【正文】 學碩士學位論文 10 圖 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) ：一個節(jié)點作為數(shù)據(jù)的接收者，通過發(fā)送遠程幀來開啟某個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。遠程幀和數(shù)據(jù)幀基本類似，只是少了數(shù)據(jù)場，其余都一樣，也包括幀起始，仲裁 場，控制場，CRC 場，應答場和幀結(jié)束 6個位場。相對數(shù)據(jù)幀而言，它的 RTR位是隱性的，因為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場是可以為 0 的，而正是通過 RTR 位的極性就可以判斷所發(fā)送的幀是否為數(shù)據(jù)幀。RTR 位是一個對數(shù)據(jù)幀和遠程幀的標識位，在數(shù)據(jù)幀中為顯性，遠程幀中為隱性。圖 為遠程幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 圖 遠程幀結(jié)構(gòu) ：出錯幀只包含兩個不同的場。第一個場是由不同節(jié)點的錯誤標志 (ERROR FLAG)的疊加而成，第二個場是錯誤界定符 (ERROR DELIMITER)。錯誤標志通常有主動和第二章 通信方式及相關(guān)技術(shù)原理分析 11 被動兩種形式，主動錯誤標志包 含 6個連續(xù)的顯性位，被動錯誤標志在最初包含 6個連續(xù)的隱性位，但它可能被其它節(jié)點的顯性位所覆蓋。錯誤界定符包含了 8 個隱性位，在發(fā)送了錯誤標志以后，每個節(jié)點就開始發(fā)送隱性位和一直監(jiān)視總線，直到發(fā)現(xiàn)隱性位后，節(jié)點就會把剩余的 7 個隱性位再一起發(fā)送。圖 是出錯幀的結(jié)構(gòu)。 圖 出錯幀的結(jié)構(gòu) ：過載幀和出錯幀類似，也包含了兩個不同的位場，過載標志 (OVERLOAD FLAG)和過載界定符 (OVERLOAD DELIMITER)。過載標志的傳輸一般有兩種情況引起，一是接收器對于下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的 接受需要一個延遲，另一種情況是在中斷時候檢測到一個顯性的位。數(shù)據(jù)幀或者遠程幀中間需要的延遲最多只能引發(fā)兩幀的過載幀的產(chǎn)生。圖 為過載幀的結(jié)構(gòu)。 圖 過載幀的結(jié)構(gòu) 監(jiān)控報警系統(tǒng)正是通過這四種不同類型的幀進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收，仲裁和出錯重發(fā)等工作，保證了系統(tǒng)通信的安全性和可靠性。 東南大學碩士學位論文 12 信息傳遞機制 監(jiān)控報警系統(tǒng) 所采用的信息傳遞機制是基于 CAN 總線的信息傳遞，而 通過前面的描述可以知道 CAN 總線是以半雙工的方式工作，分時進行收發(fā)數(shù)據(jù)。 CAN 總線 以廣播的方式，一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，多個節(jié)點接受數(shù)據(jù)。 CAN 總線上的報文都帶有優(yōu)先級的標識和數(shù)據(jù)，節(jié)點在正確接收后會發(fā)出確認應答。 CAN 總線的數(shù)據(jù)傳輸滿足 “ 載波監(jiān)聽，多路訪問 /沖突檢測 ” (CSMA/CD)[11]的通訊模式。所謂載波監(jiān)聽，就是要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點在傳輸前會去監(jiān)聽總線上是否有數(shù)據(jù)在傳輸，如果總線空閑就可以立即傳輸數(shù)據(jù)，否則，就需要等待一段時間再傳輸。多路訪問 /沖突檢測是指當兩個節(jié)點同時想要發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點會檢測到這個沖突，然后通過仲裁機制，讓優(yōu)先級高的報文先發(fā)送，優(yōu)先級低的報文暫停發(fā)送。 在 CSMA算法中是沒有沖突檢測的， CAN 總線的仲裁機制有效的解決了 這個問題，提高了通信的效率。報文傳輸依賴其優(yōu)先級，使得每個節(jié)點都是有均等的機會取得總線的控制發(fā)送權(quán)，避免了因為沖突而造成的信息破壞。 根據(jù) OSI/ISO 的網(wǎng)絡(luò)模型， CAN 總線技術(shù)規(guī)范只詳細定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容，而關(guān)于應用層的協(xié)議則需要用戶自己定義。公司項目作為一個工程項目，由于時間和經(jīng)費有限，沒有自己開發(fā)新的協(xié)議，轉(zhuǎn)而使用現(xiàn)有的 CAN 總線應用層協(xié)議。經(jīng)過仔細篩選，最后確定使用 Modbus 協(xié)議。 Modbus 協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，它由 Modicon 公司于 1979 年發(fā)布，是第一個用于工業(yè)領(lǐng)域的 應用層 總線協(xié)議。 Modbus 并沒有握手機制，取而代之的是主從機制，通信通常由主節(jié)點發(fā)起，從節(jié)點收到主節(jié)點信息后，會立刻回應。從節(jié)點之間如果想要互相通信，則只能通過主節(jié)點進行轉(zhuǎn)送傳輸。 Modbus 的 兩種傳輸 方式分別 為 ASCII 和 RTU，因為 RTU在相同的波特率的情況下，數(shù)據(jù)的傳輸速率要比 ASCII 要快，因此監(jiān)控報警系統(tǒng)采用 RTU的機制。 雙 CAN 冗余熱備份技術(shù) 船舶在海上運行時的情況復雜，因此監(jiān)控報警系統(tǒng)需要很高的可靠性，而冗余技術(shù)正是一種用來提高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)，特別是對于在海上長時間運行的船只，在運行的 過程中如果發(fā)生 CAN 物理的斷裂的話，整個系統(tǒng)就報廢了。而雙 CAN 冗余技術(shù)為這種情況起到了一個以防萬一的作用。 冗余的資源一般包括信息冗余、硬件冗余、時間冗余和軟件冗余等 [12]。硬件冗余主要第二章 通信方式及相關(guān)技術(shù)原理分析 13 是指在整個系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵模塊或者易損壞模塊設(shè)置一些備用。在本文系統(tǒng)中，設(shè)置了兩條 CAN 作為系統(tǒng)的一部分。兩條 CAN 同時起作用，因此，即使一條 CAN 損壞，也不影響系統(tǒng)的正常運行。信息冗余只的是通過在傳輸?shù)男畔⒅屑尤胍恍┤哂嘈畔肀ＷC信息的正確性，比如數(shù)據(jù)幀中的 CRC 校驗碼。時間冗余是指當系統(tǒng)發(fā)生錯誤時，通過重復的指令來達到 修復錯誤的目的。比如說網(wǎng)絡(luò)上的斷線重連等技術(shù)。軟件冗余是指在軟件設(shè)計時，為了解決軟件錯誤，崩潰等可能，通過一些冗余的代碼和技術(shù)來達到這個目的。比如說 Windows中的系統(tǒng)自動恢復等。 熱備份是指數(shù)據(jù)庫運行在歸檔模式 (Archive Log)下的備份數(shù)據(jù)方法，歸檔模式是 Oracle數(shù)據(jù)庫運行的一種方式，它可以提高數(shù)據(jù)庫的可恢復性，但熱備份需要大量的磁盤空間用于存儲，船舶的復雜運行情況正是需要這種具有很好恢復性的技術(shù)來保證其報警信息的完整，而且正常運行的船舶一般很少產(chǎn)生報警信息，完全符合熱備份的條件。 在整個船 舶的機艙中 部署了 多個 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的主機用于監(jiān)視，而基于 CAN 總線的信息廣播機制，在每個主機中均會備份報警信息，以保證對船舶整體運行情況的監(jiān)視。雙 CAN冗余熱備份技術(shù)作為安全和穩(wěn)定機制，在整個系統(tǒng)中必不可少。 本章小結(jié) 本章對 監(jiān)控報警系統(tǒng) 所采用的現(xiàn)場總線技術(shù)進行了研究， 通過描述現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展歷史和標準化過程，總結(jié)了現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的優(yōu)勢和特點，并針對 監(jiān)控報警系統(tǒng) 對不同總線進行了比較分析，最后決定采用 CAN 總線進行組網(wǎng)通信。 本章還描述了 CAN 總線技術(shù)的概念和特點，并對 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的傳輸 時 的 CAN 總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進行了研究，從而決定了了 監(jiān)控報警系統(tǒng) 所采用的信息傳遞機制 和 應用層的通信協(xié)議并提出了提高系統(tǒng)可靠性的雙 CAN 冗余熱備份技術(shù)。 下一章將描述整個系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)和具體實現(xiàn)。 東南大學碩士學位論文 14 第三章 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的 分析與實現(xiàn) 船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)因船舶的不同系統(tǒng)組成有所差異，機艙監(jiān)測設(shè)備越多，系統(tǒng)越復雜。本系統(tǒng)以一艘 2500 噸的載機漁政船為監(jiān)測對象進行機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計，該船監(jiān)測點數(shù)量較少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大型船舶簡單，但包含了監(jiān)測報警系統(tǒng)必備的各項關(guān)鍵組成。 本章從 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的軟硬件設(shè)計入手，逐步分解 監(jiān)控報 警系統(tǒng) 的工作流程和具體實現(xiàn)。在軟硬件設(shè)計方面遵循中國船級社的技術(shù)指標和行業(yè)規(guī)范，使用完備的工作流程和報警流程來保證系統(tǒng)的安全性，通過對系統(tǒng)監(jiān)測點的研究建立起整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)和方式，并對具體實現(xiàn)做了詳細的分析。 系統(tǒng)主要技術(shù)指標要求 船舶工業(yè)對船舶報警 監(jiān)控報警系統(tǒng) 有一些具體的技術(shù)指標及行業(yè)規(guī)范，所有的產(chǎn)品都必須遵循這些指標和規(guī)范。本文對系統(tǒng)的指標和規(guī)范進行了概括和總結(jié)，如下 文 所示。 主要功能技術(shù)指標 機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)在設(shè)計時必須滿足以下技術(shù)要求： 的運行狀態(tài)及其參數(shù)，一旦運行設(shè)備發(fā)生故障，自動發(fā)出聲、光報警信號。對于無人值守機艙，監(jiān)測報警系統(tǒng)還能把報警信號延伸到駕駛臺、公共場所、輪機長房間和值班輪機員的住所。 ：聲光報警、參數(shù)與狀態(tài)顯示、打印記錄、報警延時、報警閉鎖、延伸報警、失職報警、值班呼叫、測試功能、備用電源的自動投入等。 ：一類是開關(guān)量，另一類是模擬量。 ： ? 標準化。顯控、信號采集、控制等設(shè)備采用標準化的軟硬件模塊，可以根據(jù) 船型和設(shè)計要求的不同增刪相應的模塊的功能； ? 網(wǎng)絡(luò)化。所有設(shè)備全部進行網(wǎng)絡(luò)連接，這樣不僅可以減少系統(tǒng)的接線成本，而且可以提高可靠性，便于系統(tǒng)和設(shè)備的綜合管理； ? 智能化。系統(tǒng)通過標準化功能模塊的自學習和自修復功能，當系統(tǒng)中部分節(jié)點發(fā)生故障時仍能保證系統(tǒng)的有效，并通過系統(tǒng)自行配制對監(jiān)測系統(tǒng)進行修復。 第三章 監(jiān)控報警系統(tǒng)的分析與實現(xiàn) 15 產(chǎn)品行業(yè)規(guī)范要求 船舶監(jiān)控報警系統(tǒng)除了要滿足以上技術(shù)要求外，還需按照《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》[13]、《船舶機艙監(jiān)視報警裝置技術(shù)條件》 [14]和《電氣電子產(chǎn)品型式認可試驗指南》 [15]等相關(guān)行業(yè)規(guī)范，此處從規(guī) 范中 總結(jié) 了以下 的重點 要求： ： 環(huán)境溫度： 0℃ ～ 55℃ 。 濕度：當溫度小于或等于 40℃ 時，相對濕度為 95%～ 100%，當溫度大于 40℃ 時，相對濕度為 70%。 振動：頻率在 ～ ，位移幅值為土 ，頻率在 ～ 80Hz 時，加速度幅值在士 。 ：如報警己經(jīng)應答，而且在第一次故障消除前又發(fā)生了第二次故障，此時應再次發(fā)出視覺和聽覺報警信號。瞬時的故障發(fā)出的報警在應答前要予以保持。 ：監(jiān)視和報警整定值的修改，僅限于指定人員借助鑰 匙等工具，或使用專用代碼等方法才能進行。在建造檢驗后，應特別注意重要功能報警整定值的修改是否合理。 ：在報警觸發(fā)時應在 2s 時間內(nèi)顯示出報警通道；報警功能應優(yōu)先于計算機其他操作動作，包括故障搜尋程序。對字母數(shù)字的顯示、列表和圖形顯示應能迅速調(diào)用，其最大調(diào)用時間應滿足：優(yōu)先級高的所有報警和報警列表顯示小于或等于 2s，較低級別的列表和圖形顯示應小于或等于 30s。 ：監(jiān)視和報警系統(tǒng)用計算機系統(tǒng)應由獨立的饋電線供電。當系統(tǒng)主電源供電出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)應自動轉(zhuǎn)接到計算機系統(tǒng)的備用電源，該備用 電源的容量應至少保證不中斷持續(xù)供電 30min。 、振動、濕熱、防鹽霧、耐壓、防靜電、浪涌等電氣指標進行認證。 系統(tǒng)硬件架構(gòu) 本系統(tǒng)所設(shè)計的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)由處理單元、記錄打印單元、人機接口單元、信號采集單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元、電源保障單元、延伸報警和簡易報警幾部分組成。處理單元是處理報警信息的監(jiān)測計算機，信號采集單元是各種信號采集模塊，延伸報警和簡易報警是分布在各艙室的復示器和報警燈板。系統(tǒng)拓撲圖如圖 所示。 東南大學碩士學位論文 16 圖 監(jiān)控報警系統(tǒng)拓撲圖 船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)需要對主機、發(fā)電機組、舵機及其他船舶輔機的各類傳感器信號進行監(jiān)測，傳感器一般都是隨主機廠商或船廠配置，在系統(tǒng)設(shè)計時需要根據(jù)各種傳感器的類型和位置編制信號監(jiān)測點表，本系統(tǒng)根據(jù)一艘 2500 噸的載機漁政船的傳感器信號進行機艙監(jiān)測點的編制工作，具體監(jiān)測點清單詳見附錄 A。 在機艙中各個被監(jiān)測設(shè)備附近設(shè)置信號采集箱對各種傳感器信號進行采集，通過冗余的CAN 總線與集控室的監(jiān)測計算機進行通信。集控室配備兩臺監(jiān)測計算機，工作時分別擔任參數(shù)顯示和報警的任務，同時兩臺機算機進行冗余備份，提高可靠性。在集控室還配置 了打印機和報警燈板，是系統(tǒng)中的記錄打印單元和簡易報警單元。 在駕控室配置一臺監(jiān)測計算機供駕駛者查詢機艙設(shè)備狀態(tài)和報警故障信息，駕控室的報警燈板作重要故障的報警指示用。 在船舶的其它艙室如船長室、值班船員的起居室等設(shè)置復示器 (延伸報警板 )，該設(shè)備屬于延伸報警單元，通過 CAN 總線接收集控室監(jiān)測計算機發(fā)出的分組報警信息供船員查看。 船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)具有定制性，對于不同的船舶，因此需要根據(jù)機艙信號的種類和數(shù)量，以及船舶構(gòu)造組成的不同進行配置。 為了適應不同類型船舶對機艙監(jiān)測報警的需求，船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)在設(shè)計時采用模 塊化第三章 監(jiān)控報警系統(tǒng)的分析與實現(xiàn) 17 設(shè)計方式，提高了系統(tǒng)的通用性和可配置性。系統(tǒng)主要由處理單元、報警記錄單元、人機接口單元、電源保障單元、延伸報警顯示單元、信號采集單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元、簡易報警單元等幾大單元模塊組成，各單元模塊的功能及在機艙內(nèi)的位置分布情況如表 所示。 表 各單元模塊的功能及在機艙內(nèi)的分布情況 處理單元主要擔任機艙信號的讀取，報警顯示和處理，延伸報警控制，報警記錄打印，系統(tǒng)故障診斷等任務。一般由計算機作為處理單元，考慮到船舶設(shè)備對監(jiān)測計算機的特殊要求，如抗振、防潮、防鹽霧等，采用已通過 CCS 認證的一體化工控機，保證船舶應用中的可靠性。圖 為一體化工控機。 圖 一體化工控機 模塊 功能 位置區(qū)域 處理單元 顯示和報警處理 集控室、駕控室 報警記錄單元 報警和事件打印 集控室 人機接口單元 參數(shù)輸入和更改 集控室，駕控室 信號采集單元 傳感器信號采集 機艙 網(wǎng)絡(luò)通信單元 通信中繼和接口 轉(zhuǎn)換 機艙，集控室 延伸報警顯示單元 報警信息遠端顯示 駕控室，公共場所、輪機長， 值班輪機員房間等 電源保障單元 保證供電的可靠性 集控室 簡易報警單元 主要參數(shù)快速報警 集控室，駕控室 東南大學碩士學位論文 18 信號采集單元主要的功能是對機艙內(nèi)所有的傳感器信號進行采集，并將采集信號傳送到處理單元。機艙內(nèi)有大量的信號需要采集，根據(jù)信號類型可以分為開關(guān)量信號、電流模擬量信號、 PT100 模擬量信號、熱電偶模擬量信號四種。為了適合不同的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，采用單一功能采集模塊的方法進行設(shè)計，提高了信號采集系統(tǒng)的可配置性。對應以上四種傳感器信號，采用三種分布式采集模塊進行采集，分別是開關(guān)量采集模