（机械电子工程专业论文）基于异构网络的船舶设备远程监测系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文首先分析了国内外船舶设备监控系统的发展与现状。然后，对基于异构 网络的船舶设备监测系统及其楣关技术进行了详细深入的探讨。最后，以c a n 总线技术、w e b 技术为基础，将船载监测网络与岸基数据网络融为一体，设计 开发出一套基于异构网络的船舶设备远程监钡8 系统。该系统由船载机舱监测系 统、岸基通讯子系统和岸基机舱远程监测系统组成。 系统以c a n 现场总线和船舶以太网为基础，构建船载系统的通讯网络，在 v i s u a lb a s i c n e t 的软彳孛开发平台下，设计开发了船载机舱监控系统，实现了船 载机舱系统的管控一体化。 剩用j s p 及w e b 技术设计开发了基于g t 8 0 0 数字集群通讯业务的船载通讯 子系统，实现了船舶局域网与i n t e m e t 及船公司局域网的无缝互联。 设计开发了基予c a n 总线的数据采集模块，并加入抗干扰设计，很好的完 成数据采集与通信饪务，并降低了系统成本。 借助d r e a m w e a v e r 软件开发工具，以s q ls e r v e r 为岸基监测系统的网络数 据库平台，利用j s p , j d b c 和e j b 等j 2 e e 技术，设计开发了岸基杌舱远程监测 系统。该系统使远程专家和船舶设备厂商可以通过i n t e m e t 对船舶设备的运行工 况进行分析，提出维护指导意见，以及实现枫务人员的异地办公。同时，本系 统为远程故障诊断与专家系统的开发提供了数据和网络平台，为船岸管控一体 化的实现奠定了坚实的基础。 理论与实践证明，构建基于异构网络的船舶机舱远程监测系统，紧跟现代船 舶技术发展步伐，进雩亍船载监控系统同岸基管理系统的互连与数据共享的研究， 符合船岸管控一体化的发展趋势。 关键词：远程监测，g t 8 0 0 ，c a n 总线，w e b 技术，船舶设备 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h et h e s i sd e s i g n e dt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k - b a s e dr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m o fs h i pe q u i p m e n t f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y s et h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no f t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fs h i pe q u i p m e n t f u r t h e r m o r et h ea u t h o rs t u d yt h et e c h n o l o g y o ft h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k - b a s e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t s y s t e m o fs h i p e q u i p m e n ti n - d e p t h f i n a l l y , b a s e do nt h et e c h n o l o g yo ft h ec a n b u sa n dw e b ，t h e a u t h o rd e v i s e da n dd e v e l o p e dt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o k - b a s e dr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mo fs h i pe q u i p m e n t t h es y s t e mi sc o m p o s e do ft h en a u t i c a lc o n t r o ls y s t e mo f e n g i n er o o m ，o n s h o r er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fe n g i n er o o ma n ds h i p s h o r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m o nt h eb a s i so fc a n b u sa n de t h e m e to f s h i p s t h e a u t h o rc o n s t r u c t e da c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o r s h i p b y t h et o o l so fv i s u a l b a s i c n e t , t h ew r i t e r d e v e l o p e dam o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fe n g i n er o o m w h i c hc o m b i n e dt h ec o n t r o l s y s t e mw i t l lm a n a g e m e n ts y s t e mi ne n g i n er o o m b yt h ea p p l i c a t i o no fg t 8 0 0a n dj s p , t h ew r i t e rd e v e l o p e dt h es u b s y s t e m s o fn a u t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do n s h o r ec o m m u n i c a t i o n w h i c hr e a l i z e d s h i p s h o r e i n f o r m a t i o ns h a r i n g r e a l i z et h es e a m l e s si n t e r c o n n e c t i o no fs h i p sl a n , i n t e m e ta n ds h i p c o m p a n yl a n w ed e s i g na n dd e v e l o pd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e do nc a n b u sa n da d d a n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n i n g i tc o m p l e t e sd a t aa c q u i s i t i o n gt a s ka n dd e c r e a s e ss y s t e m c o s t o n s h o r er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m o f s h i pe q u i p m e n t i s d e v e l o p e db y d r e a m w e a v e r a n dt h ed a t a b a s eo ft h i ss y s t e mi sc o n s t r u c t e db ys q ls e r v e r b yt h e a p p l i c a t i o no fj s p , j d b ca n de j bt e c h n o l o g y , t h er e m o t ee x p e r t sa n de q u i p m e n t m a n u f a c t u r e rc o u l di n s t r u c tt h ea c t i o no fc r e wo n b o a r dt h r o u g ht h ei n t e r n e t a tt h es a m e t i m e ，t h i ss y s t e mp r o v i d e sd a t aa n dn e t w o r kf l a tf o rr e m o t ef a u l td i a g n o s i sa n de x p e r t s y s t e m ，a n di ti sa l s ot h ef o u n d a t i o no fs h o r e b o a r dc o n t r o l m a n a g e m e n ti n t e g r a t i o n p r o v e d b yt h e o r ya n da p p l i c a t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o no fh e t e r o g e n e o u s i i 武汉理工大学硕士学位论文 n e t w o r k - b a s e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fs h i pe q u i p m e n ti s aa d v a n c e d t e c h n o l o g y , w h i c hi n t e r l i n kt h em o n i t o r i n gs y s t e mo n b o a r da n dt h em a n a g e m e n ts y s t e m o n s h o r e t h i si sa l s ot h et r e n do fs h o r e - b o a r di n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，g t 8 0 0 ，c a n b u s ，w e b ，s h i pe q u i p m e n t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期2 丝笪塞卿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论支的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采瘸影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名 日期兰兰至塑 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着现代船舶系统的日趋高性能化和结构复杂化，出于安全保障和经济效 益的考虑，及时准确和动态地掌握船舶系统的运行状态以及预测、诊断潜在和 存在的故障，成为现代船舶技术管理的重要内容和追求的目标。由于现代船舶 系统的状态监测和故障诊断技术正朝着多种方法集成，即监测诊断维 护决策相结合的方向发展，这使得状态监测与故障诊断技术具有典型的信息融 合( i n f o r m a t i o nf u s i o n ) 特征，同时使系统被赋予了网络( n e t w o r k ) 化的特点。这势必 要求运用信息融合思想，充分利用多源数据的互补性及计算机的高速运算能力 来提高结果信息的质量，通过网络解决系统测点数量多、分布广、监测、诊断、 操作和管理困难等问题【l j1 2 1 。 伴随现场总线( f i e l d b u s ) 技术、i n t e m e t i n t r a n e t 技术和海上卫星通讯技术的发 展和运用，将船载测控网络与岸基数据网络融为一体，实现船舶机舱的远程监 测与故障诊断系统、视情维护系统以及船岸管控一体化系统是现代船舶技术发 展的方向，而船舶机舱的远程监测系统的建立是实现其他系统的关键所在p j 4 1 。 1 1 船舶机舱监测系统的发展与现状 随着计算机技术，特别是微型计算机技术的飞速发展，计算机在船舶机舱 自动化中的运用越来越广泛，尤其是在机舱自动化中的信息处理和实时控制方 面的应用更为突出。它能代替轮机员正确地实现对机舱中的主辅机等设备和各 系统的巡视管理和控$ i j t 4 1 。 船舶机舱监测系统大体经历了从集中式结构、分布式结构( d c s ) 、现场总线 控制系统( f c s ) 至i j 全船网络型几个阶段。从这些结构的变化可以看出，船舶机舱 监测系统的结构模式发生了重大的变化。从可靠性和安全性的角度出发，现在 越来越强调将由局部监测单元( l o c a lu n i t ) 构成的子系统安装在监测对象近旁，通 过通信网络将数据发送到网络各计算机。这种结构大大减少了各种电缆的连接， 从而也大大降低了它们之间相互干扰的可能性 5 1 - 1 0 】。 ( 1 ) 集中型监测系统 武汉理工大学硕士学位论文 这种系统的典型特点是采用一台功能强、速度快的小型( 或中型) 计算机在集 控室对机舱中的动力装置和系统实行集中监视和控制。它可以监测上百个参数， 对开关量和模拟量进行监控( 开环或闭环控制) ：可同时代替十几个模拟调节器， 例如：温度、压力、粘度、转速等调节器，对十几个被控参数实现p i d 自动调节。 此类系统的典型代表如挪, 或n o r c o n t r o l 公司的d a t a c h i e f - i i i 系统。 机舱集中型计算机监控系统在七十年代初具有一定的先进性，但是，由于 该类系统造价昂贵、可靠性差，尤其在可靠性方面，一旦计算机发生故障，则 整个系统完全瘫痪。这给用户带来了极大的不安全感，所以，它的发展受到较 大的限制。 随着大规模集成电路技术的飞速发展，各种造价低、功能强、可靠性高的 微型计算机纷纷出现，广泛应用于工业过程控制。而八十年代中期计算机网络 通信技术的快速发展则为集散型监控系统的出现创造了更加良好的条件。 ( 2 ) 分布式机舱数据监测系统 上世纪8 0 年代后期、9 0 年代初，随着4 c 技术( 计算机技术 c o m p u t e r 、控制 技术 c o n t r 0 1 、通信技术 c o m m u n i c a t i o n 和图形显示技术 c i 盯】) 的发展，使得由 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集中、分散型结构的 分布式多微机网络控制系统( 简称d c s ) 得以实现，使得数据监测点大大拓展。该 系统采用危险分散、控制分散、操作和管理集中的基本设计思路，适应现代监 控的要求。 这一时期的机舱监测系统主要是建立在集散控制系统架构的基础之上。主 要特点是把过去由一台小型计算机独立承担的监控任务合理地分散成多个子系 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，通过高速微机局域网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，实现控制信息的共享。初期的集敖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铺设大量电缆， 增加了船舶造价，模拟信号长距离传送所引起的干扰也很严重。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。这种改造在一定程度上减少了所需铺设 的电缆，避免了模拟信号传送所引起的干扰。这种结构的优点在于按设备的区 2 武汉理工大学硕士学位论文 域分布就近设置单片机为主体的采集和控制单元。这些单元方便灵活，测量参 数在采集单元都处理完毕，参数再经通信线送入主计算机。由于通信连接线要 求不高，信号又采取了分区的划块方式，节省大量的屏蔽电缆，具有明显的经 济效益，又使系统结构合理，便于系统的维护管理。典型产品有德国s i m e n s 公 司的s i 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 f l 0 0 0 系统。 由于传统的d c s 虽然引入了网络，但是它们在底层的控制级中没有真正实现 网络化，也没有把现场信息的开放性作为一个重要的目标来实现，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。 进入2 0 世纪九十年代后，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。 ( 3 ) 基于现场总线技术的船舶机舱监测系统 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f l 皂i o 模块、智能变送器、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 n t r o l 公司开发的d a t a c h i e f c 2 0 系统 和西门子的i m c 3 3 型系统。 ( 4 ) 基于全船网络结构的船舶监测系统 它将现场总线技术同以太网技术、卫星通信技术和移动通信技术相融合， 其除可将全船自动化装置集成外，还可以把船上的信息通过卫星传送到船舶主 管公司，并接受公司的指挥信息。它有如下特点：a 系统按照以太网( e t h e m e t ) 标准连接，信息可以双向传送，数据通道采用冗余措施，有较高的可靠性。b 系统结构层次清晰，各个子系统之间相对独立，局部单元出现故障，能够被隔 离在最小范围，不影响整个系统的正常运行。c 由于实现了各部分的联网，使得 系统能利用综合信息实现故障的快速诊断和修复。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 基于异构网络的船舶远程监测系统的提出 对船舶主机实施监测的系统已经比较成熟，如挪威n o r e o n t r o l 公司的“d a t a t r e n d 。基于卫星的船舶管理系统也已经比较成熟，如a m o s 船舶管理系统、 c a e 和a p p 公司的i p m s 系统。但是，综合实时、远程以及选择机舱设备为监 测对象的船舶机舱实时监测系统还处在起步阶段。基于以上情况，本文提出了 基于异构网络的船舶设备远程监测系统，本系统是天津港轮驳公司船舶无线数 字测控网络的一个子系统，体现了以岸基为主导兼顾在船人员管理船舶的管理 理念。 参照国外公司的船舶机舱监测与报警系统及主机监测子系统，结合内河、 沿海船舶自身特点，考虑到船舶运营经费问题，我们设计了如下基于异构网络 的船舶机舱监测系统拓扑图。实践证明基于异构网络的监测系统拓扑是一个典 型系统，我们可以使用此系统的拓扑结构来监测多个船舶设备。应用基于异构 网络的监测系统拓扑能帮助架起航行作业于内河或海港的各类船舶与陆上船公 司的桥梁，这样可以加强公司对船舶的管理力度，最优化维护程序，帮助公司 整合管理流程从而达到创造更多利润的目的。 船公司经营管理层 机舱设备管理层 机舱设备过程控制层 l 岸上监控中心 l 基 l 船上监控中心 j | 胛船上以太网一 i 圭机工况监测设备 控制器局域网一一 图1 - 1 基于异构网络的机舱监测系统结构图 1 3 课题选题背景及研究内容 本课题源于天津港轮驳公司船舶无线数字测控网络系统研究与开发。以解 4 武汉理工大学硕士学位论文 决船岸系统相互隔离，实现船岸数据共享为出发点，以建立岸基船舶机舱远程 监测系统，为船载系统提供远程维护指导为基本目的，以实现船载测控网络与 岸基数据网络的相互融合，实现船岸管控一体化为最高目标，以现场总线技术、 w e b 技术和无线通信技术等为技术基础，设计开发了基于异构网络的船舶枧舱 远程监测系统。 在本课题的实际研究过程中，本人主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 对基于异构网络的监测系统及相关技术进行了详细深入的探讨，提出了 基于异构网络的船舶设备远程监测系统构造方案。 ( 2 ) 在分析了当今流行的几种现场总线标准的基础上，提了以c a n 总线为 基础来构造船载机舱监测系统的思路，并论述了在船舶机舱中采用现场总线技 术的优越性。 ( 3 ) 在v i s u a lb a s i c n e t 软件平台下，设计开发了基于c a n 总线和船舶以太网 的船载枧舱监测系统。 ( 4 ) 对基于w e b 的监测系统及其关键技术进行深入探讨，并以s q ls e r v e r 为岸 基监测系统的网络数据库平台，以d r e a m w e a v e r 为软件开发工具，利用j s p , j d b c 和e j b 等j 2 e e 技术，设计开发了基于舁构网络的船舶设备远程监测系统。 本论文的结构安排如下：第一章介绍本论文研究的背景、船舶机舱监测系 统的发展现状，并对本文所做的一些主要工作进行了说明；第二章介绍了现场 总线的特点及基于c a n 总线的机舱监测系统的具体构建方法；第三章介绍了 c a n 总线数据采集模块的硬件及软件设诗；第四章介绍了基予异构网络的远程 监测系统总体设计方案、基于w e b 的远程监测系统及其关键技术以及基于w e b 的远程监测系统实现方式；第五章对全文进行了总结和展望。 天津港轮驳公司现有2 0 余条全回转拖轮，肩负着全港大船的进出港靠离码 头的任务，工作非常繁忙。f 1 2 0 0 5 年1 月以来，主要使用以定期检测及维修为主 的离线状态监测方式，虽然测试系统较简单，但是测试工作较烦琐；由于是离 线定期监测，不能及时避免突发性故障，由于船舶突发事故而造成生产作业被 迫中断的现象常有发生。因此，公司对实施先进的设餐状态监测维修体翩，最 大程度地对在用船舶进行适时、适量修理，以显著提升船舶生产效率，提高企 业经济效益有着非常迫切鲍篙求。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于现场总线的船舶设备监测系统 2 1 现场总线及现场总线控制系统简介 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【l - 1 4 。 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分布式网络控制系统。 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的。随着微处理器功能的不断 增强和价格的急剧降低，计算机和计算机网络系统发展迅速，但处于生产过程 底层的自动化测控系统，由于采用一对一结构或封闭式的集散系统，难以实现 大系统的信息集成和与外界的信息交流，使得自动化系统成为“信息孤岛 。为 此必须设计出一种能在工业现场环境运行的性能可靠、价格低廉的通信系统， 形成工厂底层网络，以完成自动化设备之间的多点通信和与外界的信息交换。 现场总线技术就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 在基于现场总线的控制系统( f c s ) 中，现场控制设备具备了网络通信能力， 通过现场总线网络连接成控制系统，把d c s 系统中基于封闭、专用的通信解决方 案变成了基于公开化标准化的解决方案。也正因为现场总线基于开放统一的通 信协议标准，为控制网络与数据网络的连接提供了方便，因而对控制网络与数 6 武汉理工大学硕士学位论文 据网络的融合起到了积极的促进作用。 自动化测控系统经历了从气动仪表控制、电气组合模拟控制、集中式数字 控制、集散型控制到现场总线控制几个阶段的过渡。 2 2 几种有影响的现场总线技术标准 2 0 世纪8 0 年代以来，较为流行的现场总线主要有：l o n w o r k s 总线、c a n 总线、p r o f i b u s 总线，以及基金会现场总线等。其他还有一些也有较为广泛的 应用，如p h e n i xc o n t a c t 公司的i n t e r b u s ，a s i 总线，瑞士c a r l og a v a z z i 公司的d u p l i n e 总线，p r o c e s sd a t a 公司的p - n e t 总线，p e t e r - h a n s 公司的f m u x 和v x l 总线等。此 外，英国的国家标准e r a 和挪威的国家标准f i n t 等也得到了较为广泛的应用。 ( 1 ) c a n c a n 是控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，最早是由德国的 b o d c h ( 博世) 公司推出的，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信，后来 逐步推广到其它工业控制应用领域。其总线规范已被纳入国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。 c a n 协议是建立在i s o o s i 七层网络模型基础之上的，不过，其模型结构只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。 c a n 总线通信介质可为双绞线、同轴电缆和光纤。通信速率最高可1 m b s ( 传 输距离为4 0 m ) ，直接传输距离在通信速率为5 k b s 时可达1 0 k i n ，可挂接11 0 个设备。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节为8 个，由于传输时间短，因 此受干扰概率低，抗干扰能力强。 c a n 现场总线系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它 能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 成为网络系统，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。 在物理参数上它还具有如下特点1 5 】【1 6 1 ： 完全符合i s 0 1 1 8 9 8 国际标准 c a n 总线中的总线数值为两种互补逻辑“显形 或“隐形 位数值 可实现多主式通信网络设计，信号在总线上通过“线与 可实现非破坏 性总线仲裁 无发送、接受转换控制引脚 7 武汉理工大学硕士学位论文 具有抗瞬间脉冲干扰功能 具有较r s - 4 8 5 总线高的总线电压( 一8 v + 1 8 v ) 承受能力 具有发送脉冲斜率控制，可降低射频干扰 差分接受器可以抗拒宽范围的共模干扰 具有总线与电源和地之间的短路保护 在特定的单线条件下仍可以保护总线正常工作 总线内部配有电阻器网络，无需外接上、下位电阻器 未上电的节点对总线无影响 ( 2 ) l o n w o r k s 局部操作网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 是由美国e c h e l o n 公司推出，并由它 与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层协议，应用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设 计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达 2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力 线等多种介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中 而得以实现。集成芯片中有3 个8 位的c p u ，共同完成l o n t a l k 的七层协议功能。 e c h e l o n 公司同时提供了一套开发工具平台l o nb u i l d e r 与n o d eb u i l d e r ，以方便 用户利用神经元芯片、l o n t a l k 协议、l o n w o r k s 收发器开发出适合各自领域的系 统和产品，不过这套工具价格较贵，一般需1 0 3 0 万元。 ( 3 ) 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的 技术。其前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、 西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l d f t p 协议。屈于用户的压力，这两大集团于1 9 9 1 年9 月合并， 成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 七层模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层， 并增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的 统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是在该领 域自控设备的主要供应商，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以 左右该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由他们组成的基金会所颁布的 8 武汉理工大学硕士学位论文 现场总线规范具有一定的权威性。 ( 4 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是纳入德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线 标准，由d p 、f m s 、p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数 据传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现场信息规范，适用于纺织、 楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线 类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、 研究所共同推出的。它采用了o s l 模型的物理层、数据链路层。f m s 还采用了应 用层。传输速率9 6 k b p s 1 2 m h p s ，最大传输距离在1 2 m h p s 时为l o o m ，1 5 m b p s 时 为4 0 0 m 可用中继器延长至l o k m 。其传输介质可以是双绞线、光缆。最多可挂接 1 2 7 个站点。可实现总线供电与本质安全防爆【l 引。 2 3 船用现场总线技术的优点 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。 ( 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，现场总线的应用 可减少隔离器、端子柜、i 0 柜和信号电缆，节约了系统的投资； ( 3 ) 船东有高度的系统集成主动权，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 ) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射 频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通 9 武汉理工大学硕士学位论文 信，并可满足本质安全防爆要求等； ( 5 ) 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； ( 6 ) 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。在经过各种现场总线的综合比较之后，本文将采用c a n 总线来构建 船舶机舱监测系统。 2 4c a n 技术规范 2 4 1c a n 总线分层结构 国际标准组织的开放系统互连( i s o o s i ) 模型将各种协议分为七层，自下而上 依次为：物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表达层、应用层n 引。 c a n 总线遵从i s o o s i 模型，以确保可以在任何两个c a n 器件之间建立兼 容性。不过考虑到c a n 总线主要应用于工业控制底层网络，其单次传输的信息 量较小，实时性要求较高，因此综合考虑i s o o s i 基准模型，将c a n 结构划分 为两层：数据链路层和物理层，其分层结构如图2 1 所示，而应用层可以由用户 自行定义【1 7 1 。 ( 1 ) 物理层 物理层协议为网络中的最低层协议，主要作用是在不同节点之间根据它们的 电气属性进行每位的实际传输，它定义信号怎样进行发送，涉及到位定时、位 编码解码及同步的描述。物理层主要划分为三个部分： 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 实现与位表示、定时和同步相关的功能。 物理媒体附属装置( p m a ) 实现总线发送与接收的功能电路，并且可提供总 线故障检测方法。 媒体相关接口( m d i ) 实现物理媒体和m a u 之间的机械和电气接口。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 数 据 链 路 层 l l c 子层 接收滤波 超载通知 恢复管理 m a c 予屡 数舔封糊拆装 犊编码 媒体访问管理 错误监溯 出错l j i 定 应答 串行化解除串行化 填充解除填充 物 理 层 位编码解玛 位定时 同步 放障界定 l m r - ) 总线故障管理 口l s l m ) 图2 1c a n 总线的分层结构 ( 2 ) 数据链路层 按照i e e e8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又可划分为逻辑链路控制 ( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 与媒体访问控n ( m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 两个部 分。 o l l c 子层：主要负责帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 帧接收滤波是确定接收哪一个报文，在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的， 其自身操作与先前的帧跃变无关。帧内容由标识符命名，标识符并不能指明帧 的目的地，但可以描述数据的含义，每个接收器通过帧接收滤波确定此帧报文 与自身标识符的i d 是否一致。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远程帧， 则通过l l c 子层开始发送超载帧。每次最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数 据帧或远程帧。 恢复管理：在发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自 动重发功能。在发送成功前，帧发送服务不被用户认可。 m a c 子层：主要负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。 它是c a n 协议的核心，它把接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。 武汉理工大学硕士学位论文 按功能可以将其分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。发 送功能主要包括发送数据封装、c r c 循环计算、发送媒体访问管理、m a c 帧串 行化、在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式、构造出错帧并开始发送； 接收功能主要包括接收媒体访问管理以及接收数据卸装。 2 4 2c a n 总线的报文传输 c a n 总线协议规定在报文传输过程中，发出报文的单元称为该报文的发送 器。该单元在总线空闲或丢失总线仲裁之前恒为发送器。如果一个单元不是报 文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器。对于报文的发送和 接收，其实际有效时刻是不同的；就发送器而言，如果到该帧的结束一直没出 错，则报文有效；如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能 与其他报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。而对于接收 器而言，如果直到帧结束的最后一位前一直未出错，则报文有效。 报文传输格式按功能分可以具体分为以下四种： 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧携带数据从发送器至接收器。 远程帧( r e m o t ef r a m e ) ：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的 数据帧。 ， 错误帧( e r r o rf r a m e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延时。 其中数据帧( 或远程帧) 通过帧间空间与前述的各帧分开。 数据帧由7 个不同的区域组成：帧起始( s t s r to f f r a m e ) 、仲裁区域( a r b i t r a t i o n f i e l d ) 、控制区域( c o n t r o lf i e l d ) 、数据区域( d a t af i e l d ) 、c r c 区域( c r cf i e l d ) 、 应答区域( a c kf i e l d ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) 。其结构如图2 2 所示。 黝桢起始l 仲裁区域l 控制区域l 数弦区域lc r c 区域la c k 区域i鞍缩康毳溺 i 。 - 图2 2 数据帧结构 ( 1 ) 帧起始 它标志数据帧或远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。只在总线空 闲时，才允许节点发送信号。所有节点必须同步于首先开始发送信息的节点的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 帧起始前沿。 ( 2 _ ) 仲裁区域 仲裁区域包括识别符( i d ) 和远程发送请求位( r t r ) 。 识别蓊( 渺) ：识别符的长度为董l 健或2 9 位。在本系统使用的c a n 2 0 b 协议中， 报文分为标准帧( 1 1 位) 和扩展帧( 2 9 位) 两种格式。当为标准帧时，这些位的发送 顺序是从i d 1 0 至1 i d 0 。最低佼是i d 一0 。最高的7 位q d l o 到王d - 4 ) 必须不能全是“隐 性。扩展帧的报文结构与标准帧相似，不同之处是所使用的仲裁区域的长度， 仲裁区域南已存在的1 1 b i t 基本仲裁区域和1 8 b i t 扩展仲裁区域组成。两种不同类 型帧的仲裁区域比较如图2 3 所示。 蚕2 3 标准帧与扩展帧仲裁区域酶区别 标准帧与扩展帧的不同还来自予对标识符扩展( i d e ) 位的使用，当其位于 羽限位之焉且为显性时，则撤文作为标准帧来发送，而当其位于灯r 位之蓑且为 隐性时则报文作为扩展帧来发送。当两种格式的报文同时出现在总线上时，并 且它们具有相同的确认区或基本确认区，那判断报文优先级的方法逯常为：标 准帧的报文总是比扩展帧的报文优先级高。支持扩展帧格式的c a n 控制器( c a n c o n t r o l l e r ) h 样也能发送和接收标准帧，当仅仅支持标准帧的c a n 控制器被用在 网络上时，则只有标准帧能在整个瓣络上传送，扩展帧将不能被识别，但是会 被当作标准帧处理。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 r t r 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性。 ( 3 ) 控制区域 控制区域由6 位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。 所发送的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由“显性”和“隐性组合 在一起的位。 数据长度代码( d l c ) ：数据长度代码指示了数据场中字节数量。数据长度代 码由4 位构成，数据帧允许数据字节数目范围为o n 8 ，具体分配如表2 1 所示。 表2 1 由d l c 表示的数据字节数据编码 数据字d l c 节数目 d l c 3d l c 2 d l cl d l c 0 口 00 口d l口001 2口0ld 300ll 4 01 0 口 5 0l dl 60lld 70ll1 8l 口口 d ( 4 ) 数据区域 数据区域由数据帧中的发送数据组成。它可以为0 8 个字节，每字节包含 了8 个位，首先发送最高有效位。 ( 5 ) c r c 区域 c r c 区域包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) ，其后是c r c 界定符( c r c d e l i m i t e r