一種機艙綜合報警系統設計探討

林明沖 王敏 王志華

摘 要：本文探討一種船舶機艙監測報警系統的設計，該系統具有以下特點：(1)系統模塊化，便于工程調試人員和船員維護;(2)減少船舶監測報警系統的電纜使用量，節約工時成本;(3)系統擴展性好，可以按需方便增加監控點;(4)故障風險分散，單節點故障不影響系統運行;(5)冗余設計，提高系統可靠性。

關鍵詞：報警系統；CAN總線；信號采集

中圖分類號:U664.82+1文獻標識碼：A

A Design of Alarm and Monitoring System

LIN Mingchong, WANG Min, WANG Zhihua

（Guangzhou Hangtong Shipbuilding and Shipping Co.,Ltd. Guangzhou 510290）

Abstract: Discussion on the design of a kind of engine room monitoring and alarm system in this paper, the system has the following characteristics: （1） System modularization, convenient for engineering maintenance；（2） Reduce the usage of the cable in alarm and monitoring system, reduce the construction man-hour cost；（3）System scalability, increase the monitoring point conveniently according to the requirements；（4）Scattered failure risk, single point failure does not affect the operation of the system；（5）Redundant design, improve system reliability.

Keywords: Alarm system; CAN bus; Signal acquisition

1 概述

船舶機艙監測報警系統是輪機自動化的一個重要內容，它能夠準確可靠地監測機艙內各種動力設備的運行狀態及其參數。一旦運行設備發生故障，自動發出聲光報警信號并進行報警打印記錄，故障的狀態全部顯示在集控室的監視屏上。因此，值班輪機員不需要到機艙進行巡視，只要在集控室內就可以了解機艙所有設備的運行狀態及其參數，從而可以減輕輪機管理人員的勞動強度，改善工作條件，及時發現設備的運行故障，提高設備運行的可靠性。

機艙綜合報警系統分為傳感器、采集硬件和軟件系統及通信模塊幾部分。采集硬件將大量的物理參數如溫度、壓力、開關狀態等數據通過傳感器采集，然后遠程傳輸到機艙控制室，通過通信模塊上傳到上位計算機。對于無人機艙的船舶，機艙監控報警系統要長期連續運行，機艙內環境惡劣，系統不僅要克服船舶的震動、搖擺以及各種電氣設備的電磁干擾，還要適應機艙內的潮濕、有腐蝕性的鹽霧等環境。因此要求機艙報警系統可靠性高、實時性好、系統容量大、抗震、擴充性和耐腐蝕能力強。

2 系統方案簡介

本文主要以某多功能錨作供應船為實例，介紹一種機艙綜合報警系統的設計。該機艙綜合報警共需檢測報警點356個，實現設備故障監測報警及溫度、壓力等模擬信號顯示，具備延伸報警、輪機員值班選擇等功能。356個設備故障監測報警點中：主機63個/臺（共2臺）；發電機22個/臺（共2臺）；首側推17個/臺（共2臺）；尾側推19個；大絞車14個；齒輪箱11個/臺（2臺）；CPP24個/臺（共2臺）；液位報警28個。以上系統占了整個報警系統91%的份額，基于此，本系統的信號采集根據設備的就近原則，分為8個信號采集箱布置（如圖1）：左主機采集箱；右主機采集箱；左CPP&齒輪箱采集箱；右CPP&齒輪箱采集箱；發電機采集箱；液位采集箱；尾側推采集箱；首側推采集箱。由于信號采集箱布置在被監控設備旁，甚至安裝于設備上，就地采集及處理，然后通過數據總線方式傳輸給主站，較原將采集箱置于集控室的設計，不僅大大減少了監控報警系統電纜的使用量，同時減少了施工的難度，顯著降低施工成本。

圖1 信號采集箱的分布

在通信總線選擇上，選用高速率、實時性好、容易實現等諸多優點的CAN總線進行采集箱與主站的數據傳輸交換。CAN總線為一種具有國際標準的總線（ISO11898），用于數據傳送，具有以下特點：

（1）節約電纜，只需兩芯電源線、兩芯信號線、普通對絞線即可進行主從站數據通信，完成數據交換，節約施工成本；

（2）CAN總線上的子站可以分優先級，采用非破壞總線仲裁技術，當兩個節點同時通信時，優先級低的節點主動停止通信，使其在重負載的情況下也不會造成網絡癱瘓（以太網則有可能）；

（3）CAN總線最高傳輸速率可以達到1 m/s，速率與距離關系如表1所示，本系統采用500KBPS通信速率，總線長度可達到100 m，滿足船上主站與采集箱之間的布線長度需要，且在此速率下可以滿足船上的數據交換的實時性；

表1 CAN總線傳輸速率與距離關系

（4）任何一個節點，在嚴重錯誤的情況下，自動從總線切除，不影響別的節點運行，保證系統的穩定性；

（5）通信數據塊進行編碼，代替了傳統的地址編碼，由于不使用與系統結構相關的信息（如節點地址等），因此節點性能與他們在網絡中的位置無關，可以實現在線上網、下網和即插即用，方便維護檢修；

（6）數據出錯率低，采用CRC校驗，保證了極低的出錯率。

本船入級ABS，需滿足ACCU入級符號要求，根據船級社規范及船東要求，該系統設計有3臺工作站，2臺安放于集控室，一臺安放于駕駛室前臺。延伸報警單元為7個,其中1個安裝于駕駛室后臺,4個分別裝于輪機長、大管輪、二管輪、三管輪房間,其余2個裝在公共場所。主站與工作站、延伸報警單元的通訊距離長，數據量大，組網節點多，因此通信方式適于選用以太網通信技術。

綜上所述，整個系統采用了CAN總線與以太網混合組網。系統實現信號采集、報警顯示、延伸報警報警、值班選擇、記錄打印等功能，設計結構圖如圖2所示。

圖2CAN總線與以太網混合組網設計結構圖

3 系統設計

本系統基于CAN總線與以太網混合通信，上層網絡采用標準的TCP/IP協議，整個以太網網絡采用了冗余的環網設計。下層采用了CAN總線傳輸，雙總線冗余。信號的采集通過采集箱處理后，每個采集箱都同時接入BUSA總線與BUSB總線，再分別由主站1與主站2進行數據的讀取，并通過PLC進行處理，轉換為標準的TCP/IP以太網協議，通過網關組成一個冗余的局域環網，工作站與延伸板接入網絡后，其裝載的組態軟件通過網線接收數據，腳本處理后，實時顯示機艙設備的監控情況。

3.1硬件部分

3.1.1 信號采集箱（CAN子站）

采集箱主要功能是直接與現場的傳感信號相聯，完成信號采集及處理，數據上傳至主站。它由主控制器、AI模塊、DI模塊組成、CAN總線收發器等組成，采集箱模塊具備以下功能：

（1）通過AI模塊采集4~20 mA或0~5 V電壓信號；

（2）通過DI模塊采集開關量信號；

（3）電源變換及隔離電源輸出；

（4）通過CAN總線接口與主站通信。

此采集箱硬件設計，可以采用低成本高性能的單片機來作為采集箱的主控制器，完成信號的采集與網絡傳輸，降低硬件成本。而且信號采集板采用可拆卸的積木結構，易于拆除更換，具有易維護性。下面以8路模擬量采集及數據CAN總線上傳至主站的模塊設計為例，拋磚引玉。該電路由ATMEGA128單片機、多路選擇芯片MAX4638、精密電流/電壓變化芯片RCV420、信號隔離ISO122、光耦TL117、CAN總線控制器MCP2515、CAN收發器MCP2551、隔離光耦6N137等組成，成本低，集成度高，設計結構圖如圖3所示。單片機的PD5、PD6、PD7引腳通過光耦TL117與MAX4638的A1、A2、A3相連，實現對8路4~20 mA模擬量的選通，選通的4~20 mA電流信號通過RCV420轉為0~5 V信號，經過模擬量線性隔離芯片ISO122進行隔離，送入ATMEGA128單片機中處理，完成A/D（模擬量/數字量）轉變存放于緩沖區。緩沖區的數據由MCP2515及MCP2551組成的CAN總線接口發送至主站。MCP2515與MCP2551使用高速光耦6N137隔離以提高抗干抗性。

圖3 8路模擬量采集及數據CAN總線上傳至主站的設計結構圖

3.1.2 主站

主站與采集箱進行CAN雙向通信，完成采集箱傳送數據的接收，進行數據的程序處理，傳輸給工作站及延伸板顯示及可編程的輸出，同時工作站指令的發送下發至采集箱。主站由西門子S7-300 PLC、CAN300（CAN總線擴展模塊）、SM321（開關量輸入擴展模塊）、CP343-1（網絡模塊擴展模塊）、SM322（開關量輸出模塊）及外圍電路組成，在監視與報警工作時，消音、確認、測試等按鈕的開關量狀態都通過西門子S7-300 PLC擴展模塊EM321采集輸入，通過CAN總線傳送過來的采集箱數據由CAN300讀取，在PLC中集中處理，然后通過網關送到上位機和延伸板顯示。當有監測點報警時，通過西門子SM322可編程輸出模塊輸出，串入外部24V電源驅動報警燈顯示、蜂鳴器報警。

3.1.3 工作站

本系統由三個工作站組成，集控室的兩機熱備用，運行相同的程序，實時地接收數據，并記錄入自己的歷史記錄數據庫。任何一臺通信失效時，發出通信故障報警，但不會影響另外一臺的使用。

3.1.4 延伸報警板

延伸報警板由觸摸屏及測試按鈕、消音按鈕、蜂鳴器、報警指示燈、值班指示燈組成。通過網絡可將本船所有設備故障報警延伸到值班輪機員處所。當值班選擇系統的開關選定指定輪機員時，值班輪機員處的伸延報警板和值班選擇板上面的值班指示燈亮。如機艙有報警觸發，值班輪機員延伸板有聲光報警，而非值班輪機員處的延伸板，只有燈閃而無聲音報警，避免影響非值班輪機員正常休息。

3.2軟件部分

工作站及延伸報警板運行的組態軟件，不斷讀取PLC通過網絡傳輸過來的數據，不斷刷新當前報警狀態及顯示值，同時對報警參數的修改也通過網絡傳輸給PLC進行設定值的更新，本系統的軟件實現的主要功能為：

（1）故障報警輸出：當系統檢測到故障狀態時，系統發出聲光報警，在得到應答后，如故障依然存在時系統停止聲音輸出，指示燈平光;只有消除報警后，指示燈才滅。但消聲后不會影響下一個報警點的觸發；

（2） 實時顯示被測參數：在系統的軟件界面按分組顯示所有機艙參數條目，包括名稱、當前值、單位、上限值、下限值以及報警狀態。以紅色顯示當前監測點處于報警狀態，綠色表示正常，以柱形條顯液位，虛擬儀表顯示轉速、壓力、溫度等形式，滿足數據顯示的直觀性；

（3）歷史記錄查詢：輸入關鍵詞或起止日期，可以查詢到相應的設備運行記錄；

（4）記錄打印：系統接有一個報警記錄打印機，軟件設有自動打印功能開關，當自動打印功能開時，報警觸發時，系統啟動打印機，實時打印當前的報警時間、狀態等信息。手動打印時，可以打印當前存在的所有的報警點，同時也可以通過設定起止時間進行

（5）延時報警：當船舶航行時，隨船的擺動，油水柜的液位來回波動，容易觸動液位開關產生誤報警，設置只有觸點狀態改變持續的時間大于延時時間再輸出報警，可以有效消除誤報警；

（6）閉鎖報警：當船上的主機、主發電機、齒輪箱等系統正常停機時，壓力點或溫度點會降低到報警值，此不為故障報警。通過閉鎖功能，當正常關機時，只顯示當前實際的狀態值，但并不發出聲光報警；

（7） 權限限制：操作員需憑設定的用戶名與密碼進入，獲取權限，才能修改有關參數；

（8） 失職報警：當報警發生后，如果3分鐘內沒有輪機員去應答，系統就會產生呼叫船上所有的輪機員，以提醒值班人員的失職。

4結束語

機艙報警系統的設計，要針對項目船型所提出的監控要求，對數據采集系統、船上設備布置及可靠性等進行先期分析，進行總體的策劃，基于成本及使用要求，選取合適的網絡拓撲結構及硬件選型。軟件設計方面，要以滿足客戶需求為原則，擁有良好的用戶體驗。同時，軟件要有開放性、可靠性、易擴展性。

參考文獻

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作者簡介：林明沖（1986-），男，助理工程師。從事船舶電氣施工管理工作。

王 敏（1983-），男，助理工程師。從事船舶電氣設計工作。

收稿日期：2014-01-17