新型船用室外灯控制器系统的应用研究

袁 健，方 鹏，黄 丞

(1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2.蓬莱中柏京鲁船业有限公司，山东 烟台265601)

0 引言

船舶室外照明是影响船舶安全航行的重要因素。船舶一般包括以下室外灯：夜航时巡视的上建艉部走道区域的室外灯，装卸货时货舱区域的室外灯，系泊工况下艏艉部锚绞区域的室外灯等。

通常在驾驶室、货控室或者船舶办公室配置室外灯控制器，其作用是控制船上的室外灯具，但传统的室外灯控制器仅仅具备开关功能，无法满足更多的人性化需求。因此，本文分析了现有室外灯控制器人性化程度不足、接线繁复且功能较少等问题，并针对以上问题提出了对室外灯控制器系统进行重新设计与优化的方案。

1 传统室外灯控制器系统

在船舶实际运营中，根据船东和船厂的反馈，传统室外灯控制器系统存在以下问题：

(1)控制板上没有室外灯的开闭指示灯。传统的室外灯控制装置仅能通过旋钮开关或拨动开关控制室外灯的开闭，无法显示室外灯的开闭状态，且异地操作会导致旋钮开关状态或拨动开关状态与室外灯的开闭状态无法保持始终一致，因而每操作一次，船员可能需外出确定室外灯开闭状态，十分不便。特别是夜间外出确认，船员的人身安全无法得到充分保障。

(2)电缆施工困难，成本高，故障率增加。越来越多的船东，特别是集装箱船的船东，要求室外灯控制板不仅要安装在驾驶室，而且也要安装在货控室和船舶其他高级船员舱室或者办公室，从而实现多地控制室外灯的功能。两个控制板之间用多芯电缆进行信号传输，电缆的芯数按照需要控制室外灯的数量来选定。室外灯路数越多，电缆的芯数越多，导致电缆越粗，船厂的施工越困难，且增加了成本。另外，只要其中一芯线出现故障，对应的室外灯就无法正常工作，增加了故障排除的难度。

(3)控制灯板旋钮多，船员容易误操作。目前的室外灯控制板功能单一，仅有灯具的开关功能。操作人员必须熟知船舶各种工况下室外灯开闭状态，否则容易产生误操作，且操作时间长。同时，为了夜间船舶航行安全，夜航时室外灯必须关闭，若因船员的误操作导致夜航时开启关系到航行安全的室外灯，船舶的运行安全无法得到充分保障。

考虑到传统室外灯控制器结构存在一定局限性，并且改造成本较大，需另设计一种操作便捷、界面友好、易于维护的控制器。

2 新型室外灯控制器系统

为解决上述问题，在设计室外灯控制器的电源电路和主控电路时，待开发功能及改善的要点在3个方面：开闭指示灯的设置、多控制器间电缆连接形式及状态同步、各种工况下室外灯编组设定。

2.1 室外灯控制器电源电路设计

室外灯控制器电源电路设计的最根本要求是安全性与稳定性，其原理见图1。

图1 新型室外灯控制器电源电路原理框图

室外灯控制器由主电源和应急电源供电。

室外灯控制器的电源电路设计有主电源AC/DC变换稳压电路和应急电源AC/DC变换稳压电路。当供电电源出现异常时(如电压超限、断电)，控制器通过主电源、应急电源切换继电器自动切换输入电源，以保证控制器正常工作。

主电源、应急电源切换继电器的切换由主电源/应急电源电压比较电路控制，依靠主电源电压/应急电源电压采集电路提供的电压信号进行运算。

主电源电压采集电路和应急电源电压采集电路采集到的两路输出电压值，不仅用于主电源/应急电源电压比较电路，同时还上传至主控电路的微处理器。当微处理器通过计算判定有电源故障时，通过电源故障指示灯及蜂鸣器进行报警。

2.2 室外灯控制器主控电路设计

室外灯控制器的主控电路需要对全船室外灯集中管理控制；能够自检测、自诊断，实时显示系统的运行于故障状态；能够兼容外部通信电路，具备可拓展性。其原理见图2。

图2 新型室外灯控制器主控电路原理框图

主控系统主要由室外灯控制通信系统、外部设备通信系统及操作面板系统组成。

室外灯控制通信系统通过数据信号总线与异地控制器进行数据通信，实现对室外灯的开关和运行状态及故障报警的巡检，达到智能控制的目的。

外部设备通信系统采用双向串行通信，不仅将室外灯控制器的实时运行状态上传至外接关联设备，还能接收外接关联设备的控制指令实现相应的功能。

操作面板系统主要由LED指示灯、驱动电路、操作按键电路、蜂鸣器及驱动电路组成。LED指示灯及驱动电路可显示室外灯启/停状态，还可以提供输入电源运行状态、通讯故障状态，具有LED指示灯亮度调节的功能，满足用户在不同应用场合的视觉需求。操作按键电路由多个复位式轻触开关矩阵排列组成，并由微处理器进行信号采集管理。可实现的主要功能包括：各组室外灯的开/关控制、室外灯控制器系统自检、室外灯控制器警报消音、控制器指示灯亮度调节。蜂鸣器及驱动电路是由微处理器进行控制的。可实现的主要功能包括：按键操作声音反馈功能、系统故障报警功能。

2.3 室外灯控制器系统功能设计

室外灯控制器系统可由异地2个控制板组成，利用外部通讯模块操作任一面板按键信号进入微处理器，判断数值对象，驱动对应继电器对室外灯进行开关控制。开/关运行状态同步显示到异地两个面板中，对应指示灯变化。功能框图见图3。

图3 新型室外灯控制器功能框图

在此系统中，多个控制板通过数据信号CAN总线进行数据通信，取代了多芯电缆，减少了大量的耗材与敷设成本。另外，控制器还可以提供输入电源运行状态及通讯故障状态，达到智能控制的目的。除了上述的开闭指示、同步控制、故障巡检功能，控制器还提供了RS485通讯、无源输出等外部接口以提高兼容性。

值得一提的是，传统室外灯控制板上一个开关只能控制一处照明。为改善传统室外灯控制器操作不便、低效、易错的问题，新型室外灯控制器可实现各组室外灯编组与一键控制，具体对比见图4。此一键控制模式可根据实际工况对室外灯编组设定多种工作模式，如停泊模式、装卸货模式、系泊模式、航行模式等，不同的工作模式下对应不同灯具开关状态。考虑到工作模式的选择唯一性，控制器设定不存在多个工作模式同时进行，即任意时段中一处照明有且仅有一个工作模式独立控制，并且设定一种工作模式后，仍能通过按键单独控制每路室外灯。

图4 新型室外灯控制器一键控制示意图

综上所述，新型船用室外灯控制器系统主要包括以下优点：

(1)电源可靠性，采用双输入电源设计，故障时实现自动切换和报警。

(2)界面友好性，新增室外灯开闭指示带背光调节功能，满足视觉亮度需求。

(3)CAN通讯取代多芯线，利用CAN通讯实现多控制器低成本可靠互联。

(4)异地同步控制，可实现多个控制器同步控制室外灯开闭。

(5)在线状态监测、故障告警，多个控制器面板同步显示室外灯开闭及故障状态。

(6)强大的交互功能，外部接口可读写功能。

(7)经典的操作界面，简洁直观、功能全面。

目前，新型室外灯控制器已顺利应用于多艘大型运输船。本产品在提高船员工作效率的同时，一定程度上提高了作业安全性，节省了船厂建造成本，节省了船东运营成本。

3 结论

本文针对传统室外灯控制器面板缺少灯具开闭状态指示功能、多控制板间接线复杂、开关数量多、操作繁琐等问题进行了优化。

(1)利用数字化电路设计和总线通信技术，给出了新型船用室外灯控制器的设计方案。

(2)针对船东需求，实现了同步指示、异地控制及一键模式等功能。

(3)多艘装船案例表明了新型船用室外灯控制器系统的可行性与有效性、经济性与便捷性、可靠性与安全性。