基于双CAN总线船舶机舱监测及控制系统

田庆林

（交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456）

目前我国常规船舶国产设备的实际配套率只有30%左右，高新技术船舶国产设备的实际配套率仅20%左右，特别是作为附加值很高的船舶自动化系统本土化率还不到10%。这与我国造船工业的迅猛发展形成了非常大的反差。目前每年全球船舶舱室电子设备需求接近300亿元人民币。其中中国的造船修船市场可为船舶舱室电子设备提供每年将近百亿元人民币的市场，但90%被进口产品垄断。船舶舱室电子产品的开发制造是我国船舶业中最薄弱的环节之一。国内船舶舱室电子产品生产厂家自主创新较少，在系统技术性能、质量、品种和规格方面与国外同类产品存在着很大差距，船舶电子国产设备存在缺乏核心技术、技术起点较低、系统性差、工艺落后等突出问题。基于双CAN总线船舶机舱监测及控制系统就是在这种背景下研发的。

1 系统功能

在船舶自动化技术不断向全船综合自动化阶段发展的过程中，各类导航、监控、管理系统运用于船舶。其中船舶机舱监控系统、电站管理系统、视频监控等系统以及船、岸通讯系统的融合，是船舶机舱自动化未来发展的趋势。系统基于双CAN现场总线技术，通过设计模块化、智能化、具有冗余通信功能的远程I/O单元，使系统配置可以满足各种船舶机舱自动化监测、报警和控制。集成子系统主要包括机舱监测系统、主机控制系统、电站管理系统、阀门遥控系统、报警系统和船舶抗倾控制系统。

1.1 机舱监测系统

机舱监测报警系统由集中报警群和延伸报警系统组成。系统延伸到驾驶台、公共舱室、值班轮机员房间。主要配置有基于工业控制计算机的机舱监测报警系统、轮机员呼叫系统、延伸报警系统、Dead Man报警系统以及声光报警系统等[1]。

1.2 主机控制系统

通过双CAN总线PID调节模块，主机可以从集控室和驾驶台控制船舶动作，可以从机旁手动控制，此外包括控制位置转换、自动保护命令等。

1.3 电站管理系统

通过双CAN总线柴油发电机管理模块，发电机组有功功率、无功功率分配，电机间的负载可根据要求进行转移，根据实际需要，起动或停止某台发电机以及发电机的报警监控等[2]。

1.4 阀门遥控系统

基于自主研发的专用双CAN总线阀门控制模块，对船舶上大量应用的阀门进行状态监控、动作控制、手/自动模式切换等操作。控制信号包括开阀门、闭阀门、停阀门；状态监控包括开阀中、开阀到位、关阀中、关阀到位、停阀、阀门故障等。双CAN总线专用模块的引入，增加了系统的延展性和配置灵活性。

1.5 报警系统

基于自主研发的双CAN总线模拟量采集模块、开关量采集模块、模拟量和开关量采集模块、温度采集模块等多种模块网络搭建，实现对船舶各类舱室液位及水井的监控测量报警，实现对船舶燃油、柴油、润滑油舱室压力和温度的监测报警。

1.6 船舶抗倾控制系统

通过平衡传感器提供的高速状态信息和双CAN总线模块通讯，系统可自动对船舶倾斜状态做出合理操作实现船体平衡，例如自动起停平衡泵正反转工作、越控请求、倾斜角度报警等的处理等操作。

以上各子系统主监控人机界面的软件设计主要包括双CAN总线CANopen浮动主通讯协议的实现，系统除常规的监测报警打印记录保存功能外增加了系统网络状态的监测诊断，界面清新、操作方便、内容丰富完整，既显示了系统网络配置连接，又显示了各接入系统的CAN节点总线状态，不仅大大提高了船舶自动化程度，也使得船舶航行变得更加安全可靠。

2 网络设计

系统设计了合理的网络架构，优化网络配置，实现了二级网络结构中主干网和各子网之间的管理数据、服务数据和过程数据的最优通信[3]。系统网络设计如图1所示。

图1 系统架构网络设计示意Fig.1 Schematic diagram of network design for system architecture

2.1 实现满足CIA DSP-307海事标准框架协议

目前流行的现场总线有很多标准化的网络互连协议，但这些协议中还没有一个是针对海事领域专用的，而海事组织明确要求通信系统要具有独立的故障容错能力。

DSP-307正是为了满足海上自动设备不断增加的安全性需要，专门为海事应用的CANopen设备开发而特别设计的。DSP-307通过2条独立的CAN总线进行冗余通信，完全支持海事组织的要求，也满足海事电子应用系统标准化的需要。同时，由于CANopen设备在国内外已经广泛应用再加上CIA组织的强大助力，CIA DSP-307海事标准框架协议必将成为船舶机舱自动化应用领域的主导协议[4]。

基于此，我们设计了2 CAN+2 CAN的网络结构，并选取了CIA DSP-307海事标准框架协议作为网络协议，项目开发的所有网络节点模块均要满足CIA DSP-307协议。

2.2 CANopen I/O模块和CANopen PLC

机舱内使用各种传感器监测各设备工况的物理量参数，包括温度、压力、液位、流量、转速、相电压、相电流等，除了以上离散的监测点外，自动化系统还包含需要针对某一具体应用需要而客制化的逻辑运算和智能控制，针对以上需求，系统设计的CANopen I/O模块和CANopen PLC包括：

2.2.1 海事版双CAN总线I/O模块及船舶专用模块

（1）CAN AI-20。 20通道模拟量采集模块，测量范围±5/10 V，4～20 mA，测量精度±4‰，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（2）CAN AO-20。20 通道模拟量控制模块，控制范围4～20 mA，精度±4‰，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（3）CAN RI-16。 16通道 PT100采集模块，测量范围-200～800℃，精度±5‰，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（4）CAN RAI-16。 16通道 PT100/AI采集模块，精度±5‰，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（5）CAN DI-32。 32通道开关量采集模块，同时支持干节点和湿节点（有效信号DC24 V）输入，同时具有4通道频率采集功能，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（6）CAN DO-32。32 通道开关量控制模块，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（7）CAN DIO-20。20通道开关量采集控制模块，波特率和节点ID可调，端子可插拔，双CAN总线冗余通信；

（8）CAN VLC-10。10通道阀门控制模块，开关停阀门命令，以及阀门到位信号接收，手动自动切换功能。波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（9）CAN SPD-2。2通道速度采集模块，超速欠速监控报警，齿轮配置，触发模式配置。波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（10）CAN LMC。液货船多变量综合采集模块，温度、压力、开关量信号输入以及支持HART协议雷达物位计信号，具有防爆特性，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信。

2.2.2 海事版双CAN总线PLC、网关、及监控主站

在XC2287单片机上成功实现了具有双CAN总线CANopen浮动主通讯功能的支持IEC61131-3的CANopen PLC，其具有CANopen I/O模块的所有特点，更重要的是，其对IEC61131-3的支持，使所有系统工程师可以彻底摆脱复杂的底层CANopen浮动主通讯协议的困扰，只专注于他们所熟悉的自动控制，使用他们所熟悉的PLC编程语言，扩大了CAN总线和CANopen协议的应用范围，大大降低了其应用难度。

（1）CAN GATE-4。4通道隔离网关可编程模块，具有双CAN总线网络隔离，支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（2）CAN IOU-20。16通道数字量输入输出以及4通道模拟量输入可编程综合模块，支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（3）CAN PID。16通道模拟量或者Pt100输入，4通道模拟量输出，8通道开关量输出可编程综合模块，支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（4）CAN DIO-20A。20通道开关量可编程控制模块，支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（5）CAN GP-01A。发电机保护模块，提供发电机参数测量、短路、失磁、过载等多种保护功能，支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（6）CAN DGC-01A。发电机综合控制模块，提供和发动机操作相关的控制功能等，支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信；

（7）海事版双CAN总线监控主站。包括本地操作单元LOS、驾驶室延伸报警单元WBU、船舱延伸报警单元WCU、综合操作键盘、电站管理单元等一系列支持IEC61131标准语言编程环境，波特率和节点ID可调，双CAN总线冗余通信系统。

基于CIA DSP-307海事版双CAN总线多机冗余船舶机舱监控系统，能够有效提高船舶航行安全，保障船舶机舱日常操作的有效运行，减轻船员劳动强度。相比传统的机舱自动化系统，效益明显提高，电缆用量减少30%，且系统结构越庞大，其所带来的成本优势越明显。

3 结语

系统自2013年以来陆续装船50余艘，成功应用到天津海事局、浙江海事局、中国远洋集团等十余家大型国有企业。系统已经取得了1项实用新型专利证书和3项计算机软件著作权登记证书，通过了上海仪器仪表自控系统检验测试所的各项环境和性能测试，取得了中国船级社CCS和韩国船级社KR的型式认可证书，以及法国BV船级社产品认可证书。

[1]许宝森.基于CAN总线的机舱监控模拟系统的研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学，2006.

[2]王杰.基于CAN总线的船舶电站自动控制装置的设计[D].辽宁：大连海事大学，2007.

[3]车海宁.基于CAN总线的船舶智能控制系统设计[J].船海工程，2007，36（3）：113-115.

[4]罗晓.基于双CAN总线的中小型船舶监控系统设计[D].山东：山东大学，2007.

[5]许明华.基于CAN总线的船舶自动化系统研究与设计[J].中国造船，2012，53（2）：185-191.