（计算机应用技术专业论文）网络型船舶机舱监控系统的研究与设计.pdf

中文摘要 摘要 近年来，随着计算机技术、自动控制技术和信息技术的发展，现代化船舶的 自动化程度越来越高。而机舱监控系统是船舶自动化的主要组成部分，它能使轮 机员及时的掌握了解机舱中的主、辅机等各种设备和各系统的运行状况，并对各 系统运行参数进行实时控制。对船舶的安全航运起着重要的作用。鉴于目前我国 建造的大部分船舶中的自动监控系统采用国外产品的情况，因此，开展先进的网 络型机舱监控系统的研究具有非常重要的意义。 本文在分析国内外船舶机舱监控系统的结构特点和发展趋势的基础上，研究 设计了网络型机舱监控系统和船舶综合管理局域网络，该网络系统现场级采用了 p r o f i b u s 现场总线技术，实现了对机舱各种重要设备运行状态的监测、报警和 控制；网络的管理级采用局域网技术，实现了全船各种控制系统的信息集成和资 源共享。 本文对机舱监测报警系统的各种功能，包括报警设定、报警闭锁、延伸报警、 报警延时等进行了深入的分析研究，并对现场总线技术进行深入研究，提出了以 现场总线为基础来构造船舶机舱监测报警系统的设计思路。探讨了采用p r o f i b u s 现场总线技术的具体方式，重点研究了其中的p r o f i b u s d p 协议及其报文结构。 此外，还论述了基于集散型结构的多级分布式船舶机舱综合管理系统，介绍了船 舶综合管理局域网的设计依据，包括船舶局域网的特定环境、通信介质的选取、 网络的拓扑结构及船舶局域网的组网配置等问题。 在完成网络型机舱监控系统设计的基础上，采用m c g s 组态软件平台，进行 了机舱监测报警系统各项功能实现的仿真，在上位计算机完成了数据采集处理、 数据集中显示和图形显示等各种功能的软件编程。 本文进行的研究对实现我国船舶自动控制系统的国产化做了有益的探索。 关键词：船舶、机舱、集中监控、现场总线、组态软件、以态网 英文摘要 a s t u d ya n dd e s i g no nt h en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m o ts l l l pe n g l n er o o m a b s t r a c t a l o n gw i t h t h er e c e n t d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , a u t o m a t i cc o n t r o la n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e eo fm o d e ms h i pi s s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e d a st h ep r i m a r yp a r to fm o d e ms h i pa u t o m a t i z a t i o n ，e n g i n er o o ms u p e r v i s i o n s y s t e mm a k e se n g i n e e rt i m e l yc o m m a n dt h eo p e r a t i o no fm a i na n da u x i l i a r y e q u i p m e n t ss y s t e m s ，a n dt h er e a l t i m ec o n t r o lo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so fs u bs y s t e m s e n g i n er o o mi sc r i t i c a lt ot h es e c u r i t yo fs h i pv o y a g e s i n c em o s ta u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e mo fs h i p sa d o p ti m p o r t e dp r o d u c ti nc h i n a ，i ti ss i g n i f i c a n tt oc a r r yo nr e s e a r c ho f a d v a n c e dn e t w o r k i n gs u p e r v i s i o ns y s t e mf o re n g i n er o o m b a s e do na n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n go fc o n t e m p o r a r yd o m e s t i ca n do v e r s e a ss h i p e n g i n er o o ms u p e r v i s i o ns y s t e ma r c h i t e c ta n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，t h ea u t h o rd e s i g n s n e t w o r km o n i t o rs y s t e mf o re n g i n er o o ma sw e l la sm a n a g e m e n tl o c a ln e t w o r kf o rs h i p t h en e t w o r ks y s t e mi n t r o d u c e sp r o f i b u st e c h n o l o g yi nt h ep l a n tt oa r c h i v e sm o n i t o r , a l a r ma n dc o n t r o lo fv a r i o u sm a i ne q u i p m e n to p e r a t i n gs t a t u s t h en e t w o r ks y s t e m i n t r o d u c e sl o c a ln e t w o r kt e c h n o l o g yi nm a n a g e m e n t ，a r c h i v e si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n a n dr e s o u r c e s h a r i n go fv a r i o u sc o n t r o ls y s t e mo ft h ew h o l es h i p t h et h e s i sa n a l y z e sa n ds t u d i e sv a r i o u sf u n c t i o n so f s h i pm o n i t o ra n da l a r ms y s t e m ， i n c l u d i n ga l a r ms e t u p ，a l a r ml o c k ，e x t e n d e da l a r m ，a n da l a r md e l a y i ta l s or e s e a r c ho n f i e l db u st e c h n o l o g yd e e p l y , p r o p o s e sad e s i g na p p r o a c hb a s e do nf i e l db u sf o rs h i p e n g i n er o o mm o n i t o ra n da l a r ms y s t e m i td i s c u s s e sa d o p t i o no fp r o f i b u st e c h n o l o g y i n d e t a i l s ，s t u d yp r o f i b u s d pp r o t o c o la n dm e s s a g es t r u c t u r ei np a r t i c u l a r i n a d d i t i o n ，i td i s c u s s e sm u l t i - l e v e l d i s t r i b u t e de n g i n er o o mi n t e g r a t e dm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，i n t r o d u c e st h ed e s i g np r i n c i p l eo fs h i pi n t e g r a t e d m a n a g e m e n to fl o c a ln e t w o r k ，i n c l u d i n gs p e c i a le n v i r o n m e n to fs h i pl o c a ln e t w o r k ， c o m m u n i c a t i o nm e d i a c h o s e n ，t o p o l o g i cs t r u c t u r ea n dn e t w o r k i n gc o n f i g u r a t i o no fs h i p l o c a ln e t w o r k 英文摘要 w i t ha c c o m p l i s h m e n to ft h ed e s i g no fn e t w o r k i n gs u p e r v i s i o ns y s t e mf o re n g i n e r o o m ，t h ea u t h o rc h o o s e sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em c g st oc a r r yt h r o u g hs i m u l a t i o no f v a r i o u sf u n c t i o no fe n g i n er o o mm o n i t o ra n da l a r ms y s t e m a l s ot h ea u t h o rc o m p l e t e s t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n go fd a t ac o l l e c t i o n ，c e n t r a l i z e dd a t ad i s p l a y , a n dg r a p h i c d i s p l a yf u n c t i o n so nh o s tc o m p u t e r t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sc o n t r i b u t e st oa r c h i v ed o m e s t i cm a n u f a c t u r i n go fs h i p a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d ：s h i pe n g i n er o o m ；c e n t r a l i z e ds u p e r v i s i o n ；f i e l db u s ；c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ；e t h e r n e t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 竺日经型照燃监盘空幽丛泣鱼趋量： 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：稿强少莳年8 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密i ( 请在以上方框内打“ ) 论文作者躲佩新签名：缈 日期： p o j 3 月) 7 日 网络型船舶机舱监控系统的研究与设计 第1 章概述 1 。1 引言 随着世界经济的一体化和贸易的快速发展，船舶在经济贸易中的作用显得越 来越重要。近年来，现代船舶设备和系统的结构日趋复杂，功能渐臻完善，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越显重要。因此，要 求船舶需要配备功能强大、技术先进的自动监控装置，以确保船舶各系统协调配 合、安全可靠地运行。 船舶的动力设备主要集中在机舱，船舶机舱自动化系统是船舶自动化系统极 其重要的组成部分，船舶机舱自动化系统主要包括：机舱自动监测报警系统、主 机遥控系统、电站自动化系统、安全保护系统等。其中船舶机舱自动监测报警系 统是其中最重要的设备，是实现“无人机舱( u 】s ) 船舶的关键设备。n 3 因此，本文以船舶机舱自动监测报警系统为切入点，研究网络型船舶机舱监 控系统的结构、功能和实现方法。 1 2 船舶机舱自动监测报警系统的发展与现状 二十世纪5 0 年代航运发达国家为降低运输成本，提出了“船舶自动化”概念， 实现了某些单个系统的自动化，如自动舵、自动锅炉、柴油机装置的压力、温度 和液位的自动调节等。这时期因未构成一个完整的集中控制系统，而称为单元装 置自动化阶段。 6 0 年代初，随着电子技术的发展，日本、丹麦等国家首先推出机舱集中监控 系统，对机舱设备实现集中控制、集中监视和遥控，实现了机舱夜间无人值班。 由于这时的机舱自动化监控系统主要采取以模拟信号为主的侧量装置和自动化仪 表，故被称为模拟式( a c c ) 监控系统。 7 0 年代，随着船舶主机、辅机和各种自动化设备可靠性的进一步提高，特别 是电子计算机技术的发展，形成了所谓的“超自动化船 。这些“超自动化船”把 数字计算机引入了监控系统中，目的是充分发挥计算机强大的运算和控制能力， 概述 对机舱设备进行巡回检测、调节控制、记录轮机日志等，形成了所谓的计算机集 中监控系统( c c s ) 。但这种结构的监控系统会出现由于计算机故障而导致整个系 统瘫痪的情况，使风险也相对集中。 8 0 年代后，随着计算机及其计算机网络通信技术的发展，特别是微处理器的 广泛应用，微机在船舶自动化领域的应用也越来越广泛，出现了集散型微机监控 系统，其又称分布式多级微机控制系统。它是由数字调节器、可编程控制器( p l c ) 以及多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的控制系统。该类系统的主要特点 是把过去由一台小型计算机独自承担的监控任务合理的分散成多个子系统，并由 多台微机或控制器分别实现各个子系统的监测与控制。同时，为了便于集中管理， 还通过高速微机局域网( l a n ) 将各个子系统的主控单元和上层( 管理层) 计算 机互连在一起，实现了控制信息的共享。船舶集散型系统中采用的局部网络有著 名的以太网、s t l ( s t e u a ) 和d a t a h i g h w a y 等。 初期的集散型系统在各子系统内部大多采用模拟信号传输，即在主控单元与 现场仪表之间使用统一的模拟信号来实现数据采集和控制命令下传，所以在现场 设备和主控单元之间需敷设大量电缆，增加了船舶造价。另外，模拟信号长距离 传送所引起的干扰也很严重。典型子系统如西门子公司的s i m o s 3 2 型集中监测和 报警系统。 后期，一些公司应用传统控制网络技术对子系统进行了改造，即在控制对象 附近放置现场处理单元来实现模拟信号的收发，而现场处理单元与主控单元之间 则通过b i t b u s ，r s - 4 8 5 或电流环等网络进行数据交换。这种改造虽然起到了一 定的效果，并己成为船舶机舱监控系统的主流，但由于传统控制网络的固有缺陷， 所以未能实现真正意义上的全分布式控制。而且各公司所建控制网络的封闭性， 也阻碍了船用现场控制设备间互换与互操作的实现。这类系统的典型代表有德国 西门子公司的s i m o si m a 3 2 c 系统和挪威n o r c o n t r o l 公司的d a t ac h i e f1 0 0 0 系统。 进入九十年代后，随着现场总线技术的不断完善，现场总线控制系统在陆上 工业领域中的应用也越来越成熟，将此技术应用于构建船舶机舱监控网络系统已 成为一种必然的发展趋势。由此出现了全分布式系统，此类系统应用现场总线作 为各个子系统的内部控制网络，并将监控功能进一步下放，利用智能i o 模块、智 塑竺型墅塑垫丝些丝墨竺塑堕窒兰堡盐 能变送器、数字传感器和执行器在现场一级实现控制系统的组态，因此提高了现 场信息的可利用程度，增强了整个系统的可靠性。并且由于采用了开放的现场总 线通信协议，所以既实现了控制设备的互换和互操作，又使得监测报警系统、主 机遥控系统、电站自动化系统等机舱监控子系统之间的互连更为方便，为船舶机 舱综合控制信息系统的构建与实现打下了坚实的基础。 目前，该类系统的代表产品有n o r c o i n i r o l 公司开发的d a t ac h i e fc 2 0 系 统和上海船舶运输科学研究研所下属的上海三进科技发展有限公司研制的c j b w 1 0 0 型系统。由于有关国际标准还在制定之中，所以上述系统的功能还有待进一步 搴盖 2 】 u 口。 从上面的分析可以看到，船舶机舱监控系统的发展进程集中反映了计算机、 通信技术在控制领域应用的不断扩展。因此，把握住现场总线技术给自动控制领 域带来的新发展机遇，结合我国国情，开发出跟踪世界先进水平的船用控制系统 己经成为当务之急。 1 3 论文研究背景及主要研究内容 船舶综合监控系统是现代自动化船舶中最基本和最重要的系统。近年来，随 着自动化和计算机技术的不断发展，船舶自动化的水平不断提高，其中船舶集中 监控系统已体现了当前世界上最先进的科学技术水平，特别是近年来出现的网络 型船舶集中监控系统。因为该系统可以保证船舶动力设备安全可靠的运行，及时 提出故障报警信息。我国目前正在成为世界造船大国，但船上的大部分高、精、 尖产品仍需要进口，尤其远洋船舶中的机舱监控装置基本都采用国外产品。本课 题从这一角度出发设计了网络型船舶监控系统，使用这类综合监控系统，不仅可 以提高船舶的监测、控制和管理水平、减少船员配制，避免操作失误和操作不当、 减少人为因素造成的海上事故和人命财产损失，降低营运成本，提高船舶营运的 安全性、可靠性，而且可以尽快实现船舶各种设备的国产化，具有特别重要的意 义。 本论文主要做了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 对船舶机舱集中监测报警系统的发展与现状做了详细的调查，并对其结 构和功能进行了分析研究； 概述 ( 2 ) 分析了现场总线系统的结构特点和技术特点，提出了采用以现场总线为 基础的船舶机舱自动化系统的思路，研究了当今流行的几种现场总线标准并论述 了在船舶机舱中采用现场总线技术的优越性； ( 3 ) 从p r o f i b u s d p 的通信规范入手深入研究了d p 通信的内容，物理层、 数据链路层以及用户层提供的服务。并根据数据链路层与用户层的规范提出了一 种独立从站设计的软件思想。组态配置了电线生产线系统上调配使用的一个d p 装 置- d p 编码器； ( 4 ) 设计了以p r o f i b u s 现场总线为基础的船舶机舱监控系统的总体结构，给 出了设计方案，其中包括主站，从站以及p l c 的选择，并对机舱监控报警系统的 功能进行了深入的研究； ( 5 ) 对船舶局域网的特定环境进行了分析，根据实际情况决定了局域网的通 信介质的选取，网络的拓扑结构，网络的介质访问控制协议，以及局域网的组网 配置。并设计了机舱综合管理系统的总体结构； ( 6 ) 开发了船舶机舱集中监测报警系统的应用软件，重点在组态软件m c g s 的平台下，开发了上位机的应用软件。并实现了上位机与下位机的通信。 网络型船舶机舱监控系统的研究与设计 第2 章现场总线技术及在船舶中的应用 2 1 现场总线技术 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、 企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线( f i e l d b u s ) 就 是顺应这一形势发展起来的新技术。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该 领域的发展产生重要影响。口1 ( 1 ) 现场总线与现场总线控制系统 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场 总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计 算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制 仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测 量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换， 形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完 成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散 的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生变化。现场总线使自控 系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。 因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算 机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展， 而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟 信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与 堡堑璺垡垫查垄垄丝塑主竺壁旦 外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集 成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、 造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字 通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就 是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、 交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程控制设备之间及 其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了 条件。 现场总线控制系统( f c s ) 既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。 它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为 网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报 警、显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、 控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 现场总线控制系统是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表 控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 之后的新一代控制系统。5 0 年代以前，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在现场的、 只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号封闭在各测控点内，无法与外界 沟通信息，操作员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。随着生产规 模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信 息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控 制室。现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0 0 2 - 0 1 m p a 的气压信号，o 1 0 m a 、4 一- , 2 0 m a 的直流电流信号，l 5 v 直流电压信号等，送往集控室。由于模 拟信号传输所引起众多问题，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了采 用直接数字控制方式的集中式数字控制系统。但由于当时计算机可靠性较差，一 旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪的严重局面，这种危险的集中系 统结构很难被接受。随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了由数 字调节器、可编程控制器( p l c ) 以及多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的 集散控制系统( d c s ) 。d c s 系统的测量变送仪表一般为模拟仪表，因而是一种模 拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较以往系统有了很大进步，可在此基 网络型船舶机舱监控系统的研究与设计 础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在d c s 系统的形成的过程中，由于 受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，难 以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。 测 控 能 力 指 数 现场总线 5 0 年代 时问 图2 1 各阶段测控仪表能力指数 f i g 2 1e v e r ym o m e n tt t & co fc a p a b i l i t yi n d e x 新型的现场总线控制系统则突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来 实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的 解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场 总线网络连接成系统。同时把d c s 集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型 全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基 本控制功能。它还可与因特网( i n t e m e t ) 、企业内部网( i n t r a n e t ) 相连，且位于生 产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底层网( 1 n f r a n e t ) 。伴随着控制系统结 构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在不断完善与发展。图2 1 为各 阶段测控仪表能力指数示意图。( 注：指数非精确数字) ( 2 ) 现场总线系统的特点 1 ) 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对 一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室 的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理 现场总线技术及在船舶中的应用 连接。， 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室 的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场 的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不 依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。图 2 2 为现场总线系统与传统控制系统的结构对比示意图。 挺匿 传统控制系统结构示意图现场总线控制系统示意图 图2 2 现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较 f i g 2 2f i e l db u sc o n t r o ls y s t e ma n di r a d i t i o nc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fc o m p a r e 2 ) 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： 系统的开放性，通信协议是公开的，各不同厂家的设备都可以与遵守相同 标准的其它设备或系统连接，从而把系统集成的权利交给用户。 互可操作性与互用性，互可操作性指实现互连设备间、系统间的信息传送 和沟通，互用性则意味着不同厂家的性能类似的设备可以相互替换。 现场设备的智能化与功能自治性，它将传感测量、补偿计算、工程量处理 与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功 能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性，现场总线是一种彻底分散性的控制系统，简化了 系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性，作为控制系统底层的现场总线，是专为现场环境而 凰一一 翟 塑竺型塑塑翌! 丝些丝奎堑箜堕茎兰堡生 设计的，通信介质可为双绞线、同轴电缆、光缆、甚至电力线，能采用两线制实 现送电和通信。并可满足本质安全防爆要求等。 ( 3 ) 几种典型的现场总线 现场总线的这些特点与船舶控制网络的要求有相似之处，而现场总线用作机舱 监控也有先例，下面就介绍几种适于机舱监控的现场总线。 1 ) p r o f 陬u s 自1 9 8 4 年开始研制现场总线产品，现以成为欧洲首屈一指的开放式现场总线 系统，欧洲市场占有率大于4 0 ，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动 化、发电与输配电等领域。1 9 9 6 年6 月p r o f i b u s 被采纳为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 第二卷。p n o 为其用户组织，核心公司有：s i e m e n s 公司，e + h 公司，s a m s o n 公 司，s o r t i n g 公司等。 p r o f m u s 技术特性：p r o f i b u s 以i s 0 7 4 9 8 为基础，以开放式系统互联网 络o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o n ) 作为参考模型，定义了物理传输特性，总线 存取协议和应用功能。p r o f m u s 家族包括p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ， p r o f i b u s f l v l s 。p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e f i p h d r y ) 是一种高速和便宜 的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的i o 之间进行通信。 p r o f 毋u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用来解决车间级通用性通信任务。 与l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 构成应用层，f m s 包括了应用协议并向用户提供 了可广泛选用的强有力的通信服务，l u 协调了不同的通信关系并向f m s 提供了 不依赖设备访问数据链层。p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 专为过程自动化 而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。根据i e c 6 1 1 5 8 - 2 国际 标准，p r o f i b u s p a 可用双绞线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的 p r o f i b u s d p 协议和描述现场设备的p a 行规。当使用电缆藕合器，p r o f m u s p a 装置能很方便的连接到p r o f m u s - d p 网络。 2 ) c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ，控制局域网络) 是主要用于各种过程监测及控制 的一种网络。最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部侧量与执行部件之间的 数据通信。其技术规范现己被i s o 国际标准组织制订为国际标准，由于得到了 m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p 。s i e m e n s ，n e c 等公司的支持而被广泛应用在分散控制领 现场总线技术及在船舶中的应用 域。其模型结构只有三层，即o s i 的物理层、数据链路层和应用层。通信介质采 用双绞线，通信速率可达1 m b p s 4 0 m ，直接通信距离可达1 0 k m 5 k b p s 。可挂接设 备数多达1 1 0 个。c a n 支持对等式结构，网络上的节点可设置优先级，以满足不 同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术。可以点对点、点对多点以及广播式 发送及接收数据。c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个。c a n 节点在 错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，避免影响 总线上其它节点的操作。 3 ) f f 总线 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于任何企业的公正的非商业 化的国际标准化组织。其体系结构采用了物理层、数据链路层、应用层、用户层。 采用令牌总线工作方式，传输介质支持双绞线、光纤和无线介质。传输信号采用 曼彻斯特编码。 4 ) l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美国e c h e l o n 。 公司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公布而形成的。其 网络芯片n e u r o n 芯片集成了i s o o s i 的全部七层协议，同时具有通信和控制功能， 提供了3 4 种常见的i o 控制对象，工作温度范围宽( - 4 0 - 8 5 ) 。 l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外线、光 缆，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式，网络收发器有直接驱动、 e i a 一4 8 5 型、变压器藕合接q _ - - 种形式，满足了不同要求同时传输信号采用差分曼 彻斯特编码，使网络具有很强的抗干扰能力。在采用双绞线、波特率为7 8 k b p s 的 通信网时的直接通信距离可达到2 7 0 0 m ，加上其功能强大的硬件支持使得很容易 在一定的空间范围内构成功能繁多的系统。 l o n w o r k s 控制网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 坚持c s m a ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a ) ，使得在网络超载时仍保持很高的吞吐量。 网络结构既可采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设备 的开发、调试和安装设备，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行，可 实现网络的离线、在线设计、在线调试或通过p 网的远程调试。 l o n w o r k s 控制网络的网络通信采用了面向对象的设计方法，应用编程时不用 塑堡型丝塑翌! 丝竺墼至丝塑堕壅兰垦盐 花时间考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的开发环境，易于开发、安 装和调试。 开放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级。 ( 4 ) l a n f i e l d b u s 的网络结构 进入9 0 年代中期，随着计算机、控制、网络通信技术的不断发展，企业网络 的结构形式发生了较大变化。i n t e r a c t 所采用的通信协议t c p 珥成为事实上的工 业标准，并引入到了广泛的应用领域；再加上p c 机、工业p c 机逐渐取代工作站、 小型机成为企业的主流机型，企业网络结构受到因特网和通信技术发展的冲击与 影响，在功能和物理层次上均有所改进。近年来，在不少企业的网络中，删p 通信协议占领了贰) p m a p 层通信协议的位置，多层分布式子网的结构逐渐为以 太网、f d d i 主干网所取代。 ， 由于现场总线所处的特殊环境及所承担的实时控制任务，是普通局域网所难 以取代的，同时，由于现场控制层对通信量的要求较低，而一般工厂底层的设备 量又很大，往往宥几百、甚至上千台设备，在这种环境下采用现场总线可以节省 大量投资，因而现场总线依然保持着它在底层控制网络的地位和作用。 将现场总线段通过通信控制器直接挂接在以太网上，是目前许多企业普遍采 用的方法，它们形成了图2 3 所示的简洁结构，即l a n f i e l d b u s 的网络结构。 鱼凰凰 ；驻势嚣 ；： 幸； i = l 珏嚣极 ； ； 二，璜萄澄荔朗段r 孵嚣ii 援场嫒备绷疆一r 二 图2 3l 砧叭l d b u s 的网络结构 f i g 2 3l a n f i e l d b u so fn e t w o r ks 口1 1 c 眦 罐一一 晶 塑堑璺垡垫查墨垄丝塑! 竺鏖旦 2 。2 船用现场总线控制系统 ( 1 ) 以现场总线为基础的船舶网络系统 随着科学技术的进步，船舶自动化水平越来越高，目前我国部分远洋船舶己 实现了无人机舱。国外己开发出一人驾驶台船舶，这种船舶大都采用了计算机网 络技术，利用网络型船舶自动化系统实现控制管理一体化。从船舶应用的整体角 度出发，一般可将其网络系统分为三层：管理层、船舶控制层、现场设备层。h 1 管理层网络一般是将p c 机、打印机、扫描仪和备份系统等互连在一起的普通 局域网，它主要包括管理船员工资单、船舶备件数据库以及通过因特网与岸上通 信等日常事务性信息处理工作。其网络一般采用和陆上相同的商用以太网，软件 则是由微软等公司提供的通用软件。 船舶控制层又称为综合船桥，它涉及到与船舶运行、船舶( 包括人员、货物) 的安全以及环境保护等相关的决策与控制。为了有效控制船舶的运营状况，综合 船桥一般需要能直接访问导航、发电、动力机械、火灾警报等子系统。由于该层 网络的重要地位，所以对其在安全性、可用性、冗余性等方面的要求己经超过了 普通的局域网。为此，国际电工委员会( c ) 专门制定了i e c 6 1 1 6 2 4 标准，该 标准以挪威首创的m 1 t s ( m a r i t i m ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys t a n d a r d ) 为蓝本，采 用1 0 0 m 以太网为基本架构。目前，c 6 1 1 6 2 4 己经通过验证，在船舶中的应用 不断增长。 现场设备层网络主要是指存在于动力装置、导航系统等相对独立的系统中用 以实现控制设备和电子装置互连的网络。其主要作用是满足现场设备之间实时、 可靠的通信需要，并通过网桥或p c 机向上一层提供现场信息和访问控制的接口。 该层网络可以应用现场总线技术来实现，目前船舶自动化领域的各大公司都在开 发相应的产品，一些国际组织也在制定类似的开放的网络体系框架。构建基于现 场总线技术的船舶信息集成系统己经成为一种必然的趋势。 ( 2 ) 船用现场总线控制系统的优点 由于现场总线的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、 安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。对于在海上航行的船 舶来讲，要求系统有良好的性能，采用现场总线系统更能体现出优越性。 一 堕竺型丝塑翌! 丝些丝墨竺塑堑壅皇堡盐 1 ) 提高了船舶测控系统的准确性与可靠性，由于现场总线设备的智能化、数 字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量和控制的精度，同时，由于系统的 结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输， 提高了系统的可靠性； 2 ) 节省硬件数量与投资，由于现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警 和计算功能，因而可减少变送器、调节器，在船舶机舱中，空间有限，现场总线 的应用可减少隔离器、端子柜、i o 柜和信号电缆，既节省了空间，又节约了系统 的投资； 3 ) 用户有高度的系统集成主动权，用户可以选择不同厂商所提供的设备来集 成系统，避免了因使用某一品牌的产品而限制了选择范围，这点对船舶十分有利， 由于功能类似而满足相同现场总线协议的产品可以有许多不同的厂家提供，因此 不会出现某一设备故障而找不着合适备件更换的情况； 4 ) 节约安装费用，现场总线系统的接线简单，一条电缆或一对双绞线上可挂 接多个设备，可减少端子、接头等，连线设计与校对的工作量也大大减少，当需 要增加新的设备时，不需增设新电缆，直接挂接在原先的电缆上即可； 5 ) 节省维护开销，由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通 过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，以便用户早期分析故障原因和快 速排除，同时，由于系统结构的简化，也减少了维护工作量。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构 等优点。 2 3 现场总线的选择 p r o f i b u s 是目前欧洲应用最广泛的开放式现场总线技术，总线产品占欧洲 市场份额超过4 0 ，居首位。同时，p r o f i b u s 目前也占有全世界最大的现场总线 份额，广泛应用于制造业自动化、过程自动化、电力、楼宇、铁路交通等领域。 p r o f i b u s 如此良好的发展势头，与它自身的特点密切相关。与其它现场总线技 术相比，p r o f i b u s 具有它独特的优势，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) p r o f i b u s 现场总线技术既是欧洲标准，同时也是国际标准； ( 2 ) p r o f i b u s 现场总线特别是它的d p 部分已经具有非常广泛的应用基础， 型堑璺垡垫查垄垄丝塑! 塑壁旦 支持厂商多，用户量大； ( 3 ) p r o m u s 具有d p ，p a 及f m s 三个兼容的部分，可以满足多个领域的 自动化需求，并提供从工厂级到现场级的全方位解决方案； ( 4 ) p r o f i b u s 的协议体系相对简单，同时经过多年的发展，现在己经具有 成熟的开发及验证工具可以利用，系统的开发实现比较容易，易于推广； ( 5 ) 成立了专门的国际组织来维护其发展； ( 6 ) 具有西门子这样的国际性大公司的支持。 正是因为p r o f i b u s 具有上面的优势，因此它具有很好的发展前景。目前