如圖4所示。

圖4  控制模塊與報警模塊原理框圖

4協(xié)議轉換模塊

4.1 模塊功能

協(xié)議轉換模塊負責通過(guò)RS232總線(xiàn)，接收監控主機發(fā)送的Modbus-RTU協(xié)議報文，模塊內部進(jìn)行協(xié)議轉換，再通過(guò)RS485總線(xiàn)，將轉換的VDR協(xié)議報文，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行過(guò)程中各種數據信息以及突發(fā)事件的設備，其設計初的目的與用途是為了方便海事事故的查詢(xún)^[5]，系統的VDR報文滿(mǎn)足IEC61162-1-2010標準。

圖5   協(xié)議轉換模塊原理圖

4.2  Modbus-RTU與VDR協(xié)議

Modbus是一個(gè)請求/應答協(xié)議，并且提供功能碼規定的服務(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(xiàn)等等）上的異步串行傳輸兩種方式實(shí)現Modbus通信，其主要傳輸模式有：RTU、ASCII^[6]。本系統主要用Modbus-RTU，03功能碼，具體報文格式舉例如表1所示。

表1  Modbus-RTU報文格式

      IEC61162-1-2010 文檔中明確的對船載自動(dòng)導航設備（AIS）信息采集和處理進(jìn)行了規范化的闡述，本文使用的VDR通訊協(xié)議數據格式如圖6所示^[7] 

圖6   VDR通訊協(xié)議數據格式

5 結束語(yǔ)

本文介紹了一種船用水密門(mén)監控系統的設計，該系統具有獨立的控制模塊和報警模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，實(shí)施簡(jiǎn)單、維護方便；具有根據不同船型靈活配置，完善的報警顯示、故障診斷、故障記錄等功能，可以取代傳統工控機與PLC構建的自動(dòng)控制系統。該系統較好的推動(dòng)了船舶自動(dòng)化系統的發(fā)展，并在國內外實(shí)船上得到了較好的應用，從而保障了船舶的航行安全。

文章來(lái)源：《船舶》2016年1期。

參考文獻

[1] 馬善偉, 臧軍,劉赟. 船舶自動(dòng)化系統若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].上海造船,2011 (l):68-71.

[2] 馬馳譽(yù). 船舶機艙監測報警系統的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

[3] 楊建勛. 船舶水密門(mén)單片機控制系統的設計[J]. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院報,2011(3):23-24.

[4] 王榮,黃睿,劉冬等. 工程船液壓滑動(dòng)水密門(mén)控制系統設計 [J].廣東造船,2011 (2):56-57.

[5] 何曉東. VDR在海上移動(dòng)式平臺中的應用研究與實(shí)現[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[6] GB/ 19582.1-2004， 基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )規范 [S]. 北京: 歐陽(yáng)勁松, 孫昕, 劉鐵椎等,2004: 4 -13

[7] IEC61162-1-2010，Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems. [S]. Geneva: 2010:23-36.