高可靠性船用水密門監控系統的介紹及應用

安科瑞 周菁

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰

摘要

    介紹一種船用水密門監控系統，闡述監控主機、控制模塊、報警模塊、協議轉換模塊的功能。該系統通過RS485總線進行組網，采用分散控制、集中管理的模塊化設計思想，能夠就地及遠程控制水密門的狀態、自動監測系統的各種狀態信息，并對系統故障進行實時顯示、蜂鳴器報警、記錄等功能。提高船舶自動化水平，確保船舶在航行中的安全性。

關鍵詞：船用水密門；監控系統；RS485總線

引言

船舶自動化設備是為船舶配套的核心裝備之一，包括機艙自動化、航行自動化、船岸信息一體化、閥門遙控等子系統，其中水密門監控系統推動了船舶自動的進程和“智能型”船舶的實現^[1-2]，該系統用于確保船舶在行駛過程中的安全性，其主要負責監測船艙內與水密門相關的動力設備的運行狀態和運行參數，可以自動監測設備在運行中發生的故障，并記錄保存故障信息，發出聲光報警信息^[3-4]。本文介紹了一種基于RS485總線的水密門監控系統，該系統可以與船載航行數據記錄儀連接，記錄水密門在船舶航行過程中狀態信息，且具有可靠性高、抗干擾能力強、組網靈活、方便擴展、易于維護等特點。

1 船用水密門監控系統

1.1 系統結構圖

本船用水密門監控系統充分考慮水密門系統的自身的特性，主要從系統安全可靠出發，兼容系統的操作性、維護性、可擴展性，整個系統采用模塊化設計，主要由以下4個部分組成：監控主機（TPC7062K）、控制模塊（AWD16-C）、報警模塊（AWD16-A）、協議轉換模塊（AWD16-V），所有模塊通過RS485總線進行組網（如圖1所示）。

圖1  系統網絡結構圖

系統的監控主機與協議轉換模塊安裝在船舶駕駛室中控操作臺內，控制模塊與報警模塊布署在船艙內水密門現場。控制模塊和報警模塊通過RS485接口與監控主機連接，協議轉換模塊通過RS232接口與監控主機連接、通過RS485接口與船舶航行記錄儀連接，形成網絡系統。每個系統由一個監控主機、一個協議轉換模塊、若干個控制模塊、若干個報警模塊組成，其中每扇水密門配置一個控制模塊與一個報警模塊。

1.2 系統工作原理及流程

1.2.1 系統工作原理

監控主機通過RS485總線周期性讀取控制模塊與報警模塊的狀態信息，實時的顯示水密門的狀態，記錄開關門及系統的報警信息，并負責向協議轉換模塊發送標準的Modbus-RTU協議報文；當協議轉換模塊接收到監控主機發送來的報文時，將其轉換為VDR報文，然后發送至航行記錄儀中；監控主機也可控制現場的控制模塊，進行遠程關門動作。

控制模塊及報警模塊的輸入端與現場的信號線連接，實時的采集現場的狀態信息并判斷，做出相應的動作及報警指示。

1.2.2系統工作流程

系統軟件設計分為：用C語言編寫控制模塊、報警模塊以及協議轉換模塊；用腳本語言編寫監控主機。系統工作流程圖如圖2所示。系統通電后，首行初始化，完成初始化后，監控主機向控制模塊、報警模塊發送報文，以完成對系統狀態的顯示、記錄及傳送，協議轉換模塊向監控主機發送查詢報文，判斷是否需要發送VDR報文。若系統*，則正常運行，否則，進行系統進行相應指示報警。控制模塊、報警模塊正常工作過程為：首先，采集控制模塊及報警模塊共16路的信號輸入，然后對其進行邏輯預算以及關系判斷，若不滿足報警條件，則繼續采集信號，進行邏輯運算；若滿足報警條件，相應的繼電器輸出報警，對應的LED指示燈則閃爍、點亮或熄滅。報警產生后，可人為消音或在規定的時間內自動消音；協議轉換模塊的正常工作過程為：給監控主機發送查詢報文，若回送的報文中有報警及開關門動作信息時，則將讀取到的Modbus協議報文轉化為VDR報文格式傳送給航行記錄儀。

圖2  系統工作流程圖

2 監控主機

監控主機是水密門監控系統的重要組成部分，顯示器分辨率為800*480、65535色數字真彩、177.8mm（7in）寬屏顯示，觸摸控制、具有良好的人機界面，操作簡單，其中人機界面主頁如圖3所示。該模塊主要具有控制水密門閉合、顯示水密門當前狀態，顯示、記錄、查詢系統報警信息，蜂鳴器報警等功能。其中，報警信息主要包括電源故障、油機電機過載、油壓低、油位低、限位開關故障、控制模塊故障等。

此外，監控主機還可以將采集到的開關門及報警信息通過RS232總線傳給協議轉換模塊，由協議轉換模塊終傳至船舶VDR系統。監控主機具有的屏幕保護功能，較好的滿足船舶在夜間航行的要求；中英文顯示界面自由切換，擴展了其應用市場。

圖3  人機界面主頁

       圖3注：①：水密門狀態指示燈；②：單獨關門按鈕； ③：水密門三種控制方式（遠程總關、本地控制、單獨關）按鈕；④：蜂鳴器測試按鈕、報警消音按鈕、報警記錄按鈕，其中點擊報警記錄按鈕后進入報警記錄界面；⑤：系統新一條報警信息；⑥：警告語。

3 控制模塊與報警模塊

      控制模塊與報警模塊負責現場水密門各種動作控制及系統狀態信息的采集，其供電電源為+24VDC，采用RS485通訊，具有6路無源干接點、2路模擬量輸入（可做開關量使用），8路繼電器干觸點輸出、觸點額定負載，／250VAC／30VDC，節點輸入常開/常閉類型可設、輸入抖動時間及輸出延時時間均可設。

控制模塊的輸入節點，連接水密門開門按鈕、關門按鈕、停門按鈕、開關門限位開關、油泵壓力模擬量輸入等；輸出繼電器，連接開關門液壓電磁閥、開關閃光指示燈及報警響鈴、控制模塊故障輸出等。報警模塊的輸入節點，連接試驗按鈕、消音按鈕以及電源故障、油機電機過載、油壓低、油位低、限位開關故障、控制模塊故障等輸入報警點。輸出繼電器，連接報警指示燈及報警蜂鳴器。

將傳統的水密門現場控制器改為獨立控制模塊與報警模塊提高了系統魯棒性，且模塊采用公司32位處理器作為主控芯片，加入軟硬件“看門狗”技術，防止死機現象，大化的保證了系統的穩定可靠運行，且通過公司內部測試及客戶現場使用情況證明，該系統設計達到了預期的效果，其原理框圖如圖4所示。

圖4  控制模塊與報警模塊原理框圖

4協議轉換模塊

4.1 模塊功能

協議轉換模塊負責通過RS232總線，接收監控主機發送的Modbus-RTU協議報文，模塊內部進行協議轉換，再通過RS485總線，將轉換的VDR協議報文，終傳送至船行記錄儀，其原理框圖如圖5所示。

Voyage Data Recorder (VDR)是一種記錄船舶在運行過程中各種數據信息以及突發事件的設備，其設計初的目的與用途是為了方便海事事故的查詢^[5]，系統的VDR報文滿足IEC61162-1-2010標準。

圖5   協議轉換模塊原理圖

4.2  Modbus-RTU與VDR協議

Modbus是一個請求/應答協議，并且提供功能碼規定的服務。目前，可以通過以太網的TCP/IP以及各種介質（有限：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A、光纖、無線等等）上的異步串行傳輸兩種方式實現Modbus通信，其主要傳輸模式有：RTU、ASCII^[6]。本系統主要用Modbus-RTU，03功能碼，具體報文格式舉例如表1所示。

表1  Modbus-RTU報文格式

      IEC61162-1-2010 文檔中明確的對船載自動導航設備（AIS）信息采集和處理進行了規范化的闡述，本文使用的VDR通訊協議數據格式如圖6所示^[7] 

圖6   VDR通訊協議數據格式

5 結束語

本文介紹了一種船用水密門監控系統的設計，該系統具有獨立的控制模塊和報警模塊，其優點是可靠性高，實施簡單、維護方便；具有根據不同船型靈活配置，完善的報警顯示、故障診斷、故障記錄等功能，可以取代傳統工控機與PLC構建的自動控制系統。該系統較好的推動了船舶自動化系統的發展，并在國內外實船上得到了較好的應用，從而保障了船舶的航行安全。

文章來源：《船舶》2016年1期。

參考文獻

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[6] GB/ 19582.1-2004， 基于Modbus協議的工業自動化網絡規范 [S]. 北京: 歐陽勁松, 孫昕, 劉鐵椎等,2004: 4 -13

[7] IEC61162-1-2010，Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems. [S]. Geneva: 2010:23-36.