多層分布式處理技術在主機遙控系統中的應用

馬玉鑫, 曹輝, 黃曉華

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多層分布式處理技術在主機遙控系統中的應用

馬玉鑫1, 曹輝2, 黃曉華2

（1. 中國船級社大連分社，遼寧大連 114013；2. 大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026）

在參考多層分布式處理模式的基礎上，從人機交互、數據解析、模塊化處理、網絡通訊等層面針對船用柴油主機提出了一種新的主機遙控系統設計方法。該系統由操縱權限控制單元、主機起動單元、主機調速單元、主機轉速與負荷限制單元、主機安全保護單元等分布式處理模塊組成，彼此在已構建的多層分布式處理單元之間通過雙冗余CAN網絡進行數據交互。系統采用液晶化軟件界面及按鈕指示燈陣列為主要的人機交互方式，在輪機自動化實訓平臺上進行了在線調試，驗證了本文所提出的系統框架和設計方法的合理性及有效性。

輪機 分布式處理 主機 遙控

0 引言

船舶主機遙控系統是船舶主動力的監視、控制及保障系統。它是船舶控制體系的核心，是體現船舶自動化程度的標志，也是船舶安全運行的基礎保障。本文系統在參考和吸收了國際已有船用主機遙控系統的設計模式及控制特點的基礎上，從系統開發與工程應用角度詳細論述了多層分布式處理式的主機遙控系統的框架設計、系統邏輯分層規劃、系統分布式處理模塊的功能實現等。

1 系統的框架設計

如圖1所示，系統設計以模塊化結構為基礎，主要分為駕控臺控制單元、集控室控制單元、機旁控制單元以及各分布式處理單元（DPU）。分布式處理單元在負責獨立的邏輯運算的同時，彼此之間通過高速率雙冗余CAN網絡（CAN A、CAN B）按照既定通用協議進行數據交換[1]。系統還具航行數據記錄儀（VDR）、機艙檢測報警系統（AMS）以及備用轉速拾取等單元，這些單元可以通過系統預設的串行通訊接口在既定的通訊協議下進行數據交換。

2 多層分布式處理設計

分布式處理是一種將系統應用邏輯分布到在物理上和邏輯上相互分離的多個處理單元的工作方式。本文系統設計則參考多層分布式處理模式中資源共享性、開放性、并發性、容錯性和透明性等特征從系統的通訊機制、數據規劃、功能設計等角度進行分層規劃[2]。系統的總體邏輯結構如圖2所示[3]。

圖1 主機遙控系統模塊化結構設計

圖2 系統分層結構設計

2.1人機交互接口

在系統的分布式處理中，應用層實現的是與系統人機交互有關的功能，如圖3所示，該層主要包括三地主機遙控面板、主/輔車令發生及接收器、主機狀態指示面板、主機安全報警面板、車鐘打印機、蜂鳴器、主機轉速表等組成。

2.2系統數據解析

系統數據解析為系統的“表示層”，實現的是對系統數據解析。它一方面負責將解析的數據并交給應用層人機交互接口顯示給用戶，同時也負責接受應用層返回的信息，并傳遞給下一層業務邏輯層處理。如圖4所示，該層主要由三部分組成：a、系統分組數據集，實現分組保存與上一層各交互接口的數據，起到數據緩存的作用；b、數據解析服務，負責實現數據分組映射與解析；c、數據驅動引擎，通過向應用層及中間層提供數據服務，實現數據的解析、中轉與存儲。

圖3 應用層人機交互接口設計

圖4 表示層結構組成設計

2.3系統分布式處理邏輯

系統分布式處理邏輯處于系統中間邏輯層，如圖5所示，其嵌入于各分布式DPU單元中，為主機遙控系統邏輯處理的核心。該層包括多個系統功能的服務，以實現主機遙控系統的程序邏輯并完成系統數據處理。其中，a、分布式對象，也叫透明對象（位置透明），能夠被遠程分布式處理單元調用，在本文的系統中如主機調速單元、控制權限的轉換及應答單元等；b、透明對象的代理，即分布式對象在其它域中的代理對象，以完成消息的跨域傳遞；c、格式化標識符，用于定義消息是如何傳遞到信道中的，目前有SOAP和BIN兩種格式化標識符，由于BIN格式化標識符傳遞的速度更快，本文方案采用的是BIN格式；d、CAN通訊通道，即各個DPU以及上位機之間通過雙冗余CAN總線連接，用于實現系統內部通訊。

2.4雙冗余CAN網絡通訊

系統的網絡層主要完成網絡數據的發送、接受，包括對網絡數據的差錯控制、流量控制，如圖6所示。本文的通訊幀格式采用CAN2.0B中擴展幀格式，如表1所示，中央控制器與各個模塊之間采用CAN總線通信，仲裁場包括29位識別符、替代遠程請求位、識別符擴展位和RTR位[4]。通訊時，遠程幀用來承載各個模塊間的請求數據，數據幀則用來向各個模塊發送數據。根據通信的距離的不同，通信速率可設定為50K－1M之間[5]。本文系統的部分CAN網絡通訊協議設計如表1-3所示。

圖5中間邏輯層結構組成設計

圖6 網絡層結構組成設計

2.5分布式DPU單元

分布式DPU單元采用模塊化設計，屬于系統物理層中的分散式處理單元，是主機遙控系統各核心處理邏輯的物理載體，用來實現系統的邏輯運算、控制規則及數據通訊等。DPU單元以單片機作為微處理器，采用單電路板結構，均采用統一的機械和電氣設計，分布在機艙各處，其模塊類型、數量根據實際情況可進行彈性化調整。DPU一方面作為傳感器和執行器的接口，直接與傳感器和執行器相連，實現系統信號的采集及控制等；另一方面，DPU通過專用線纜連接到雙冗余的CAN總線上，如圖1所示，實現DPU單元之間的互聯。按照數據輸入輸出類型的不同，DPU模塊被設計為如下幾種類型，如表4所示。

3 分布式系統功能設計

根據在船舶使用中可能出現的各種情況以及參考各船級社規范建議，船舶主機遙控系統的功能設計主要包括有以下幾個方面。

3.1分布式操縱權限功能模塊

操縱權限轉換時優先權較低的一端需得到該優先級端的確認，其優先級高低順序為：機旁控制、集控臺控制、駕駛臺控制。機旁控制轉遙控控制通過設在機旁控制箱上的三位轉換氣閥來實現，遙控控制模式時，集控臺控制、駕駛臺控制通過其各自控制面板上的權限轉換按鈕來實現。

3.2分布式主機啟動功能模塊

該模塊主要包括各種主機啟動邏輯：a、起動：當主機滿足各項起動條件后，空氣分配器投入工作，打開主起動閥與慢轉起動閥，進行主機起動并鑒別起動是否完成；b、慢轉起動：起動主機時起動邏輯將控制主機先緩慢旋轉1-2轉，以實現慢轉起動，之后再轉入正常起動；c、重復起動：若到達重復起動判別條件，系統重新進入啟動流程，重復起動三次均失敗后，系統發出三次起動失敗報警信號；d、重起動邏輯：在倒車起動、重復起動或應急起動的情況下，為提高主機起動的成功率，控制邏輯將自動增大起動油量或提高主機的發火設定轉速。

表1 擴展幀數據格式

表2 遠程幀ID29 位格式

表3 數據幀ID29 位格式

表4 各DPU參數

圖7 PID控制算法框圖

3.3分布式主機調速環節模塊

1）帶前饋信號的閉環調速環節

主機轉速閉環控制采用PID控制，同時增加了一個轉速設定的前饋信號，該調速環節具有正常工作模式（PI 控制）和惡劣海況控制模式（PID 控制）兩種控制模式，其控制算法框圖如圖7所示[6]：

2）具有直接燃油設定功能的開環調速環節

當調速器或轉速檢測裝置等發生故障時，轉速閉環控制功能和轉速反饋信號都將被切除，主機轉速調節直接進入采用直接燃油設定模式的開環控制，控制端的車令信號直接控制執行機構實現油門調節。

3.4分布式主機轉速與負荷限制功能模塊

為避免主機在動態變化過程中出現超負荷情況，保證動力系統安全可靠運行，系統設計有主機轉速與負荷限制功能。轉速限制包括：手動轉速限制、轉速速率限制、起動轉速限制、故障降速及臨界轉速限制等；負荷限制包括：轉矩限制、排煙溫度限制、轉矩限制等。

3.5分布式安全保護模塊

安全保護系統也可視為獨立于主機遙控系統的功能單元，在出現某些特殊情況時對主機進行故障停車或故障降速，確保主機安全。該模塊功能共分為兩種：a、故障停車包括超速保護、主機滑油低壓保護、凸輪軸滑油低壓保護、透平增壓器進口滑油壓力低等；b、故障降速包括：曲柄箱油霧高、缸套冷卻水進口低壓、掃氣空氣高溫、曲柄箱油霧高溫等[7]。上述不同項目的類型及限值可在調試過程中進行修改。

3.6分布式熱備冗余電源自動切換模塊

主機遙控系統的電源設計采用主電網和充放電板雙路冗余供電模式。系統正常工作時，為主電網AC220V電源輸入；在主電網失電后，電源模塊會自動切換為應急電網充放電板上的DC24V供電，同時發出“主電源故障”的聲光報警。該功能嵌入并集成于自主研發的電源功率管理模塊，能夠保證雙路電源的實時、無擾動切換，切換期間系統可不間斷運行[8]。

圖8 主機遙控系統測試平臺環境

圖9 主機工況點視圖

圖10 主機轉速監視趨勢圖

4 實驗與測試

系統的測試環境為我國某海事類院校的輪機自動化實訓平臺，如圖8所示。在實驗與測試過程中，通過理論設計、實驗測試、在線聯調等方法相互結合，對本文的系統設計進行測試與參數修正。系統在運行時可轉到測試模式，通過人為設置相關傳感器故障、通訊故障以及電源故障等，觀察系統在線表現，驗證系統的安保SLD/SHD報警相應、通訊故障線路切換等。

圖11 主機最低穩定轉速限制趨勢圖

此外，針對閉環調試環節設計了調速器參數校對模式，該模式下實際的轉速信號被自動隔離，進入到調試系統的反饋信號由手動在液晶屏界面上調整及設定，以實現調速系統的PID參數調節、故障查詢等。部分調試過程中的狀態顯示及運行效果如圖9-12所示。

圖12 輪機長設定轉速限制趨勢圖

5 總結

本文參考多層化分布式處理模式從系統的框架設計到人機交互接口、系統數據解析、模塊化處理邏輯、雙冗余CAN網絡通訊及分布式處理單元等層面提出了一種基于多層化分布式處理技術的主機遙控系統的框架及概念。系統液晶化軟件界面為主，以具有各種指示燈及按鈕陣列的面板為輔，在我國某航海類學校的輪機自動化實訓平臺上進行了在線測試，測試的內容包括雙冗余CAN網絡數據通訊、系統控制權限轉換、主機起動邏輯、主機調速邏輯等功能，驗證了本文所提出的系統框架和功能設計的合理性。

[1] 賈寶柱, 曹輝, 張均東, 魯道毅, 張文杰. 基于WinCE的嵌入式主機遙控模擬裝置設計[J]. 中國造船, 2012, 52(4): 207-213.

[2] J.E. Smith. Instruction-Level Distributed Processing [J]. Computer, 2001, 34(4): 59-65.

[3] L. Pagliarini, H. H. Lund. Interactive parallel and distributed processing [J]. International Conference on Applied Mathematics and Informatics - Proceedings, 2010, 231-238.

[4] 徐弘升, 林葉錦. 基于嵌入式系統和CAN 總線的船舶監控系統設計[J]. 大連海事大學學報, 2008, 34(S): 101-103.

[5] 曹俊敏, 孟祥群, 唐厚君. 單個CAN控制器的雙總線冗余網絡實現[J]. 微處理機, 2007. 28(4): 29-31.

[6] 張桂臣, 任光. 基于PLC的船舶主機遙控系統設計與實現[J]. 船舶工程, 2007, 29(4): 124-127.

[7] 林葉錦. 輪機自動化[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2009.

[8] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S]. 2012.

The Application of Multilayer Distributed Processing Technology to Main Engine Remote Control System

Ma Yuxin1, Chao Hui2, Huang Xiaohua2

( 1. Dalian Branch of China Classfication Society, Dalian 114013, Liaoning, China; 2. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026,China)

U675 TP3

A

1003-4862（2014）08-0051-06

2014-06-06

馬玉鑫（1980-），男，工程師。專業方向：船舶質量管理。