【文章內(nèi)容簡介】 .................................................................................. 46 本章小結 .......................................................................................................... 47 第六章 總結與展望 ........................................................................................................ 48 論文工作總結 ................................................................................................... 48 研究工作展望 ................................................................................................... 50 致謝 ............................................................................................................................... 51 附錄一 ........................................................................................................................... 52 參考文獻 ........................................................................................................................ 53 第一章 緒論 1 第一章 緒論 研究背景 我國是造船大國，隨著我國對外經(jīng)濟貿(mào)易的迅猛發(fā)展，國內(nèi)船舶的需求量將急劇擴大。據(jù)預測， 2020～ 2020 我國將達到每年 840 萬載重噸，巨大的船舶需求為中國的船舶企業(yè)帶來了機遇。但我國船舶的配套設備研發(fā)滯后，質(zhì)量和性能均不能滿足我國船舶工業(yè)的需求，尤其是許多關鍵設備仍然依賴進口，這就極大的壓縮了我國造船企業(yè)的利潤率，嚴 重影響了船舶產(chǎn)品的競爭力，成為制約我國船舶工業(yè)發(fā)展的障礙 [1]。 船舶機艙設備眾多和復雜，為確保船舶及各機艙設備安全運行，需要經(jīng)常檢查和測試，而人工檢查的實時性不高，人工成本較高，工作強度大。為了及時監(jiān)測設備運行狀態(tài)，提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的及時性，降低營運成本，減輕船員工作強度，需要全面及時的機艙自動監(jiān)測報警設備。 一套船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)的售價在十幾萬～二十幾萬 (200 個監(jiān)測點 )，監(jiān)測點多的產(chǎn)品超過三十萬元，而高端產(chǎn)品的售價可以達到幾十萬至上百萬。目前，新造船只基本都需要配備船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，舊船改造時也往 往增加船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，因此市場對船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)的需求較大。 研究動機與目的 在工業(yè)和信息化部發(fā)布的《船舶工業(yè) ―十二五 ‖發(fā)展規(guī)劃》中，提出了 ―十二五 ‖時期我國船舶工業(yè)的發(fā)展目標：到 2020 年，產(chǎn)業(yè)體系更為完善，產(chǎn)業(yè)結構更趨合理，創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)顯著提升，國際造船市場份額穩(wěn)居世界前列，成為世界造船強國。 規(guī)劃中明確了船舶配套業(yè)（主要為船舶電子）作為重點領域的重點發(fā)展方向。 在與浙江臨海眾多造船企業(yè)的交流過程中，筆者得知目前新造船和舊船改造通常要求配備一些必須的船舶電子設備，但是國外廠商的設備雖 然質(zhì)量較好，但價格昂貴，國內(nèi)除非是豪華游輪會采購，普通船舶無法承擔這個成本，而國內(nèi)的一些船舶配套廠商，要么就是直接代理國外產(chǎn)品，要么就是產(chǎn)品雖然價格便宜，但功能和指標均無法達到需求。造船廠也無法負擔自己直接投資生產(chǎn)配套產(chǎn)品的人才，時間和經(jīng)濟成本，他們需要一些有相對比較強的人才和科研實力的企業(yè)來開發(fā)價格適中，功能強大的產(chǎn)品。 因此，本論文在此機遇和形勢中，依托中電 36 所船舶電子項目部，參與其船舶 監(jiān)控報東南大學碩士學位論文 2 警系統(tǒng) 的研究開發(fā)而成。本論文主要針對整個系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，通信方式，軟件架構，安全保障等方面進行了分析和討論，并 詳細描述了系統(tǒng)模塊化 [2][3]的相關設計與實現(xiàn)過程。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 發(fā)展歷史 船舶監(jiān)控報警系統(tǒng)是隨著電子信息技術和工業(yè)控制理論的發(fā)展而發(fā)展起來的。在 20 世紀 60 年代以前，工業(yè)控制還以經(jīng)典控制理論為基礎 [4]，在船舶中沒有集中的 監(jiān)控報警系統(tǒng) ，只有單項調(diào)節(jié)控制裝置在機艙中得以應用 [5]，使用的監(jiān)測工具也以常規(guī)儀表盤為主。 20 世紀 60 年代初期，得益于晶體管和集成電路的發(fā)展，在一些大型船舶中出現(xiàn)了集中監(jiān)控室，解放了生產(chǎn)力，將原有需要十幾個輪機員的工作變成只需要一個輪機員在機艙中值班就可以監(jiān) 控整個機艙的運行。 到了 20 世紀 60 年代中后期，隨著電子工業(yè)的發(fā)展和晶體管可靠性的進一步提高，為了滿足船舶運行過程中的無人值守的需求，船舶電子開始出現(xiàn)使用電、氣驅動以及集成電子模塊組合邏輯控制的機艙監(jiān)視報警系統(tǒng)。 20 世紀 70 年代到 80 年代是船舶電子飛速發(fā)展的時期，一方面電子計算機的飛速發(fā)展讓其在船舶領域內(nèi)的使用變成了可能，另一方面，預測控制 [6]、自適應控制 [7][8]、非線性控制、魯棒控制 [9][10]以及智能控制 [11]等一系列現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使得世界上許多國家相繼造出了自動化程度非常高的船舶。先后出 現(xiàn)過集中型控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)以及集散型控制系統(tǒng)（ DCS）。其中集散型控制系統(tǒng)使用局域網(wǎng)通信，并逐漸以數(shù)字信號取代模擬信號。 進入 20 世紀 90 年代，集散型控制系統(tǒng)逐步演變，形成了一種新的技術，現(xiàn)場總線式全分布式系統(tǒng)（ Fieldbus Control SystemFCS）。它是因為計算機技術、通信技術和控制技術的發(fā)展而發(fā)展起來的?，F(xiàn)場總線分布式系統(tǒng)最初是由加拿大海軍研發(fā)，并于 1988 年首次將其應用于巡邏護衛(wèi)艦上 [12]。 國內(nèi)外主要廠商及產(chǎn)品 ? 挪威康斯伯格 (kongsberg)[13]： 康斯伯格成立于 1814 年，總部位于挪威康斯伯格市，在25 個國家設有分支機構，員工 6472人，銷售服務網(wǎng)絡遍及北美洲、南美洲、亞洲、歐洲、大洋洲、南極洲等全球主要經(jīng)濟區(qū)。產(chǎn)品涵蓋商船隊、海工、海底、海運信息技術、仿真、工序自動化、漁業(yè)及漁業(yè)研究及石油天然氣工業(yè)，為客戶提供動力定位及航行系統(tǒng)、自動控制、貨運管理系統(tǒng)及液位傳感器、海事訓練仿真及位置參考系統(tǒng)、 VDR、AIS、雷達等（幾乎涵蓋海洋電子各大領域）。 2020 年營業(yè)收入約合人民幣 170 億元。第一章 緒論 3 康斯伯格目前的機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)主要分為 KChief 600 和 KChief 700船舶自動化系統(tǒng)，前者主要為標準商船的安全性和可靠性設計，后者能夠滿足復雜船只的定制化需求。 ? 德國 SAM Electronics 公司 ： SAM 船舶電子有限公司已有一百多年的歷史，總部位于德國漢堡，公司擁有員工 1700 人，銷售服務網(wǎng)絡遍及全球主要港口城市。業(yè)務涉及廣泛的自動化系統(tǒng)，通信導航系統(tǒng)，配電和動力及推進系統(tǒng)。中國業(yè)務依托于上海公司全權代理，并在泰州設有獨資企業(yè)專門生產(chǎn)配電板，自動化和導航系統(tǒng)。 2020 年度銷售收入約合人民幣 億元。目前最新的產(chǎn)品為 MOS 2200。 ? 上海駟博集團 ： 公 司成立于 1992 年，總公司設在上海，由總公司和三個子公司組成。已有一支覆蓋國內(nèi)的售后服務團隊，在新加坡建立了東南亞地區(qū)的售后服務站點。主要從事開發(fā)、生產(chǎn)船舶電氣及船舶自動化設備，主要針對國內(nèi)市場的中小船舶配套和挖泥船舶的配套，年平均承接 100 條左右的民船訂單，以低成本和價格優(yōu)勢在國內(nèi)中小船廠、設計院推薦自己的產(chǎn)品，在國內(nèi)市場有較大的影響力。 2020 年產(chǎn)值約 2 億元。目前最新的監(jiān)控報警系統(tǒng)型號為 SB2020。 DCS 和 FCS DCS(Disttributed Control System)是分布式 控制系統(tǒng)的縮寫，在國內(nèi)普遍稱為集散型控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)得益于計算機技術、控制技術和網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展和結合，從而成為目前最先進的過程控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)具有很高的可靠性。它的控制點分散，但通過集中的監(jiān)控和操作，使得 DSC 具有操作和維護的簡便性。 20 世紀 80 年代后，由于微處理器在控制領域的大規(guī)模使用，各種儀器儀表中都嵌入了微處理器，從而每個微處理器都能被指定任務，互相之間通過具有網(wǎng)關的專用網(wǎng)絡通信，網(wǎng)關程序需要用戶自己編寫。于是，大多數(shù) DCS 的供應商都為自己的產(chǎn)品制定了自己標準，但是 DCS 的開發(fā)者不愿意去花費 時間制定統(tǒng)一的標準，而用戶需要更標準化的產(chǎn)品，因此隨著測控技術的發(fā)展， DCS 被逐漸意識到存在系統(tǒng)綜合信息能力差、系統(tǒng)構成復雜、各廠商產(chǎn)品互操作性差異及現(xiàn)場儀表與控制設備不具有雙向通信能力、控制速度不能滿足要求等問題 [14]。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ FCS）是在 DCS 的基礎上發(fā)展起來的新技術，它利用現(xiàn)場總線作為各個子系統(tǒng)的內(nèi)部控制網(wǎng)絡，并實現(xiàn)了各個測控設備間的互聯(lián) [15]。 FCS繼承了 DCS 的許多成熟技術，例如人機界面、基于 IEC611313的組態(tài)編程、冗余了熱備份的思想和方法等，但 FCS 完全超越的 DCS的框架，它 實現(xiàn)了測控設備的智能化，利用現(xiàn)場總線將一個個分散設備的信息集中起來，更好的體現(xiàn)了 “ 控制分散，信息集中 ” 的特點。因為具有統(tǒng)一的技術東南大學碩士學位論文 4 標準和通信協(xié)議，使得不同廠商產(chǎn)品具有互操作性和信息交換 [16]。表 是對 DCS 和 FCS的比較 表 DCS 與 FCS 比較 系統(tǒng)名稱 DCS FCS 信號和傳輸方式 ，實時性好 通信協(xié)議 封閉的通信協(xié)議，不同廠商的產(chǎn)品無法互聯(lián) 標準的通信協(xié)議，測控設備和控制系統(tǒng)互聯(lián)，不同產(chǎn)品間 的互操作快捷方便 系統(tǒng)結構 多級分層網(wǎng)絡結構，點對點的接線方式，計算機，控制站，測控設備 3 層結構 使用現(xiàn)場總線連接多臺測控設備，簡化為計算機和測控設備 2 層結構 盡管 DCS系統(tǒng)以其成熟的技術和應用仍然占據(jù)一部分市場，但 FCS取代其的趨勢不可逆轉，本論文正是基于 FCS 系統(tǒng)的開發(fā)和研究所展開。 章節(jié)安排 本論文的內(nèi)容 做 如下編排 ： 第一章主要介紹了研究目的，國內(nèi)外研究進展，主要廠商及產(chǎn)品和發(fā)展歷史，以及內(nèi)容安排。 第二章分析了監(jiān)測報警系統(tǒng)使用的 CAN 總線通信技術及原理。 第三章研究了監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件的架 構和流程執(zhí)行的邏輯分析，并描述了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。 第四章監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件界面的 UI 以及 系統(tǒng) 控件庫 的設計與實現(xiàn) 。 第五章延伸報警板系統(tǒng)的 設計與實現(xiàn) 。 第六章總結和展望。 第二章 通信方式及相關技術原理分析 5 第二章 通信方式及相關技術原理分析 監(jiān)控報警系統(tǒng)采用的是基于 CAN(Controller Area Network)總線的 FCS 系統(tǒng)， CAN 總線以其通信速率高、可靠性高、連接方便和性價比優(yōu)等特點成為現(xiàn)場總線的推薦標準之一。 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的 信號采集模塊將采集 的模擬 信號經(jīng)過處理后通過 CAN 總線送往計算機，計算機擔任中心處理器的角色，完成總線數(shù)據(jù) 的獲取和處理。 船舶中需要 監(jiān)測的 所有 信息和參數(shù)的報警閾值都存儲在 本地 數(shù)據(jù)庫中，當某個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)超出報警閾值時，計算機進行報警顯示，并將報警信息發(fā)送到船內(nèi)各區(qū)域的復視器和相應報警燈。 本章圍繞 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的通信方式展開，通過描述現(xiàn)場總線技術發(fā)展及特點來 介紹 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的底層通信技術，比較不同現(xiàn)場總線的優(yōu)缺點來確定 監(jiān)控報警系統(tǒng) 采用 CAN 總線作為其現(xiàn)場總線。本章對于 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的信息傳遞機制進行了一個簡要的描述，并基于此提出了雙 CAN 冗余熱備份技術來保證 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的可靠性和穩(wěn)定性。 現(xiàn)場總線技術 現(xiàn) 場總線是 作為目前在工業(yè)智能控制領域比較流行的一種 數(shù)據(jù)總線，它最初的出現(xiàn)是為了把可編程邏輯器件 (programmable logic controller, PLC)以一種比較簡潔的方式連接起來[17]?，F(xiàn)場總線技術主要解決了工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器等現(xiàn)場設備間的通信以及現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)間的信息傳遞問題 [18]。由于現(xiàn)場總線的簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列優(yōu)點，受到許多廠商的青睞。 現(xiàn)場總線發(fā)展歷史及標準化 1984 年美國 intel公司提出一種計算機分布式控制系統(tǒng) ——位總線 (Bitbus)，它 主要是將計算機中低速的輸入輸出和高速的總線分離，從而形成現(xiàn)場總線的最初概念。 80 年代中期，美國 Rosemount 公司開發(fā)了一種可尋址的遠程傳感器 (HART)通信協(xié)議。采用在 4～ 20mA模擬量疊加了一種頻率信號，用雙絞線實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸。 HART 協(xié)議 已是現(xiàn)場總線的雛形。1985 年由 Honeywell和 Bailey 等大公司發(fā)起，成立了 World FIP 制定了 F