新型船用室外燈控制器系統的應用研究

袁 健，方 鵬，黃 丞

(1.上海船舶研究設計院，上海 201203；2.蓬萊中柏京魯船業有限公司，山東 煙臺265601)

0 引言

船舶室外照明是影響船舶安全航行的重要因素。船舶一般包括以下室外燈：夜航時巡視的上建艉部走道區域的室外燈，裝卸貨時貨艙區域的室外燈，系泊工況下艏艉部錨絞區域的室外燈等。

通常在駕駛室、貨控室或者船舶辦公室配置室外燈控制器，其作用是控制船上的室外燈具，但傳統的室外燈控制器僅僅具備開關功能，無法滿足更多的人性化需求。因此，本文分析了現有室外燈控制器人性化程度不足、接線繁復且功能較少等問題，并針對以上問題提出了對室外燈控制器系統進行重新設計與優化的方案。

1 傳統室外燈控制器系統

在船舶實際運營中，根據船東和船廠的反饋，傳統室外燈控制器系統存在以下問題：

(1)控制板上沒有室外燈的開閉指示燈。傳統的室外燈控制裝置僅能通過旋鈕開關或撥動開關控制室外燈的開閉，無法顯示室外燈的開閉狀態，且異地操作會導致旋鈕開關狀態或撥動開關狀態與室外燈的開閉狀態無法保持始終一致，因而每操作一次，船員可能需外出確定室外燈開閉狀態，十分不便。特別是夜間外出確認，船員的人身安全無法得到充分保障。

(2)電纜施工困難，成本高，故障率增加。越來越多的船東，特別是集裝箱船的船東，要求室外燈控制板不僅要安裝在駕駛室，而且也要安裝在貨控室和船舶其他高級船員艙室或者辦公室，從而實現多地控制室外燈的功能。兩個控制板之間用多芯電纜進行信號傳輸，電纜的芯數按照需要控制室外燈的數量來選定。室外燈路數越多，電纜的芯數越多，導致電纜越粗，船廠的施工越困難，且增加了成本。另外，只要其中一芯線出現故障，對應的室外燈就無法正常工作，增加了故障排除的難度。

(3)控制燈板旋鈕多，船員容易誤操作。目前的室外燈控制板功能單一，僅有燈具的開關功能。操作人員必須熟知船舶各種工況下室外燈開閉狀態，否則容易產生誤操作，且操作時間長。同時，為了夜間船舶航行安全，夜航時室外燈必須關閉，若因船員的誤操作導致夜航時開啟關系到航行安全的室外燈，船舶的運行安全無法得到充分保障。

考慮到傳統室外燈控制器結構存在一定局限性，并且改造成本較大，需另設計一種操作便捷、界面友好、易于維護的控制器。

2 新型室外燈控制器系統

為解決上述問題，在設計室外燈控制器的電源電路和主控電路時，待開發功能及改善的要點在3個方面：開閉指示燈的設置、多控制器間電纜連接形式及狀態同步、各種工況下室外燈編組設定。

2.1 室外燈控制器電源電路設計

室外燈控制器電源電路設計的最根本要求是安全性與穩定性，其原理見圖1。

圖1 新型室外燈控制器電源電路原理框圖

室外燈控制器由主電源和應急電源供電。

室外燈控制器的電源電路設計有主電源AC/DC變換穩壓電路和應急電源AC/DC變換穩壓電路。當供電電源出現異常時(如電壓超限、斷電)，控制器通過主電源、應急電源切換繼電器自動切換輸入電源，以保證控制器正常工作。

主電源、應急電源切換繼電器的切換由主電源/應急電源電壓比較電路控制，依靠主電源電壓/應急電源電壓采集電路提供的電壓信號進行運算。

主電源電壓采集電路和應急電源電壓采集電路采集到的兩路輸出電壓值，不僅用于主電源/應急電源電壓比較電路，同時還上傳至主控電路的微處理器。當微處理器通過計算判定有電源故障時，通過電源故障指示燈及蜂鳴器進行報警。

2.2 室外燈控制器主控電路設計

室外燈控制器的主控電路需要對全船室外燈集中管理控制；能夠自檢測、自診斷，實時顯示系統的運行于故障狀態；能夠兼容外部通信電路，具備可拓展性。其原理見圖2。

圖2 新型室外燈控制器主控電路原理框圖

主控系統主要由室外燈控制通信系統、外部設備通信系統及操作面板系統組成。

室外燈控制通信系統通過數據信號總線與異地控制器進行數據通信，實現對室外燈的開關和運行狀態及故障報警的巡檢，達到智能控制的目的。

外部設備通信系統采用雙向串行通信，不僅將室外燈控制器的實時運行狀態上傳至外接關聯設備，還能接收外接關聯設備的控制指令實現相應的功能。

操作面板系統主要由LED指示燈、驅動電路、操作按鍵電路、蜂鳴器及驅動電路組成。LED指示燈及驅動電路可顯示室外燈啟/停狀態，還可以提供輸入電源運行狀態、通訊故障狀態，具有LED指示燈亮度調節的功能，滿足用戶在不同應用場合的視覺需求。操作按鍵電路由多個復位式輕觸開關矩陣排列組成，并由微處理器進行信號采集管理。可實現的主要功能包括：各組室外燈的開/關控制、室外燈控制器系統自檢、室外燈控制器警報消音、控制器指示燈亮度調節。蜂鳴器及驅動電路是由微處理器進行控制的。可實現的主要功能包括：按鍵操作聲音反饋功能、系統故障報警功能。

2.3 室外燈控制器系統功能設計

室外燈控制器系統可由異地2個控制板組成，利用外部通訊模塊操作任一面板按鍵信號進入微處理器，判斷數值對象，驅動對應繼電器對室外燈進行開關控制。開/關運行狀態同步顯示到異地兩個面板中，對應指示燈變化。功能框圖見圖3。

圖3 新型室外燈控制器功能框圖

在此系統中，多個控制板通過數據信號CAN總線進行數據通信，取代了多芯電纜，減少了大量的耗材與敷設成本。另外，控制器還可以提供輸入電源運行狀態及通訊故障狀態，達到智能控制的目的。除了上述的開閉指示、同步控制、故障巡檢功能，控制器還提供了RS485通訊、無源輸出等外部接口以提高兼容性。

值得一提的是，傳統室外燈控制板上一個開關只能控制一處照明。為改善傳統室外燈控制器操作不便、低效、易錯的問題，新型室外燈控制器可實現各組室外燈編組與一鍵控制，具體對比見圖4。此一鍵控制模式可根據實際工況對室外燈編組設定多種工作模式，如停泊模式、裝卸貨模式、系泊模式、航行模式等，不同的工作模式下對應不同燈具開關狀態。考慮到工作模式的選擇唯一性，控制器設定不存在多個工作模式同時進行，即任意時段中一處照明有且僅有一個工作模式獨立控制，并且設定一種工作模式后，仍能通過按鍵單獨控制每路室外燈。

圖4 新型室外燈控制器一鍵控制示意圖

綜上所述，新型船用室外燈控制器系統主要包括以下優點：

(1)電源可靠性，采用雙輸入電源設計，故障時實現自動切換和報警。

(2)界面友好性，新增室外燈開閉指示帶背光調節功能，滿足視覺亮度需求。

(3)CAN通訊取代多芯線，利用CAN通訊實現多控制器低成本可靠互聯。

(4)異地同步控制，可實現多個控制器同步控制室外燈開閉。

(5)在線狀態監測、故障告警，多個控制器面板同步顯示室外燈開閉及故障狀態。

(6)強大的交互功能，外部接口可讀寫功能。

(7)經典的操作界面，簡潔直觀、功能全面。

目前，新型室外燈控制器已順利應用于多艘大型運輸船。本產品在提高船員工作效率的同時，一定程度上提高了作業安全性，節省了船廠建造成本，節省了船東運營成本。

3 結論

本文針對傳統室外燈控制器面板缺少燈具開閉狀態指示功能、多控制板間接線復雜、開關數量多、操作繁瑣等問題進行了優化。

(1)利用數字化電路設計和總線通信技術，給出了新型船用室外燈控制器的設計方案。

(2)針對船東需求，實現了同步指示、異地控制及一鍵模式等功能。

(3)多艘裝船案例表明了新型船用室外燈控制器系統的可行性與有效性、經濟性與便捷性、可靠性與安全性。