鄭月節(jié) 李海全 馬 君

（江蘇安科瑞電器制造有限公司 江陰214405）

高可靠性船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)

鄭月節(jié) 李海全 馬 君

（江蘇安科瑞電器制造有限公司 江陰214405）

介紹一種船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)，闡述監(jiān)控主機、控制模塊、報警模塊、協(xié)議轉換模塊的功能。該系統(tǒng)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，能夠現(xiàn)場及遠程控制水密門的狀態(tài)、自動監(jiān)測系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，并對系統(tǒng)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。

船用水密門；監(jiān)控系統(tǒng)；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(tǒng)，其中水密門監(jiān)控系統(tǒng)推動了船舶自動的進程和“智能型”船舶的實現(xiàn)［1-2］，該系統(tǒng)用于確保船舶在行駛過程中的安全性，其主要負責監(jiān)測船艙內與水密門相關的動力設備的運行狀態(tài)和運行參數，可以自動監(jiān)測設備在運行中發(fā)生的故障，并記錄保存故障信息，發(fā)出聲光報警信息［3-4］。本文介紹一種基于RS485總線的水密門監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)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的狀態(tài)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(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構圖

本船用水密門監(jiān)控系統(tǒng)充分考慮水密門系統(tǒng)自身特性，主要從系統(tǒng)安全可靠出發(fā)，兼容系統(tǒng)的操作性、維護性、可擴展性，整個系統(tǒng)采用模塊化設計，主要由以下4個部分組成：監(jiān)控主機（TPC7062K）、控制模塊（AWD16-C）、報警模塊（AWD16-A）、協(xié)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(tǒng)網絡結構圖

系統(tǒng)的監(jiān)控主機與協(xié)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置在船艙內水密門現(xiàn)場?？刂颇K和報警模塊通過RS485接口與監(jiān)控主機連接，協(xié)議轉換模塊通過RS232接口與監(jiān)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(tǒng)。每個系統(tǒng)由一個監(jiān)控主機、一個協(xié)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(tǒng)工作原理及流程

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)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(tài)信息，實時顯示水密門的狀態(tài)，記錄開關門及系統(tǒng)的報警信息，并負責向協(xié)議轉換模塊發(fā)送標準的Modbus-RTU協(xié)議報文；當協(xié)議轉換模塊接收到監(jiān)控主機發(fā)送來的報文時，將其轉換為VDR報文，然后發(fā)送至航行記錄儀中；監(jiān)控主機也可控制現(xiàn)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(xiàn)場的信號線連接，實時采集現(xiàn)場的狀態(tài)信息并判斷，做出相應的動作及報警指示。

1.2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件設計分為：用C語言編寫控制模塊、報警模塊以及協(xié)議轉換模塊；用腳本語言編寫監(jiān)控主機。系統(tǒng)工作流程圖如下頁圖2所示。系統(tǒng)通電后，首先進行初始化，完成初始化后，監(jiān)控主機向控制模塊、報警模塊發(fā)送報文，以完成對系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、記錄及傳送，協(xié)議轉換模塊向監(jiān)控主機發(fā)送查詢報文，判斷是否需要發(fā)送VDR報文。若系統(tǒng)無故障，則正常運行，否則系統(tǒng)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(xù)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(guī)定的時間內自動消音；協(xié)議轉換模塊的正常工作過程為：給監(jiān)控主機發(fā)送查詢報文，若回送的報文中有報警及開關門動作信息時，則將讀取的Modbus協(xié)議報文轉化為VDR報文格式傳送至航行記錄儀。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2　監(jiān)控主機

監(jiān)控主機是水密門監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，顯示器分辨率為800×480、65 535色數字真彩、177.8 mm（7 in）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(tài)，顯示、記錄、查詢系統(tǒng)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。

圖3 人機界面主頁

此外，監(jiān)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(xié)議轉換模塊，由協(xié)議轉換模塊最終傳送至船舶VDR系統(tǒng)。監(jiān)控主機具有屏幕保護功能，能較好地滿足船舶夜間航行的要求；中英文顯示界面自由切換，擴展了其應用市場。

3　控制模塊與報警模塊

控制模塊與報警模塊負責現(xiàn)場水密門各種動作控制及系統(tǒng)狀態(tài)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，5A/250 VAC/30 VDC，節(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)的水密門現(xiàn)場控制器改為獨立控制模塊與報警模塊提高了系統(tǒng)魯棒性，且模塊采用某知名公司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(xiàn)象，最大化地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，且通過公司內部測試及客戶現(xiàn)場使用情況證明，該系統(tǒng)設計達到了預期效果，其原理框圖如圖4所示。

4　協(xié)議轉換模塊

4.1 模塊功能

圖4 控制模塊與報警模塊原理框圖

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

圖5 協(xié)議轉換模塊原理圖

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(fā)事件的設備，其設計的初始目的與用途是為便于查詢海事事故［5］，系統(tǒng)的VDR報文滿足IEC61162-1-2010標準。

4.2 Modbus-RTU與VDR協(xié)議

Modbus是一個請求/應答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務。目前，可以通過以太網的TCP/ IP以及各種介質（有線：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(xiàn)Modbus通信，其主要傳輸模式有：RTU、ASCII［6］。本系統(tǒng)主要用Modbus-RTU，03功能碼，具體報文格式舉例如下頁表1所示。

IEC61162-1-2010 文檔中明確地對船載自動導航設備（AIS）信息采集和處理進行規(guī)范化的闡述，本文使用的VDR通訊協(xié)議數據格式如圖6所示［7］。

表1 Modbus-RTU報文格式

圖6 VDR通訊協(xié)議數據格式

5　結　論

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

［1］ 馬善偉， 臧軍，劉赟. 船舶自動化系統(tǒng)若干關鍵問題研究［J］.上海造船，2011 （l）：68-71.

［2］ 馬馳譽. 船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連海事大學，2009.

［3］ 楊建勛. 船舶水密門單片機控制系統(tǒng)的設計［J］. 武漢船舶職業(yè)技術學院報，2011（3）：23-24.

［4］ 王榮，黃睿，劉冬，等. 工程船液壓滑動水密門控制系統(tǒng)設計 ［J］.廣東造船，2011 （2）：56-57.

［5］ 何曉東. VDR在海上移動式平臺中的應用研究與實現(xiàn)［D］.大連：大連海事大學，2013.

［6］ 歐陽勁松， 孫昕， 劉鐵椎，等. GB/Z 19582.1-2004， 基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網絡規(guī)范 ［S］. 北京：［s.n.］， 2004： 4 -13.

［7］ IEC61162-1-2010，Maritime Navigation and Radiocommunication Equipment and Systems ［S］. Geneva： ［s.n.］，2010：23-36.

Monitoring system of marine watertight door with high reliability

ZHENG Yue-jie LI Hai-quan MA Jun
(Jiangsu Acrel Co.,Ltd., Jiangyin 214405, China)

This article introduces a monitoring system of marine watertight door， and illustrates the functions of monitoring host computer， control module， alarm module and protocol conversion module. This system is networked by the RS485 bus following the modular design concept of the decentralized control and centralized management. It can control the state of the watertight door and the various status information of the automonitoring system locally or remotely. In addition， it is functioned with the real-time display of system faults，buzzer alarm and record， etc. Therefore， the automatic level of ships are improved to ensure the safety of the ships in the navigation.

marine watertight door； monitoring system； RS485 bus

U664.83

A

1001-9855（2016）01-0072-05

2015-04-30；

2015-06-01

鄭月節(jié)（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：工控產品的設計和開發(fā)。李海全（1980-），男，工程師，研究方向：工控產品的設計和開發(fā)。馬 君（1985-），男，助理工程師，研究方向：工控產品的設計和開發(fā)。