【正文】 ineering Southeast University June 2020 東 南 大 學 學 位 論 文 獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。 研究生簽名： 日 期： 東 南 大 學 學 位 論 文 使 用 授 權(quán) 聲 明 東南大學、中國科學技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔， 可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。 研究生簽名： 導師簽名： 日 期：摘要 I 摘要 隨著我國經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，我國船舶行業(yè)對于信息化和安全保障的需求越來越高。而監(jiān)控報警系統(tǒng)作為船舶信息化和安全保障的基礎(chǔ)性設(shè)備，無論是新 造 船只 還是舊船改造都需要配備，本課題 正是 在 此背景 下進行的 研究和開發(fā)。它采用雙 CAN 冗余熱備份技術(shù)，有效的保證了系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性。 二 ． 在監(jiān)控報警系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)的具體設(shè)計中，通過對 CAN 總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信機制的分析，提出了模塊化的設(shè)計方案，提高了監(jiān)控報警系統(tǒng)的開發(fā)效率，減少了維護成本。 通過 對監(jiān)控 報警系統(tǒng)UI 的 研究，開發(fā) 了系統(tǒng) 專用的控件庫， 實現(xiàn)了系統(tǒng) UI 的模塊化搭建。 論文的研究工作初步解決了船舶 監(jiān)控報警系統(tǒng) 設(shè)計過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，基本滿足了船舶重要設(shè)備的監(jiān)控報警， 集中式監(jiān)控報警，監(jiān)測點可配置化和遠程實時報警等需求，系統(tǒng)人機界面友好，安全性和可靠性高，報警實時，具有很好的工程應用價值。s economic and technology development, China39。s Monitoring and Alarm System. The system is based on the CAN bus work, and it is a set of monitoring ship status, control monitoring points and alarm abnormal data in one platform. It uses redundant dual CAN and hot backup technology to ensure system reliability and data security. Specifically, this paper made the following work for the development of Monitoring and Alarm System: Firstly, by studying the FCS and the DCS system’s characteristics and the advantages and disadvantages, this paper designed the main architecture of the Monitoring and Alarm System. The paper specifically discussed the performance and characteristics of the fieldbus technology, and the Monitoring and Alarm System used the CAN bus as the munication bus of the system. Studying on the system’s munication mechanism, this paper raised redundant dual CAN and hot backup technology to ensure system reliability and data security. Secondly, on designing the hardware and software’s architecture of the Monitoring and Alarm System, and by the analysis of the CAN bus data structures and munication mechanisms, this paper raised the modular design to improve the development efficiency of the system, and reduced maintenance costs. Thirdly, the design on workflow and alarm handling process of the Monitoring and Alarm System ensured the security of the system, and through optimizing the operation mechanism after the system startup to achieve a rationalization of the use of system resources. After studying on the UI of the Monitoring and Alarm System, the author developed a systemspecific control library to achieve the modular structures of the system UI. Fourthly, by understanding of the requirements analysis and the performance indicators of the extension alarm board system, designed the overall system structure and function, and achieved the synchronous munication, the key processing, the alarm search, the CAN interrupt detection, the automatic silence and the alarm merger of the extension alarm board system. The paper’s work initially solved some of the key technical problems in the design of the Vessel39。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。 船舶機艙設(shè)備眾多和復雜，為確保船舶及各機艙設(shè)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。 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。 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(jié)構(gòu)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。 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(shè)備，但是國外廠商的設(shè)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。 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。 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(shù)和工業(yè)控制理論的發(fā)展而發(fā)展起來的。 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。 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(lǐng)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。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。它是因為計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。 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(shè)有分支機構(gòu)，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)。 2020 年營業(yè)收入約合人民幣 170 億元。 ? 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。中國業(yè)務依托于上海公司全權(quán)代理，并在泰州設(shè)有獨資企業(yè)專門生產(chǎn)配電板，自動化和導航系統(tǒng)。目前最新的產(chǎn)品為 MOS 2200。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。 2020 年產(chǎn)值約 2 億元。 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。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(shù)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(gòu)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(shè)備不具有雙向通信能力、控制速度不能滿足要求等問題 [14]。 FCS繼承了 DCS 的許多成熟技術(shù)，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(shè)備的智能化，利用現(xiàn)場總線將一個個分散設(shè)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。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(shè)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(jié)構(gòu) 多級分層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，點對點的接線方式，計算機，控制站，測控設(shè)備 3 層結(jié)構(gòu) 使用現(xiàn)場總線連接多臺測控設(shè)備，簡化為計算機和測控設(shè)備 2 層結(jié)構(gòu) 盡管 DCS系統(tǒng)以其成熟的技術(shù)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(zhuǎn)，本論文正是基于 FCS 系統(tǒng)的開發(fā)和研究所展開。 第二章分析了監(jiān)測報警系統(tǒng)使用的 CAN 總線通信技術(shù)及原理。 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(shè)計與實現(xiàn) 。 第六章總結(jié)和展望。 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。 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(shù)發(fā)展及特點來 介紹 監(jiān)控報警系統(tǒng) 的底層通信技術(shù)，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。 現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn) 場總線是 作為目前在工業(yè)智能控制領(lǐng)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]。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。 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。 HART 協(xié)議 已是現(xiàn)場總線的雛形。 1987年，以 Siemens， Rosemount， 橫河 等幾家著名公司為首也成立了一個專門委員會互操作系統(tǒng)協(xié)議（ ISP）并制定了 PROFIBUS協(xié)議。隨著時間的推移，世界逐漸形成了兩個針鋒相對的互相競爭的現(xiàn)場總線集團：一個是以 Siemens、 Rosemount、橫河為首的 ISP 集團；另一個是由 Honeywell、 Bailey 等公司牽頭的 WorldFIP集團。對于現(xiàn)場總線的技術(shù)發(fā)展和制定標準，基金委員會取得以下共識：共同制定遵循IEC/ISA SP50 協(xié)議標準；商定現(xiàn)場總線 技術(shù)發(fā)展階段時