专利名称：一种can总线冗余的船舶机舱监测报警系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶机舱监测报警系统，属于航海设备技术领域。
背景技术：
近年来，我国的造船业取得了飞跃性的发展。但是，随着造船业的发展和机舱自动化水平的不断提高，我国的航海设备制造领域亟待发展。为了提高船舶航行的安全性和经济性，无论有人值守还是无人值守的船舶都安装了机舱监控系统。机舱监控系统由多个子系统组成，主要包括机舱监测报警系统、自动电站管理系统、主机监测报警系统、车辆舱通道设备监视报警系统、可调浆监测报警系统、主柴油发电机组监测报警系统、燃、滑油分离机、燃油锅炉、艏侧推装置、减摇鳍装置等一系列的分系统。机舱监测报警系统是轮机自动化的一个重要内容，该系统能实时、准确、可靠地监测机舱内各种动力设备的运行状态及其参数，一旦运行设备发生故障，系统能自动发出声、光报警信号以便提醒驾驶人员注意，并打印报警记录，同时它还能按照一定的时间间隔打印设备运行的有关状态参数。目前使用的船舶监测报警系统大致可以分为三代第一代产品是主要采用大量模拟仪表的原始的监测系统；第二代产品主要是以PLC作为控制及运算核心部件的监测报警系统，通过RS485传输数据；第三代产品是基于PLC和现场总线的监测报警系统，在传输数据过程中使用了一些简单的数据校验技术。根据船舶工作人员反馈的意见分析，目前使用的这些船舶机舱监测报警系统产品存在的主要缺点有1.采用PLC作为核心控制部件，运算性能差；2.系统结构复杂、电缆量过多、成本较高。3.延伸报警不方便。4.当通讯线路出现故障时，无能为力。随着微控制器技术以及现场总线技术的不断发展，很多控制器的运行主频高达 1GHz，控制器的运算能力得到了大大的提高，与此同时，现场总线技术也得到了迅速的发展。在原来数据传输的基础上，增加了多种数据校验，例如工业中常用的CRC校验，而且为了克服传输介质损坏对数据通信的影响，开始研究冗余的数据通信技术，也就是在通信过程中使用两对相互独立的通讯介质，这样当其中一条通讯线路出现故障时，可以自动地使用另一条通讯线路。
发明内容
鉴于以上所述的问题，本发明提出一种CAN总线冗余的船舶机舱监测报警系统。本发明采用以下的技术方案基于ARM控制器设计了模拟量采集模块，对船舶机舱中的模拟量进行采集，然后将采集到的数据进行滤波处理并进行标度变化，然后将转换完的数据通过数据传输网络传送到远程的机舱监测报警系统主控单元或远程的报警单元。模拟量采集模块能够对模拟电压量进行采集，也可以通过模块上的Ι/ν转换模块，实现对4 20mA电流信号的采集。基于同样的设计方案设计了数字量采集模块。数字量采集模块能够实现对数字开关量以及脉冲开关量的测量。数据传输网络使用CAN总线。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。基于CAN总线的分布式控制系统具有多方面明显的优越性首先，CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构， 提高系统的可靠性和系统的灵活性。但是CAN总线的节点数有限，同一通讯网络最多可以有110个节点，而且当节点数增加到一定程度时，通讯效率明显降低。为解决这个问题，在本系统中设计了网络协议转换器。在船舶机舱中将采集到的数据通过RS485传输到网络协议转换器，然后网络协议转换器将接收到数据通过CAN总线传送到机舱监测报警系统主控单元，从而可以有效地增加系统节点数。为了防止电缆故障或者其他通讯线路故障引起的数据传输中断，提高数据传输的可靠性，本设计中采用冗余CAN总线的设计方式。这样当一路通讯线路出现故障时，系统能自动地使用另一路进行数据传输，从而避免了数据传输中断。当监测到某一路通讯线路出现故障时，将及时提供线路故障报警信号给操作人员，以便及时修复出现故障的通讯线路。当设备运行中的参数超过正常范围时，报警单元会及时发出报警信息，以提醒驾驶人员注意，同时打印报警记录。该报警单元也是基于现场总线的，这样就可以方便地实现报警延伸，将报警信号提供给远程的管理人员注意或查看。采用上述方案后，船舶机舱监测报警系统的性能得到了有效地提高，具体来说表现在以下几个方面1.采用ARM控制器作为核心控制部件，数据在现场进行运算，即运算工作量分散， 运算能力增强，风险降低；2.简化了系统结构，系统间连接电缆量大大减少，从而降低了成本；3.延伸报警报警单元是基于现场总线的，在一定程度上，距离、报警单元个数不受限制。4.采用CAN总线，数据传输可靠性高；使用网络协议转换器，节点数不受限制；5.总线冗余设计在一定程度上保证了数据传输的可靠性，当某路线路出现故障时，可以自动使用另一线路传输数据。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例图用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。图1是根据本发明的实施例的CAN总线冗余的船舶机舱监测报警系统的结构示意图；图2是根据本发明的实施例的模拟量采集模块的框图；图3是根据本发明的实施例的数字量采集模块的框图；图4是根据本发明的实施例的通讯网络协议转换器的框图5是根据本发明的实施例的报警单元的框图。具体实施方法下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式
。本发明从系统设计上采用了一种全新的设计思路。系统采用模块化的思想设计， 相同模块间可以相互替换，这样可以有效地缩短系统维修的时间。每个分离模块都可以独立地工作，其测量的数据既可以在本地进行显示，又可以通过机舱内部的通讯网络传送到主控单元，进行集中的监视报警，从而使得系统的处理性能大大提高。图1是根据本发明的实施例的CAN总线冗余的船舶机舱监测报警系统的结构示意图。如图所示，根据本发明的实施例的CAN总线冗余的船舶机舱监测报警系统包括主控单元105，主要用于状态数据的采集及处理，同时完成整个系统的控制协调工作；具有CAN总线冗余接口的通讯模块101，用于采集模块连接于通讯网络；模拟量采集模块102，用于采集船舶机舱中的模拟量信号；数字量采集模块108用于采集船舶机舱中的数字量信号；具有冗余CAN总线及RS485接口的协议转换器103，用于RS485及CAN总线之间的数据传输； 基于RS485接口的通讯模块109，用于船舶机舱现场RS485信号的数据传输；报警单元106， 用于被测量的值出现异常时的报警；显示单元107，用于被测量的显示；以及电源模块104， 为整个系统提供稳定可靠的直流稳压电源；报警记录单元110，用于报警信息的记录，其核心部分是打印机。其中，主控单元105是整个机舱监测报警系统的核心组成部分。该单元有一台工控机组成，主要负责从CAN总线上接收底层的数据采集模块采集来的数据，通过显示单元 107显示这些接收到的状态数据信息的同时，对其进行分析。当发现某些数据超出该数据的允许范围时，该单元可以向报警单元106发出报警信息，以便驾驶人员及时的排除故障，保障船舶航行的安全。在需要增加延伸报警节点或者增加延伸状态显示时，只需要在主控单元中做出相关的设置即可方便地实现延伸显示或者报警。其中，模拟量采集模块102通过CAN通讯接口模块101连接到冗余CAN通信网络上，或者通过RS485通讯接口模块109连接到协议转换器103上。模拟量采集模块102主要负责采集船舶机舱中的模拟量信号，将其转换成数字信号通过通讯网络传输到主控单元 105。可以采集的模拟量类型有0 IOV电压信号，4 20mA电流信号等常见模拟信号。其中，数字量采集模块108通过CAN通讯接口模块101连接到冗余CAN通信网络上，或者通过RS485通讯接口模块109连接到协议转换器103上。数字量采集模块108主要负责采集船舶机舱中的数字量信号，并将该数字量包含的信息通过通讯网络传输到主控单元105。可以采集的数字量信息有开关量信号、脉冲信号及频率信号等机舱中的常用信号。其中，通讯模块103可以起到扩展CAN网络的功能。由于CAN总线最多允许110 个节点，在大型船舶机舱中，节点数不足，因此系统采用通过一个CAN节点扩展多个数据检测点的方法实现网络的扩展。其顶层网络是CAN总线，其底层网络基于RS485总线。其中，报警单元106带有冗余CAN总线接口，连接到CAN通讯网络上。当主控单元发现数据采集模块采样的数据有异常时，主控单元105向报警单元106发出报警信息，报警单元106接收到信息后发出声光报警，提醒驾驶人员注意。其中，报警记录单元110可以在监测到报警信息后，自动地记录当前的报警类型、
5报警时间、报警号等信息，以便在后期进行故障排除或者海事处理时使用。该报警记录单元的核心部分是微型打印机，由主控单元105对其进行操作。图2是根据本发明的实施例的模拟量采集模块的框图。如图所示，根据本发明的实施例的模拟量采集模块包括电压信号采集接口 201，用于对电压信号进行调理，将传感器信号调理成模块能够采集的电压信号；电流信号采集接口 203，用于4 20mA电流信号的接入；I/V转换电路204，用于将4 20mA的电流信号转换成模拟电压信号；多路模拟开关202，用于控制当前采样的通道；滤波电路205，用于对模拟信号进行滤波及调理；模拟信号隔离模块206，用于模拟信号的电气隔离，提高系统的可靠性；A/D转换器207，用于将模拟量信号转换成可以在总线上传输的数字量信号；处理器208，用于完成数据采集、数据处理及总线上的数据收发；通讯接口电路209，用于将向通讯网络发送数据及从通讯网络上接收数据；电源模块210，用于提供系统正常工作的电源。其中，电源模块210需要提供三组电源，分别用于模拟量采集模块的电源、模拟量前端的隔离模拟电压、通讯接口端的隔离数字电源。使用该电源电路能够有效地抑制电源干扰给系统稳定性带来的不良影响，避免系统频繁出现故障的可能。其中，通讯接口电路209可以完成双向的数据通信，而且使用互为冗余的通讯接口电路。当该模拟量采集模块用于底层的RS485网络时，使用冗余的RS485接口电路；当该模拟量采集模块直接连接到CAN总线时，可以使用冗余的CAN接口电路。图3是根据本发明的实施例的数字量采集模块的框图。如图所示，根据本发明的实施例的数字量采集模块包括开关量采集接口电路301，用于采集开关量信号；脉冲量或者频率信号接口电路302，用于采集脉冲量信号或者频率信号；光电隔离模块303，用于实现电气隔离，提高系统的可靠性；处理器单元304，用于数据的采集及处理，并将处理到的数据通过通讯接口 305发送到通讯网络上或者从通讯网络上接收数据；电源模块306及隔离电源307，为系统提供工作电源。图4是根据本发明的实施例的通讯网络协议转换器的框图。如图所示，根据本发明的实施例的通讯网络协议转换器包括数据处理器405，用于对数据的处理及通讯网络介质的选择；RS485网络接口 401及403，用于与下层的RS485网络进行通讯；光电隔离模块402、404、406、407，用于通讯电路的电气隔离，避免通讯线路上的干扰窜入系统，影响系统的正常工作；CAN通讯接口电路408及409，用于与上层的CAN网络进行通讯；系统电源410， 用于为系统提供可靠的电源；隔离电源411及412，用于为通讯电路提供可靠的隔离电源。其中，数据处理器405是通讯网络协议转换器的核心部分。它从RS485总线上接收数据，经过处理后通过CAN总线接口 408发送到CAN总线上。或者将从CAN总线上接收到的数据转发到相应的RS485总线上，从而实现双向的数据转发通讯能力。另外，当数据处理器405判断出某一路通信线路出现故障时，就自动地切换到其备用的通讯线路。从而最大限度地提高了通讯的可靠性。图5是根据本发明的实施例的报警单元的框图。如图所示，根据本发明的实施例的报警单元包括互为备用的CAN网络通讯接口 501及502，用于从CAN网络上接收报警数据；控制单元507，用于从总线接收数据并控制声光报警；功能按键508，用于功能设定及对报警信息做出响应；声音报警器505，用声音的方式提供报警信息，提醒驾驶人员注意；发光报警器506，通过闪烁的发光体提醒工作人员注意报警信息。
权利要求
1.一种新型的CAN总线冗余的船舶机舱监测报警系统，其特征在于采用模块化设计的方法，设计了基于现场总线的模拟量采集模块，用于采集船舶机舱设备的模拟量运行参数；采用模块化设计方法，设计了基于现场总线的数字量采集模块，用于采集船舶机舱设备的数字量参数；通讯网络采用冗余CAN总线网络，以保证数据的可靠传输；通过网络协议转换器，可以使用RS485网络对CAN总线进行扩展；设计有报警单元，当设备运行出现异常时，能进行故障声光报警，提醒驾驶人员注意。
2.根据权利1所述的机舱监测报警系统，其特征在于，所述的现场模拟量采集模块，能对机舱设备运行中的模拟电压量及4 20mA电流信号进行测量。
3.根据权利1所述的机舱监测报警系统，其特征在于，所述的现场数字量采集模块，能对机舱设备运行中的数字开关量和数字脉冲量进行测量。
4.根据权利1所述的机舱监测报警系统，其特征在于，所述的冗余CAN总线网络，可以在最大程度上保证数据传输的可靠性，能在某一路线路出现故障时，自动启用另一路通讯线路，并提供线路故障报警。
5.根据权利1所述的机舱监测报警系统，其特征在于，所述的网络协议转换器能将底层的RS485总线的数据通过打包处理发送到CAN总线网络上。
6.根据权利1所述的机舱监测报警系统，其特征在于，所述网络协议转换器中采用的控制处理器是高级精简指令系统处理器，并采用嵌入式系统，以提供该网络协议转换器的数据处理能力及数据传输的可靠性。
7.根据权利1所述的机舱监测报警系统，其特征在于，所述的报警单元能对运行中的设备参数进行分析，当发现异常时，能及时提供声光报警，提醒驾驶人员及时处理故障。
全文摘要
本发明设计了一种新型的CAN总线冗余的船舶机舱监测报警系统，包括现场模拟量采集模块，采用模块化设计方法，用于采集船舶机舱设备运行中的模拟量参数，其中包含模拟电压信号测量和4～20mA电流信号测量等常用的工业常用的模拟量信号的测量；现场数字量采集模块，采用模块化设计方法，用于采集船舶机舱设备运行中的数字量参数，其中包含数字开关量测量和数字脉冲量测量等常用的工业常用的数字量测量；通讯网络，设计了一种冗余CAN总线网络，以保证数据的可靠传输；网络协议转换器，为了解决CAN节点的数量限制，在CAN节点下可以使用RS485网络进行扩展；报警单元，针对设备运行中的参数异常，及时提供报警信号。
文档编号G01M15/00GK102254400SQ20111006967
公开日2011年11月23日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者周凤余, 周应兵, 张煌, 潘为刚, 王常顺, 肖海荣, 韩耀振 申请人:山东交通学院