船舶綜合集成自動化系統內外接口標準研究

張 云，余勇林

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

船舶設備隨著電子技術的發展，集成的功能越來越強大，對應的設備檢測報警點也越來越多。船舶自動化系統作為船舶設備檢測報警的綜合顯示終端和部分設備的遙控終端，基本上與船上所有設備都有接口關系。船舶設備的原理和控制模塊的多樣性，對自動化系統的接口兼容能力要求很高。本文主要在對自動化設備和系統的內外接口類型進行全面梳理的基礎上，對電力﹑機械控制﹑特種設備系統內部和系統間的監測集成控制聯調技術進行研究，以及對相關系統電氣接口信號類型﹑數據通信協議種類﹑需集成的主要自動化設備和系統等進行研究，以期攻克綜合集成自動化監控系統的接口協調技術難點。

2 系統內部接口研究

綜合集成自動化系統按系統結構及功能，分為系統內部接口及外部接口；系統內部接口主要是基于系統內部各硬件之間通信及控制信號的傳輸；系統外部接口主要是指外部系統連接到自動化系統內，用于系統控制﹑報警﹑顯示等用途的信號傳輸[1]。常規船自動化系統的結構示意圖，如圖1所示。

圖1 自動化系統結構示意圖

圖1自動化系統中的設備主要有：數據采集分站﹑延伸報警模塊﹑網絡交換機﹑RS485通信網關等。

裝置通過100 Mbps雙冗余以太網絡和CAN網絡實現整個系統信息共享。下位機采用HT-MAS11型監測系統的數據采集分站（包括開關量﹑模擬量I/O模塊）完成系統各種參數的采集，通用監控站內部采用雙冗余CAN現場總線通訊，通過網關將CAN數據轉換到以太網；上位機采用工控機，與各通用監控站及各延伸報警模塊﹑計算機網絡通過雙冗余以太網連接，完成對參數的采集﹑參數屏幕顯示﹑參數數據報警和打印記錄等功能，同時將重要參數發送VDR（留有RS-485接口）。

自動化系統的內部接口，主要是各網絡交換機﹑采集箱﹑分站之間的接口，考慮整個系統采用何種通信方式，以使各硬件設備進行快速﹑穩定的交換數據。

3 系統外部接口研究

隨著科技的發展，通信手段也越來越豐富，反映在船舶上的通訊形式也越來越多。對于報警點或控制點較少的系統，可使用開關量或模擬量等形式實現，對設計及調試方便；但石油鉆井平臺﹑海洋工程勘探船等特殊船舶搭載眾多復雜的設備，勢必會應用到較多串口通訊。雖然目前有IEC等相關標準，但各設備廠家使用的串口通訊形式不盡相同，如IEC已采用為國際標準的現場總線就有12種之多，因此確定好該類船舶使用的通訊接口及協議類型尤為重要。

目前用于船舶上的自動化接口，主要有以下幾種類型：

（1）輸入信號

PT100溫度傳感器；

電位計信號；

電壓信號；

電流變送器4...20 mA / 0…20 mA；

開關量信號(分無源及有源信號)；

脈沖信號。

（2）輸出信號

電壓信號±10 V, 0…10 V；

電流信號4…20 mA, ±20 mA, 0...20 mA；

開關量信號。

（3）串行連接輸入/輸出信號

Modbus - RS232, RS422, RS485；

NMEA - RS232, RS422, RS485, TTY；

ProfiBus - RS485；

DP (decentralize periphery) - RS485；

IE (industrial Ethernet) - RJ45；

ASCII - RS232, RS422, RS485, TTY；

CAN等。

以上所列各類接口類型，匯總見表1。

在船舶設計過程中，自動化系統的外部接口產生的過程如下：

（1）根據總規格書中設備配置，預估報警點數簽訂自動化技術協議；

表1 各類型信號接口匯總表

（2）各設備在簽訂技術協議時會預留自動化接口，一般選用常用接口標準，但每個設備選取的接口標準會不一樣；

（3）根據收到的設備資料及規范要求，匯總各設備報警點及接口類型；

（4）廠家根據收到的報警點清單（自動化明細表或IO-LIST）設計各采集箱的模塊配置。

在外部接口產生過程中，經常會出現各種各樣的技術協調問題，例如有些通信接口協議在前期設計中未定義好，或存在非標準語句的格式，在調試過程才發現通迅接口不一致的情況，極不利于船廠調試工作的進展。常見的典型問題如下：

（1）PT100溫度傳感器：需要前期確認好傳感器的輸出信號類型，如：有些變送器輸出信號為4-20 mA模擬量信號，有些變送器只是PT100電阻，需要信號采集方配置測量電橋，且有二線三線四線等連接方式。如在設計初期未確認好，后期更改會事倍功半；

（2）電壓信號：需要前期確認好電壓信號的范圍，如±10 V﹑±5 V﹑0～10 V等。應盡量采用常用電壓等級，如有比較特殊的電壓范圍應及時溝通；

（3）開關量信號：此類信號基本是目前最常用的信號，也最易被忽視。例如，某型船出現過如下問題：啟動箱為AC380V電壓等級，部分開關可在自動化系統遙控，電路圖如圖2所示。

圖2 啟動箱電氣原理圖

從圖2可以看出，啟動箱提供的遠程遙控開關的接口是AC380 V，而該船自動化系統提供的DO接口電壓等級最高為AC220 V，這也是自動化系統常規使用的電壓等級。為實現遠程遙控的功能，只能部分修改啟動箱電路，增加中間繼電器，將啟動箱內用于遙控開關的接口轉換為AC220 V電壓等級。

又如，根據機艙泵組﹑全船風機的控制信號，其常規電氣原理圖如圖3所示。從圖3可以看出，啟動﹑停止信號是串聯在電路回路中的，其控制回路為AC220 V，送出到自動化系統采集箱的是有源AC220 V開合信號，而運行﹑故障﹑遙控位置信號通過內部繼電器送出的是無源常開信號，因此在設置自動化模塊接口時需要注意區分模塊的類型，以避免在設置模塊時出錯；

（4）脈沖信號：此類信號使用不多且較難調試，如果有的設備輸出此類信號，建議轉換信號輸出為常規模擬量信號。如：某型船燃油注入及回油流量計輸出信號類型為脈沖信號1 L/P﹑1.77 Hz,需要外供DC24V電源。因自動化系統未配置脈沖采集模塊，且前期未供電給流量計，調試過程中才發現相關問題，浪費了很多調試時間；

圖3 風機常規電氣原理圖

（5）串行輸入輸出信號：隨著相關設備系統的功能及性能的增強，設備需要傳輸的信號也大大增加，使用串行數據通訊的情況也越來越多。但此類信號出現的問題最多，涉及的問題較為復雜，很多跟程序設計有關。

串行接口是指數據一位一位的順序傳送，通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信。根據信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工﹑半雙工和全雙工三種。串行接口按電器標準及協議來分，包括RS-232-C﹑RS-422﹑RS-485等。

目前，國際通用的通信協議有NMEA0183和IEC61162-1/2等，它們不僅規定了通信協議，還指定RS-422作為其電氣接口標準。

在船舶設計過程中，船廠一般都是提供自動化明細表給設備廠家進行系統設計﹑編制系統軟件，為避免上述外部接口問題的出現，僅讓設備廠家按自動化明細表來編制軟件很難規避上面的問題，因自動化明細表里面主要是包含規范要求的報警點，很多功能性的控制點及報警點一般不會體現在表中，很容易造成報警點的遺漏，增加系統現場調試難度。

一般自動化明細表內容主要包含編號﹑項目名稱﹑傳感器描述﹑報警顯示位置等信息，不能包含編制自動化軟件所需的完整信息，所以經常造成現場軟件與設備不能很好地對應起來。因此在后續設計過程中，我們與設備廠家共同編制報警輸入輸出表，表中包含了報警點編號﹑名稱﹑分組﹑功能說明﹑信號類型﹑信號來源﹑及接入的采集箱﹑模塊﹑端口號等完整的信息，可減少后期現場調試工作出現的各種問題，提高調試效率，并且船東﹑船檢可按此表分系統去報驗設備﹑提高報驗效率。

4 結束語

根據船舶自動化系統的特點，通過內外設備接口協調，解決好各相關設備及系統間的接口問題，清理并制定包括接口類型﹑接口定義﹑接口數量及典型通訊內容的自動化監測控制接口表，形成監測點試驗指導方法，確保系統配套完整性﹑接口準確性和工藝可操作性，對推動自動化系統接口標準化﹑提高設計及調試效率﹑降低維修難度和成本是十分必要的[2]。因此，開展對自動化系統內外接口標準研究，在船舶設計和建造中具有重要意義。