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硕士论文机舱监测报警系统的开发设计与实现 摘要 本文通过对数据采集、监测报警系统以及冗余拓扑结构的研究分析，结合船舶的实 际情况并针对机舱内各种机电设备运行的特殊性，构建了以工控机和数据采集控制模块 为核心硬件的机舱监测报警系统，用以为船舶的安全航行提供保障。 文中分别用组态软件和c + + b u i l d e r 5 对监测报警系统进行了软件设计。其中组态设 计方案的具体内容包括：1 ) 通过对组态软件的构成、数据处理方式和关键技术等主要问 题的分析，给出了软件各部分功能的方案设计；2 ) 通过监测点实时数据库设计、f o 通 道连接、声光报警控制程序设计、系统界面设计和双机冗余配置等过程，完成了软件的 开发设计；3 ) 对组态软件开发方法的优势和不足作了进一步的分析。采用c + + b u i l d e r 5 进行设计的具体内容主要包括数据库配置、系统初始化、数据通信、监测报警处理、双 机容错切换和数据备份程序设计等等。文章还在最后对两种方案进行了比较，总结了二 者各自的优势和适用场合。 系统的开发测试情况和实际运行状况说明，本文所设计的机舱监测报警系统软件能 够满足工程应用要求。 关键词：监测报警系统，数据采集，组态软件，软件设计，r s 4 8 5 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fd a t aa c q u i s i t i o n ，m o n i t o r i n ga n da l a r ms y s t e ma n d r e d u n d a n tt o p o l o g y , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no fv e s s e la n df o c u s i n gt h es p e c i a lo f e l e c t r i c s & m a c h i n e r i e so p e r a t i o ni ne n g i n er o o m ，t h i sa r t i c l eu s e si p ca n dd a t aa c q u i s i t i o n c o n t r o lm o d u l e s ( d a c m ) a st h ec o r eh a r d w a r et ob u i l dt h ee n g i n er o o mm o n i t o r i n ga n d a l a r ms y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sas a f e t ys a i l i n gi n d e m n i f i c a t i o nf o rt h ev e s s e l i nt h ea r t i c l e ，t h es o f t w a r eo ft h em o n i t o r i n ga n da l a r ms y s t e mi sd e s i g n e ds e p a r a t eb y c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dc 抖b u i l d e r 5 t h em a t e r i a ld e s i g n m e t h o do fc o n f i g u r a t i o n i n c l u d e s ：1 ) t h ef u n c t i o nd e s i g no fe a c hp a r to ft h e s o f t w a r ei sg i v e nb ya n a l y z i n gt h e c o m p o s i t i o no f t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，d a t a p r o c e s s i n gm e t h o d s ，k e yt e c h n o l o g i e s ，a n ds o o n ；2 ) t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fe n g i n er o o mm o n i t o r i n g a n da l a r m i n gs y s t e ms o f t w a r e i sc o m p l e t e db yd e s i g n i n gt h er e a l t i m e d a t a b a s eo fm o n i t o r i n gp o i n t ，c o n n e c t i n gt h ei o c h a n n e l s ，d e s i g n i n gt h es o u n da n dl i g h ta l a r m i n gc o n t r o lp r o g r a m ，d e s i g n i n gt h e s y s t e m i n t e r f a c ea n dc o n f i g u r i n gr e d u n d a n t ；3 ) t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o n f i g u r a t i o n d e s i g n i n gm e t h o di sa n a l y z e d t h ed e t a i l so ft h es o f t w a r ew h i c h i sd e s i g n e db yc + + b u i l d e r 5 i 1 1 c l u d e sd a t a b a s ec o n f i g u r a t i o n ,s y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，m o n i t o r i n g ， a l a r m i n gt r e a t m e n t ，d u a l s y s t e mf a u l tt o l e r a n c es w i t c h i n ga n d d a t ab a c k u pd e s i g n ，a n ds oo n f i n a l l y t h ea r t i c l ec o m p a r e st h et w o m e t h o d sa n ds u m m a r i z e se a c ha d v a n t a g e sa n da p p l i c a b l e o c c a s i o n s t h es y s t e mo ft e s t i n ga n dt h ea c t u a lo p e r a t i o ne x p l a i n st h a tt h ed e s i g n e de n g i n er o o m m o n i t o r i n ga n da l a r ms y s t e mi nt h ea r t i c l ec a nm e e t t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：m o n i t o r i n g a n da l a r ms y s t e m ，d a t ea c q u i s i t i o n ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， s o f t w a r ed e s i g n ，r s 一4 8 5 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 机舱监测报警系统的开发设计与实现 1 绪论 1 1 机舱监测报警系统概述 随着现代船舶技术的飞速发展，船舶设备和系统的结构越来越复杂，功能日臻完善， 自动化程度不断提高，不仅同一系统的各组成部分之间互相关联，而且不同系统之间的 联系也日益紧密，因此对系统的可靠性和安全性的要求也显得越来越重要，即要求现代 船舶应配备功能强大、技术先进的自动监控系统，以确保船舶各系统协调配合、安全可 靠地运行。机舱监测报警系统作为船舶自动监控系统的一个重要部分，其主要功能为实 现对主机、辅机、滑油、燃油、锅炉、冷却水等主要系统的工作状态及参数的监测，并 进行指示、报警、和记录等相应的处理【l j 。船舶机舱监测报警系统的作用在于实时掌握 船舶运行状态和趋势，在出现工作异常时声光系统立即报警，呼叫操作人员及时处理报 警故障以确保船舶航运的安全。 为了提高经济性和安全性，降低营运成本，无人机舱目前已经成为新造船的常规要 求，而机舱监测报警系统的自动监测报警功能正是替代轮机员实现对机舱中主、辅机等 设备和各系统进行有效监测，从而实现减轻轮机员工作强度、减少事故发生的主要手段。 因此，机舱监测报警系统是实现无人机舱的核心部分 2 】。 随着电子技术、自动控制技术和计算机技术等的快速发展，现代船舶机舱监测报警 系统的核心组成部分是计算机和各种数据采集设备。 现场总线型系统作为当今工业监控领域的主流发展趋势正在被广泛应用到工业生 产的各个领域中去，具有广泛的应用前景 3 】【4 】。其中c a n 总线的性价比较高，它的出现 为实现实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持 5 】。用c a n 总线实现大规模点 的监测已有许多成功案例【6 】【1 7 1 。船舶中该类机舱监测报警系统的代表产品为 n o r c o n t r o l 公司开发的d a t a c h i e fc 2 0 系统例，该系统由分布式处理单d p u 、现 场操作站l o s 、遥控操作站r o s 和延伸报警单元等部分组成，是c a n 现场总线与以太 网( e m e m e t ) 相结合的双网络系统，集中体现了当前技术发展的先进水平。但由于结构和 成本等方面的问题，以现场总线为基础的监测报警系统还没能成为主导应用方案。 目前，先进船舶上的机舱自动监测报警系统大多采用的是多微机分层监测系统，即 集散型系统【9 1 。如德国西门子公司的s i m o si m a 3 2 c 系统【1 0 1 ，由机舱内分站和集控室 主控单元组成，相互传输数据。在使用中，既可通过主控单元监视设备的运行情况，也 可用分站分别对设备进行监视。 监测报警系统的主流技术发展现状说明，船舶机舱监测报警系统应该采用实时性 好、可靠性强、成本低廉、使用难度较小的设计方案，目前常用的是运用工业组态软件 进行监测报警系统的开发和设计，本文将会在后面的章节中对该方法进行详细的分析与 l 绪论硕士论文 研究。 1 2 数据采集方案的实现 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的 一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门 综合应用技术【1 1 1 。 根据现代船舶的发展要求，只有解决好数据采集的实时性，达到数据的实时采集与 及时的安全报警监测要求，才能从根本上有效预防和避免事故的发生。因此，数据采集 方案的设计与实现是机舱监测报警系统中一个十分重要的环节。在数据采集的工作过程 中，较好的做法是将所有的传感器信号通过相应的模块进行处理，然后再将处理后的结 果传回监测主站，由监测主站进行统一管理，从而实现全船高效率实时监测报警。本系 统的数据采集部分由若干i o 模块、监测计算机、底层传感器以及r s 4 8 5 通信线路组 成。 图1 1 数据采集 如图1 1 所示，底层传感器与具有数字输入输出，模拟输入输出等功能的i o 模块 相连接，所有模块再用r s 4 8 5 网络连接起来，将其作为数据的发送、接收媒介，每个 模块需要设置一个网内唯一的地址号，通过通信接口实现与监测计算机的通信，从而达 到监测的目的。采用该设计方案可以使得通信网络上节点故障及节点增加与撤消均不会 影响系统其他部分的正常运行，网络能传递最大可能的数据速率，而不致引起不能接受 的数据等待或数据冲突，并且在安全与报警显示方面的数据等待时间较短。上述设计均 符合我国船级社对船舶计算机监测报警的相应规泄1 2 】【1 3 】。 2 硕士论文机舱监测报警系统的开发设计与实现 1 3 本文主要工作 2 0 0 6 年1 0 月至2 0 0 8 年4 月间，江阴澄西船厂先后承接了改装三艘七万四千吨级外 籍货船“诺克”、“n e l v a n a ”和“c s lm e t i s ”的任务。在改装过程中，除了需要对 船体进行改造外，船方还要求对船上数百个监测点进行监测报警控制，包括对主机、辅 机、滑油的温度、压力、液位，船体的开关量以及冷却水温度的数据采集，对异常数据 进行的报警，以及根据采集数据情况控制外部开关输出。其中涉及到的传感器监测点包 括( 4 2 0 m a ) 模拟点、热电偶模拟点、热电阻模拟点以及开关量数字输入输出点。 项目开发中，通过与船方进行充分的沟通和交流，根据设计要求规划出需要监测的 内容和系统设计方案，在“诺克”号轮船改造中应用北京三维力控公司的组态软件开发 工具f o r c e c o n t r o l 5 0 4 1 】，基于r s 4 8 5 总线进行了系统的组态开发设计，并根据该系统在 实际应用中出现的问题和针对开发中遇到的一些不足，在后两条货船的系统改造过程中 直接使用c 抖b u i l d e r 5 0 开发了基于r s 4 8 5 总线的监测报警系统软件。 结合该系统的实际开发过程，本文主要完成了如下几个方面的工作。 ( 1 ) 对机舱监测报警系统技术的重要性、现状及其需求进行了阐述和分析，明确了系 统开发的目的和重点。 ( 2 ) 针对具体船舶所提出的监测要求，根据实际情况进行了拓扑结构的总体规划和硬 件设备的选择，并出于可靠性方面的重点考虑，对双机冗余设计方案进行了深入的分析 和研究。 ( 3 ) 基于力控组态软件开发工具f o r c e c o n t r o l 5 0 设计了“诺克”号机舱监测报警系统 软件。通过总结开发过程中遇到的实际问题和软件的具体使用情况，对用该组态工具进 行软件设计的优点和不足进行了细致的分析。 ( 4 ) 采用c 抖b u i l d e r 5 开发了“n e l v a n a 和“c s lm e t i s ”货船的机舱监测报 警系统软件，实现了实时数据采集、报警监测、历史数据及报警信息查询、报警自动打 印和双机冗余等功能。对开发过程中遇到的问题进行了分析，提出了行之有效的解决方 案。 ( 5 ) 对机舱监测报警系统软件的开发设计进行了全面的分析和工作经验总结，比较 了c + + b u i l d e r 5 设计方案与力控组态设计方案各自的优势和适用场合。 3 2 监测报警系统总体设计硕士论文 2 监测报警系统总体设计 本章首先介绍了机舱监测报警系统的整体结构和功能设计，然后对基于r s 4 8 5 总 线的网络拓扑结构进行了分析，并对系统的几种备选双机冗余方案进行了讨论。本章还 对所选用的工控机、数据采集模块和终端传感器等硬件设备配置进行了介绍，最后介绍 了声光报警板的设计。 2 1 系统结构及功能 根据船舶航运的实际要求，设计的机舱监测报警系统主要由集控室的监测主站、监 测区域处的监测分站和值班室及生活室里的延伸报警显示单元三个部分组成，从而实现 数据的采集和监测报警等功能。系统总体结构如图2 1 所示。 本系统主要设计了对船舶上具体各监测点的数据采集、报警监测显示以及确保系统 可靠性的双机冗余等功能。 其中，监测主站通过工控机的一个串口经2 3 2 4 8 5 转换通过r s 4 8 5 总线与船舶上 各个区域的监测分站进行连接，负责各分站模块实时采集数据的收集以及对模块控制命 令的发送，然后将数据进行处理并将其反映在人机界面上，从而实现报警监测、历史数 据查询和自动打印等功能；工控机另外一个串口也经2 3 2 4 8 5 转换挂接到另外一条4 8 5 总线，用来与值班室和生活室的延伸报警单元进行通信；两台工控机通过路由器组建小 型局域网，实现双机冗余，正常情况下主机工作，从机只起被动接收主机和监测分站数 据，进行数据备份的作用，当主机故障时从机可以自动切换工作，从而保证系统的可靠 性和可用性。打印机通过主工控机的l p t l 口连接负责对产生的报警信息的实时打印。 各区域的监测分站中包含若干个v o 模块，每个采集模块都包含若干个采样通道， 通过各个通道与具体监测点的底层传感器进行连接，把采集到的数据发送到总线上，并 对总线上的命令进行响应，控制相应的监测点进行输出。其中的就地显示单元只是用来 将该区域的监测点数据进行实时显示，即对自身区域数据进行被动接收显示。 值班室、生活室的延伸报警显示单元的实现方法及功能与从机类似，也是被动接收 数据并将其通过界面反映出来，不同之处在于它们没有从机的主机切换功能，只用于显 示报警。 4 硕士论文 机舱监测报警系统的开发设计与实现 2 2 数据通信接口的选取 图2 1 机舱监测报警系统 采用r s 2 3 2 标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为2 0 k b s ，最大传送距 离只有1 5 m 。而采用改用r s 4 2 2 标准时，最大传输速率可达1 0 m b s ，最大传送距离为 3 0 0 m ，适当降低数据传输速率，传送距离可达到1 2 0 0 m 1 4 1 。 r s 一4 8 5 是r s 一4 2 2 a 的变型，是半双工器件，在某一时刻，一个发送另一个接收。 当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速距离传送。r s 4 8 5 是种多发送器的电 路标准，它扩展了r s 4 2 2 a 的性能，允许双导线上一个发送器驱动3 2 个负载设备。负 5 2 监测报警系统总体设计 硕上论文 载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。r s 一4 8 5 电路允许公用电话线通信，r s 4 8 5 标准中没有规定在何时控制发送器发送或接收器接收数据的规则。 从r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种串行方式的比较上可以发现，对于噪声较多，传输距离较 长的情况，使用r s 4 8 5 要比r s 2 3 2 好，再加上串行通信的实现比其它传输接口容易， 因此本系统涉及到的数据采集监测部分均采用r s 4 8 5 作为传输接口进行数据通信。 2 3 网络拓扑结构分析及选择 网络的基本结构通常来说有星形、环行和总线形三种：星型网属于中央控制，网上 一切通信均由中央节点控制，故当中央节点故障时，整个系统可能瘫痪，并且在数据通 信量大时，中央控制节点会出现“瓶颈 阻塞现象，实时性较差。环形网由网上节点顺 序相连，沿单一方向点对点通信，缺点是当某一节点故障时，会影响信息通路，从而影 响系统可靠性，且不利于加入或撤消节点。总线形网上各节点通过总线互联，通信速度 快，易于扩展和撤消节点，并且某节点发生故障也不会影响其它节点的通信。 r s 4 8 5 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星型结构，通常 采用一条单一连续的信号通道作为总线，将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引 出线长度应尽量短，以便将引出线中的反射信号对总线信号的影响降低【l 5 1 。 图2 2 所示为实际应用中常见的一些错误连接方式( a ) 、( c ) 、( e ) 和更正的连接方式( b ) 、 ( d ) 、( f ) 。其中( a ) 、( c ) 、( e ) 这三种网络连接尽管不正确，但在短距离、低速率仍可能正 常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原 因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。同时应注意总线特 性阻抗的连续性，在阻抗不连续点会发生信号的反射。如果某一段总线上有过多收发器 紧靠在一起，或总线的不同区段采用了不同电缆，又或者过长的分支线引出到总线，就 会容易产生不连续性。 6 硕士论文 机舱监测报警系统的开发设计与实现 ( a ) ( d ) ( e )( f ) 图2 2r s - 4 8 5 总线三种错误连接方式及其改正方式 总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。本系统设计采用的r s 4 8 5 总线网络拓扑结构为依次连接，不设任何分支，如图2 3 所示。 2 4 系统冗余设计 图2 3 网络拓扑示意图 随着计算机、通信和自动控制技术的飞速发展，人们对系统的安全性和容错性也提 出了越来越高的要求。对于一个系统来说，也是稳定性越高越好，即使有地方出错，也 应该把对系统的影响降到最小。和数据采集卡及系统总线相比，监测计算机出故障的概 率更高【1 6 】。而且一旦计算机出故障，将直接使系统瘫痪。因此，对监测计算机进行冗余 是非常必要的。目前，相对来说计算机的价格已经非常低廉，因此，监测计算机冗余并 7 2 监测报警系统总体设计 硕士论文 不会增加很多成本。使用监测计算机冗余可以以较低的冗余成本，较大幅度地提高系统 的安全性和可靠性，因此采用计算机冗余是性价比较好的实用方案。 船舶在海上航行中，整个数据的采集、报警和监测必须做到2 4 小时不间断地安全 运行。因此，针对本系统而言，采用双机容错技术和数据存储备份技术相结合的冗余设 计方案可以较好地实现机舱监测报警系统对于可靠性和可用性上的要求。 2 4 1 双机容错技术 容错，即系统在运行过程中，若某个子系统或部件发生故障，系统都将能够自动诊 断出故障所在的位置和故障性质，并且自动启动冗余或备份的子系统或部件，保证系统 能够继续正常运行，自动保存或恢复文件和数据。 双机容错系统至少要求包含：两台服务器，磁盘阵列柜( 视方案而定) ，双机容错软 件。 双机容错工作原理为：正常时，一台服务器做主机工作，另一台做备机等待。当主 机故障时，备机能够在限定的时间内通过网络自动检测出，然后开始接管主机工作，重 启数据进程，接管数据阵列上的数据库数据。当主机恢复后，可自动作为备机，也可手 动切回。 双机容错技术也可称为双机热各技术，在国外一般称为高可用系统( g h i g h a v a i l a b i l i t ys y s t e m ) 。它的基本原理是指同一个计算机应用软件系统，采用两个或两个以 上的主机服务器硬件系统来支持。当主要的主机j 7 7 务器发生故障时，有另外的主机i n 务器自动接管故障机器所承担的任务，即通过系统冗余的方法，保证了用户数据的可靠 性和系统的持续运行。因此，它主要解决了保持计算机应用系统的高可用性即连续运作 的问题，同时它还具有安装维护简单、稳定可靠、监测直观等优点，因此是计算机应用 系统稳定、可靠、有效、持续运行的重要保证。对于一些柜台业务系统，大数据量连续 处理系统来说，这种数据管理是必不可少的。目前，这项技术已经在我国得到了广泛的 应用【1 7 】【1 8 】。 2 4 2 数据存储备份技术 对于计算机系统而言，最重要的三点是对行为的控制与管理、数据的分析和存储在 其中的数据。其中存储的实际是计算机中最宝贵的财富，因为分析与管理要依据数据源 才能做出最后的判断。保护这些数据就显得格外的重要，备份是保护计算机中重要数据 信息的最佳方式。存储备份包括硬件备份和软件备份两部分，“复制+ 管理= 备份是最 佳的存储备份解决方案。 数据备份必须要考虑到数据恢复的问题，包括采用双机热备、磁盘镜像或容错、备 份磁带异地存放、关键部件冗余等多种灾难预防措施。这些措施能够在系统发生故障后 进行系统恢复 1 9 1 。一个真正有效的数据备份系统应该是这样的：以恢复为目的来设计数 r 硕士论文 机舱监测报警系统的开发设计与实现 据保护系统，管理简便，能快速便捷地实现恢复【2 0 1 。数据存储备份按备份数量可以分为： 完全备份，增量备份，差分备份，按需备份。一个好的数据备份系统应该具备的基本要 素： ( 1 ) 保护性。全面保护数据，在灾难发生时能快速可靠地进行数据恢复。 ( 2 ) 可管理性。最佳的可管理性是自动化备份方案，这不仅增加了数据的安全性和可 靠性而且在数据恢复时减少了以往十分繁琐的工作步骤，节约了大量的人力和时间。 ( 3 ) 可扩展性。备份最大的忌讳是在备份过程中因介质容量不足而更换介质。因为这 会降低备份数据的可靠性和完整性。存储介质的容量在备份中有压倒一切的重要性。 所有的硬件备份都不能代替数据存储备份，如双机热备份，磁盘阵列备份以及磁盘 镜像备份等，因为硬件备份只是拿一个系统，一个设备等作牺牲来换取另外一台系统或 设备在短暂时间内的安全。若发生人为错误，自然灾害，电源故障，病毒侵袭等，会造 成所有系统瘫痪，所有设备无法运行，由此引起的数据丢失就无法恢复了。只有数据存 储备份技术才能提供万无一失的数据安全保护。 理想的数据存储备份应该是使用一种容量大，具有先进自动管理功能，价格又相对 便宜的设备对整个系统( 特别是对整个网络系统) 的数据进行备份。 2 4 3 冗余技术分析 双机容错与数据存储备份作为数据存储保护的有机组成部分，由于面向不同的应 用，他们互为补充，互相配合，可根据实际情况选择与组合来提高应用系统的可靠性与 可用性【2 。 其中，数据备份和双机容错含义不同：数据备份是将数据可调度地备份到永久存储 设备上，最大限度地实现了数据的备份。服务器容错系统，俗称双机热备份，主要是实 现对服务器硬件的保护，使部分硬件在损坏的情况下仍然能够实现整个系统的不停机运 行。二者既有密切的联系又有本质区别。前者主要是对数据的保护，如人为误操作( 如 误删除文件) 、文件系统损坏等其他不可预计因素造成的数据丢失等，而对于服务器硬 件的损坏则无法进行实时的保护；反过来，容错系统也只是保证系统不停机，但无法保 护由于前述原因造成的数据丢失。所以，一个真正安全的系统应该由容错系统和数据备 份系统相辅相成，这样，系统才能够得到真正的保护。 2 4 4 系统冗余方案 安全始终是船舶航行中的重中之重。为了使保障船舶安全的机舱监测报警系统更加 可靠，本文设计的冗余系统应实现如下功能：在正常工作时只有监测主站中的主机和底 层模块通讯，从机的数据通过主机进行备份和同步，如果主机出现故障，从机接管主机 工作。等主机恢复之后，可以通过自动或手动方式进行干预来进入热备状态，如果主机 和从机都正常，用户还可以手动地通过控制标志位把工作从当前机切换到热备机上，当 9 2 监测报警系统总体设计 硕士论文 从机重新上线时，自动与主机建立连接并进行数据的更新工作。 经过分析，下面讨论实现上述功能的五种系统冗余方案： ( 1 ) 单串口模式( 如图2 4 所示) 图2 4 单串口模式 主从机均使用一个串口，通过2 3 2 转4 8 5 信号模块连接到4 8 5 总线；主机正常完成 数据采集报警监测功能( 发送命令并响应) ；从机作为总线一个节点( 和其他模块一样分配 一个独一无二的地址号) ，响应主机握手命令；当从机超时未接收到主机命令，则自动 切换为主机并给出原主机掉线报警；主机超时未接收到从机响应，则发出从机掉线报警； 从机对总线进行监听，分析主机命令，接收节点模块响应的数据，完成数据接收功能， 实现对实时数据的备份。 此模式的不足之处在于，主从机之间的通信线路只有一条。这样就会导致主从机判 断途径单一，当主从机同时掉线后又恢复的情况出现时，两机将都变成主机状态，从而 造成总线冲突。因此，必须在程序中增加容错和人工状态切换机制，当由从机变为主机 后一定时间内未收到任何信号，则认为该机自身掉线，切换回从机状态，等待人工进行 处理。如此一来，当两机均掉线时，将最终变成两机均为从机的情况，这就需要在故障 排除后通过人工方式将其中一台切换为主机，恢复系统正常工作。同样，由于该线路被 需要实时对模块进行通信的任务所占用，因此当从机恢复上线后，只能得到实时数据， 而无法通过该总线从主机得到历史数据信息或者说需要相当长的时间才能得到。 ( 2 ) 双串口模式( 如图2 5 所示) 图2 5 双串口模式 该模式中，主从机之间通过各自的另外一个串口进行连接，从而在两机之间增加了 一条通信线路。 与单总线模式相比，此模式具有两个明显的优势：主从状态判断可以通过新增的串 1 0 硕士论文 机舱监测报警系统的开发设计与实现 口线路进行，即使在双机均与4 8 5 总线链路断开的故障情况下也还能够从串口线路进行 双机握手交互，便于故障修复后状态的正确自动切换；另外当从机恢复上线时，从机可 以通过该串口线路从主机中得到历史数据信息，实现数据的完全备份。当然由于串口的 传输速度较慢，如果一下子传输大量历史数据进行备份时，所需要的时间会比较长，系 统的实时性较差。 ( 3 ) 串口+ 以太网模式( 如图2 6 所示) 以太网 图2 6 串口+ 以太网模式 通过在主从机之间建立局域网来增加双机的通信线路，实现模式二中第二个串口线 路的功能，从机上线时，主机通过以太网向其传输历史数据信息，以实现数据库的完全 备份。由于通过网络传输数据很快，与模式二相比，提高了数据的备份速度，极大地增 强了系统的实时性和可靠性，同时也使得主从机状态的判断可以通过网络进行，更加方 便快捷。 ( 4 ) 双串口+ 以太网模式( 如图2 7 所示) 图2 7 双串口+ 以太网模式 增加两条主从机间的通信线路：一条为备用串口线路，同模式二；另外一条为网络 连接，同模式三。正常情况下双机状态判断和数据备份通过网络来完成，当网络连接或 传输失败时，启用备用的串口线路完成上述功能。 该模式通过增加通信线路的方法增加冗余，这对整个系统的安全性和可靠性方面的 改善是不言而喻的。 ( 5 ) 双串口+ 双以太网模式( 如图2 8 所示) 2 监测报警系统总体设计硕士论文 图2 8 双串口+ 双以太网模式 在模式四的基础上，双串口+ 双以太网模式在硬件上引入了双网卡，设置对应的双 i p 和双网络设计：每台工控机有默认p 和备用口两个地址，在通过网络实现数据备份 时，先使用默认i p 进行网络连接以实现传输，方法和模式四相同。当该网络连接或传 输失败时，系统会自动切换到备用网络上使用另外一个p 进行数据通信。 与之前的几种模式相比，该模式通过硬件冗余设计进一步增强了整个系统的可靠 性，但与此同时，冗余功能的增加使得系统结构更加复杂，所需要的硬件和成本相应增 加，并且进一步提高了软件实现的编程难度。 综上所述，模式一到五，系统的安全性和可靠性越来越强，运行效率越来越高，但 结构越来越复杂，软件实现的工作量会越来越大，成本也会相应地增加。因此，从总体 上考虑，通过对可靠性和经济性进行折中，系统设计中选择了串口+ 以太网模式来实现 双机冗余，力求使开发出的系统性价比达到最高。 2 5 硬件选型 根据前面的总体设计分析和船舶监测报警中的冗余结构要求，本系统的主机和从机 都使用的是工业控制计算机( 简称工控机) ，在主从工控机之间采用串口+ 以太网模式，通 过以太网口连接组成局域网实现双机冗余。工控机接入4 8 5 总线的方式有两种，一种是 通过网口与t c p i p 转4 8 5 模块( 如泓格i - 7 1 8 8 e 2 模块) 连接实现，另外一种则通过串口 与2 3 2 转4 8 5 模块( 如泓格i - 7 1 8 8 e 2 模块) 连接实现。出于安全性和实际海上航行条件方 面的考虑，本系统使用连接更为可靠的r s 2 3 2 转r s 4 8 5 方式，数据i o 模块也均挂在 该r s 4 8 5 总线上。每个采集模块包含与船上相关传感器相连接的若干个采样通道，对 传感器数据进行采集，输出模块与报警装置相连接，实现对船舶的报警及监测。另外使 用爱普生l q 3 0 0 k + i i 针式打印机通过并口与主工控机进行连接，实现报警信息的逐行 实时打印功能。系统整体硬件组成结构如图2 9 所示。 1 2 硕士论文机舱监测报警系统的开发设计与实现 图2 9 系统整体硬件组成结构 2 5 1 监测计算机 由于船舶出海航行中时间一般比较长，船体的颠簸十分严重，并时常有不可预测的 电磁干扰，电源电压的波动幅度有时会很大，如果选用普通的个人计算机，发生故障的 可能性将非常高，不利于系统持续稳定运行。而工控机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r - - i p c ) 是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行 2 2 1 o 与普通的个人计算机相比，工控机的稳定性和抗干扰能力主要体现在如下几个方 面。 ( 1 ) 采用符合“e i a 标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力； ( 2 ) 采用总线结构和模块化设计技术。c p u 卡及各功能卡皆使用插板式结构，并带 有压杆( 或者橡胶垫) 软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力； ( 3 ) 机箱内装有双风扇，微正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘； ( 4 ) 配有高度可靠的工业开关电源，并有过压、过流保护； ( 5 ) 电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 另外，工控机开放性和兼容都很好，它吸收了p c 机的全部功能，可直接运行p c 机的各种应用软件。因此，根据本系统应用的实际环境，选用研华工控机( 5 1 2 m 4 0 g ) 作为监测计算机。 2 5 2 信号转换模块 如果可以使用和r s 2 3 2 相同的方式在r s 4 8 5 上进行通信是比较方便的；而由于 1 3 2 i 愀警系统也傩设汁哑i ，论女 r s 一4 8 5 与r s 2 3 2 所采用的i c 小一样，它们之间的信号标准电位也不同，如果希望能 够使用r s - 2 3 2 去进行r s - 4 8 5 的操控，就必须将r s - 2 3 2 的标准电位进行转换，泓格1 - 7 0 0 0 系列中的7 5 2 0 模块就是用来起这一转换作用。图21 0 是1 - 7 5 2 0 模块的信号转换示意图。 21 01 - 7 5 2 0 模块信号转换示意圉 使用在实际船舶航行环境时，噪声问题经常是干扰的来源，将噪声隔离掉是一件相 当重要的事情，而由图21 0 可以看出在r s 2 3 2 端与r s 4 8 5 端有着一个隔离保护，它 可以承受电压高达3 0 0 0 v 的直流，因此可以将在传输网络在线的噪声隔离掉即使网络 上的设备因高电位的侵袭而损坏时，也不致于影响到监测计算机端，从而达到保护的目 的。 在工控机的r s 2 3 2 端，实际上使用的线路只有t x d 、r x d 和g n d 三条，通过电 路将信号转换后，变成两线式4 8 5 网络而得以在其线路上传递信号。因此，1 - 7 5 2 0 模块 实际上的动作只是将计算机端的信号标准电位做一个转换而已，本身不再做其他工作， 因此也可以将其看成是一个缓冲区。 该模块的具体规格如下【”i 。 协议：双线式r s - 4 8 5 ( d + ，d ) 协议 连接器：插入式螺丝固定的接线盒 速度：3 0 0 b p 卜1 1 5 2 0 0 b p s 范围可调 没有中继器时一个r s 4 8 5 网络最多允许有2 5 6 个模块 一个r s _ 4 8 5 网络在配有中继器时最多允许有2 0 4 8 个模块 隔离电压：3 0 0 0 v ( 直流1 需要中继器：4 0 0 0 英尺或超过2 5 6 个模块 电源要求：+ 1 0 v - 一+ 3 0 vd c 硕士论文机舱监测报警系统的开发设计与实现 耗电量：2 2 w ( m a x ) 2 5 3 数据采集控制模块 由于船舶机舱电磁环境恶劣、干扰严重，因此系统设计中选用的数据采集和控制模 块为抗电磁干扰能力很强且精度比较高的台湾泓格7 0 0 0 系列分布式模块。 其中数据采集部分使用了1 - 7 0 0 5 、1 - 7 0 1 5 、1 - 7 0 1 7 r c 、1 - 7 0 1 8 r p 和1 - 7 0 4 1 d 模块， 输出控制部分使用了1 - 7 0 6 0 d 模块，原理图如图2 1 1 2 1 5 所示。这些模块内已经包含 了与r s 4 8 5 总线的接口，因此它们可以将信号直接发送到r s 4 8 5 总线上，同时，只需 要向总线按模块地址发送命令，就可以实现对模块的控制，如配置模块信息、数据采集、 控制输出等等。 1 - 7 0 0 5 模块用来测量热敏电阻t 8 0 2 ，每个模块可以对8 个监测点进行数据采集。采 样率为每秒8 次，精确度为土o 1 。 1 - 7 0 0 5 模块的一些参数如下【2 4 1 。 输入电阻：1 m q 功耗：1 3 w 共态抑制比：8 6 d b 工作条件：2 5 + 7 5 零点飘移：1 0 州 1 - 7 0 1 5 r c 模块用来测量热电阻p t l 0 0 ，每个模块可以对6 个点进行数据采集。采样 率为每秒1 2 次，精确度为士o 0 5 。 1 - 7 0 1 5 r c 模块的一些参数如下【2 5 1 。 功耗：1 0 w 共态抑制比：1 5 0 d b 工作条件：2 5 + 7 5 零点飘移：0 5 删 1 - 7 0 1 7 r c 模块用来测量4 - - 2 0 m a 的模拟量信号，每个模块可以对8 个点进行数据采 集。采样率为每秒1 0 次，精确度为士o 1 。 1 - 7 0 1 7 r c 模块的一些参数如下2 6 1 。 输入电阻：1 2 5 q 功耗：1 3 w 共态抑制比：8 6 d b 工作条件：2 5 计7 5 零点飘移：2 0 9 v 。c 1 5 2 监测报警系统总体设计 硕士论文 图2 1 11 - 7 0 1 5 r c 原理图 1 - 7 0 1 8 r p 模块用来测量热电偶 信号，每个模块可以对8 个点进行 数据采集。采样率为每秒1 0 次，精 确度为士0 1 。 1 - 7 0 1 8 r p 模块的一些参数如 下【2 7 】 lo 输入电阻：1 m f 2 功耗：1 0 w 共态抑制比：8 6 d b 工作条件：2 5 + 7 5 零点飘移：1 0 1 s w c 图2 1 21 - 7 0 1 7 r c 原理图 图2 1 3i 7 0 1 8 i 心原理图 、r j 什 v h 钆 v h 髀 v h6 - 1 4 v i ni _ v h 叶 v h 乱 v h 7 4 - v h 再 v 细6 4 v h6 - v hl + v hi v 抽0 4 v hd - 1 - 7 0 4 1 d 模块用来测量开关量输入信号，每个模块可以对1 4 个点进行数据采集。输 入电压在+ l v 以下表示数字开关量“0 ，+ 4 v - - - + 3 0 v 表示数字开关量“1 ”。 1 - 7 0 4 1 d 模块的一些参数如下。 输入电阻：3 k q 功耗：1 0 w 工作条件：2 5 , - - + 7 5 1 - 7 0 6 0 d 模块用来测量开关量信号，每个模块有4 个继电器输出通道，和4 个输入 通道。本系统只用到了其中的输出通道。 1 - 7 0 6 0 d 模块的一些参数如下【2 8 1 。 输入电阻：3 k q 功耗：1 9 w 工作条件：2 5 - - , + 7 5 1 6 硕士论文 机舱监测报警系统的开发设计与实现 图2 1 57 0 6 0 d 原理图 在上述模块中，模拟量通道进行数据通信传输的格式有三种( 开关量通道只有第三 种格式) ： ( 1 ) i 程单位格式：采集得到的数据是以实际测量信号为单位，即测量热电阻的模块 得到的就是欧姆值，测量电流的模块得到的就是电流值； ( 2 ) 满刻度百分比格式：采集得到的数据是实际采集值占满量程刻度值的百分比，不 够直观，不常用； ( 3 ) 二进制补码格式：采集得到的数据是以1 6 进制形式给出，需要换算为实际的测 量值。 在本设计中使用二进制补码格式，主要基于如下两点。 ( 1 ) 从通信速度上考虑，二进制补码格式中一个模拟量通道数据只占用4 个字符，而 其他格式要占7 个字符，传输效率最高； ( 2 ) 从规范上考虑，开关量模块只有第三种格式，为保证开发程序时的一致性和通用 性，选择第三种格式最好。 1 7 2 监测报警系统总体设计硕士论文 2 6 传感器 船舶上使用的传感器主要有热电阻、热电偶、4 - 2 0 m a 压力传感器，开关量的输入 输出使用继电器。 其中，由于热电偶的测量精度没有热电阻高，所以大部分温度监测点都采用热敏电 阻进行监测，热电阻的类型为p t l 0 0 和t 8 0 2 。p t l 0 0 在数据采集后需要将阻值转换成 对应的温度，其通用的分度表如表2 1 所示【2 9 1 。 表2 1p t l 0 0 分度表 电阻值( q ) 温度( ) ol o2 03 04 05 06 07 08 09 0 01 0 0 o o1 0 3 9 01 0 7 7 91 1 1 6 71 1 5 5 41 1 9 4 01 2 3 2 41 2 7 0 81 3 0 。9 01 3 4 7 l 1 0 01 3 8 5 l1 4 2 2 91 4 6 0 71 4 9