船舶机舱自动化系统研究背景及发展现状.doc

船舶机舱自动化系统研究背景及发展现状1研究背景11.1船舶自动化技术11.2 CAN总线22 船舶机舱自动化系统的发展现状42.1 机舱自动化发展历史及国外现状42.2 机舱自动化国内现状及发展趋势61研究背景1.1船舶自动化技术船舶自动化起源于20世纪50年代，经过近60年的发展已经由单个设备的自动控制进入到信息化、智能化的阶段。船舶自动化技术产业已成为当今世界主要海洋强国的支柱产业之一。自20世纪70年代起，由于海洋事业和国际贸易迅速发展需要，在船舶自动化技术及新设备研制方面出现了蓬勃发展形势，通过几十年的持续发展，奠定了坚实的基础。船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统，船舶机舱自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。机舱自动化系统包括主动力系统、发电系统等多个子系统的控制与监测，例如，主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵控制等，需要研究数字监控技术（包括单元系统模块技术、电子模块技术、系统接口模块技术）、光纤数字传输技术、网络技术（包括船用光纤、现场总线、工业以太网等技术）、智能柴油机电控技术、全电力电子技术、微机电技术等，以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式，向实现机舱综合自动化这个高层次阶段发展。其是开放式和网络化的未来船舶机舱自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点。而船舶机舱自动化系统及设备技术是以计算机网络、现场总线技术为标志的集成平台管理系统IPMS 技术、柴油机遥控技术、全自动电站及电能管理技术、全电力推进系统的监控技术、标准操控台的数字监控系统技术、设备软硬件模块化、标准化、系列化技术、船舶光纤数字传输技术、船舶机舱微机电系统的新技术、机舱自动化系统可靠性理论为基础上发展起来的。船舶机舱自动化目前正面临一场技术变革, 经历了集散式控制, 分布式控制, 局域网络控制的船舶机舱自动化监控系统将逐步被现场总线监控系统所取代。现场总线监控系统(Fieldbus Control System ,FCS)将传统的分布式监控系统DCS(Distribu ted Control System)的控制功能进一步下放到现场智能设备,由现场智能设备(监控分站)完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能,所有数据和指令通过双向现场总线传输，实现信息资源共享。FCS通过网关可以实现和上位管理机网络和全船网络相连,把监控系统所有现场数据信息、故障信息传送到上位管理机和上一级网络,从而更利于实现船舶机舱的监控。20世纪90年代中期,以现场总线技术为基础的全数字式控制系统扩展到船舶工业领域,使舰船自控技术获得了新的发展。不过,对于船舶这个具体的对象,现场总线的应用又有其特殊性:首先,船舶的空间相对较小,没有像石化工厂那么广阔的空间，因而，引入现场总线所造成的连线减少不会节约太多的成本。第二,控制对象规模相对较小。控制网络上节点较少，而且基本不会出现多个系统集成的问题。因此，对控制网络的容量及互可操作性的要求不是很高。第三,机舱空间狭小,设备布局紧凑,信号干扰严重。综合以上因素,船舶自控系统应该采用实时性好、抗干扰能力强、成本较低、开发和使用难度较小的现场总线系统。目前,有报道的应用于船舶总线主要是以下几：CAN，LonWorks，WorldFIP。其中使用较多的为CAN 总线。全世界所有船舶自动化设备公司,如SIEMENS、NORCOTROL、MTU等,几乎都支持CAN标准。中国国内,如上海船舶运输科学研究所等,也都开发了基于CAN总线的船舶监控平台。1.2 CAN总线CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，是一种多主方式的串行通信总线，是德国Bosch公司80年代初为解决现代汽车中众多的控制与检测仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。由于采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线网络的数据通信具有突出的实时性、可靠性和具有良好的可扩展性，其主要特点如下： 属于多主网络协议，网络上的任意一个节点可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，不分主从。 采用非破坏性仲裁机制，当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动停止数据发送，而优先极高的节点可不受影响的继续传送数据，有效地避免了总线冲突，大大降低了在网络负载很重的情况下系统出现瘫痪的可能性。 CAN总线的节点只需通过对报文的标识符的滤波就能实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送和接收数据。网络上的节点信息分成不同的优先级，可以满足不同的实时性要求。 CAN总线的直线通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)，通信速率最高可达到1Mbps(此时通信距离最长为40m)。 CAN总线上的节点数目主要取决于CAN总线驱动器，目前可达个110，标准帧报文的标识符为11位，而扩展帧的报文标识符为29位，个数几乎不受限制。 CAN总线节点使用的通信器件容易购买，价格较便宜，开发技术相对容易掌握，可以充分利用现有的单片机、数字信号处理器等开发工具。通信介质可以是双绞线、同轴电缆，无特殊要求，选择范围大。 CAN总线通信的报文采用短帧结构，传输时问短，相应的受干扰概率低，从而保证了通信数据的低出错率。 CAN通信每帧信息都有CRC校验机制，并可以方便的通过软件实现检错功能，保证了数据的出错率极低。 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，切断它与总线的联系，从而保证总线网络上的其他节点通信不受干扰。CAN最早应用于汽车内部检测部件与控制部件的数据通信系统，在车载控制系统各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器等均嵌入CAN总线控制装置。由于其设计合理，具有较强的实用性，推出后，不仅在汽车工业中广泛应用，还大量应用于工业自动化，智能建筑，医疗设备，自动测试设备等诸多领域，获得了长足的发展。1993年3月，国际CAN总线用户及制造商协会CIA(CAN in Automation)在欧洲成立，其任务为制订修改CAN的相关协议，解决CAN应用过程中的问题，提供CAN的开发工具及产品，推广CAN的应用。正是由于CAN技术与产品的可靠性与实用性，它的应用范围迅速扩大，用户增多，目前已有Motorola，Phillips，NEC等公司生产了符合CAN协议的通讯芯片，多家公司也有相应的CAN总线接口适配卡。许多公司生产了基于CAN总线的设备，如AB公司的Device NET及Honeywell公司的SDS系统都是应用CAN的产品。在国内，应用较多的研华工控系列产品中就有系列的CAN适配卡和智能仪表等产品，这些产品接口简单，编程方便，实用性强，很适合国内目前的应用情况。CAN总线目前已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IS011898(H2部分，通讯速率1Mb/s)和IS011519(H1部分，通讯速率125Kb/s)。在目前的各种现场总线中，CAN是唯一取得国际标准的，并且已经被公认为是几种最有前途的现场总线之一。2 船舶机舱自动化系统的发展现状2.1 机舱自动化发展历史及国外现状计算机、控制、通信、电子等信息技术的飞速发展引发了自动化技术的不断变革，船舶机舱自动化系统的发展也始终伴随着陆用自动化技术的不断进步。目前的船舶机舱自动化系统在经历了集散式控制、分布式控制、局域网络控制以后，现场总线监控系统由于其优越性已经逐渐被广泛采用。纵观船舶机舱自动化系统的发展史，在20世纪50年代末反馈控制理论在船舶工业中已经得到了广泛的应用，使得机舱里的所有运行参数均能实现自动控制，借助当时的电子半导体技术发展，在此基础上出现了带有机舱集中监视和参数越限报警系统的第一代自动化船舶。1961年日本建成的“金华山丸”号，是世界上第一艘具有机舱集中监视报警和主机遥控装置的船舶，船员人数仅为37人，引起世界各国关注，从而带动了机舱集控式自动化系统的迅速发展。直至20世纪60年代中期开始出现了带有无人值班机舱的第二代自动化船舶，如1964年日本为丹麦建造的“赛灵丹”号（SELEM DAM）65型油船，该船在第一代自动化船舶基础上增加了火灾探测及自动灭火装置，在机舱、驾驶室和船员居住区之间设有通信和报警装置。60年代末期，计算机技术的发展逐步带动船舶机舱自动化系统进入了飞速发展的计算机控制时期，法国的DOLLABELLA汽轮机油船是世界上第一艘使用计算机的船舶，代表了第三代自动化船舶的出现。此后船舶自动化系统的每一次发展都是以计算机技术的革新为标志的。第一阶段是全船采用单台计算机进行集中控制和管理的第三代自动化船舶，计算机软件的应用使控制系统的硬件设备大大简化，并且使得控制和管理功能更加丰富，其应用不仅在机舱自动化的范围，在导航、货物装卸和通信方面都由计算机进行控制和管理。集中型计算机监控系统在70年代具有一定的先进性，但该类系统造价昂贵，而且可靠性差，一旦计算机发生故障就会导致系统完全瘫痪。第二阶段是以微机技术为代表的分散控制，70年代中后期，由于超大规模集成电路和微处理技术的发展，出现了多微机检测控制系统的第四代自动化船舶。船舶机舱监控系统逐渐由集中型转向分散型，即采用多台计算机分别对机舱以及船舶的各个子系统进行监控。分散型系统造价低，且具有较好的可靠性、安全性和可维修性，这就使得在70至80年代中期这一较长的时期内船舶机舱均以分散控制为主。第三阶段是以网络技术的应用为特征的网络控制阶段，分散型系统的系统之间不能进行信息通信，集控室的集中监视系统与各个分散系统之间并不存在数据通信关系，只是简单地接收各个分散系统送来的报警信号，只有监视报警的作用，缺乏管理和控制功能。随着计算机通信技术的发展，80年代末90年代初新造船舶开始采用多微机分布式控制的监控系统，设备和系统仍然采用独立的微机控制，但微机之间可以进行数据通信。分布式控制系统继承了集中型和分散型控制系统的优点，代表了第五代自动化船舶。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，自20世纪80年代末产生至今，被广泛应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络，同时也包括船舶机舱自动化系统。一些已经使用了现场总线控制技术的新型船舶控制系统试验表明，基于现场总线的机舱自动化系统在组态灵活性、数据传送的实时性、可靠性等方面均达到了令人满意的效果，同时也降低了系统的投资成本、减少了运行费用,是未来船舶机舱自动化系统的发展方向。2.2 机舱自动化国内现状及发展趋势我国在船舶机舱自动化方面起步较晚，而且计算机技术发展也落后于国际先进水平，船舶机舱自动化水平与其他发达国家相比，仍然有较大差距。前几年，也有不少分布式机舱自动化系统，但本来就不成熟的技术加上可靠性、集成性、实时性等各方面的欠缺导致机舱自动化水平跟不上时代的要求。目前我国能否突破技术壁垒，掌握核心技术，尤其是以现场总线监控系统为代表的先进自动化技术，是船用机舱自动化产业自主、创新发展的关键。现场总线技术满足了“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的当今船舶机舱自动化技术发展的要求，这种新的控制思想代表了船舶控