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1、1 基于网络环境的舰船动力装置监控系统研发平台开发 基于网络环境的舰船动力装置监控系统研发平台开发 Development of R&D Platform for Network Based Monitoring Systems of Ships Power Units 路勇 杨家龙 滕万庆 孙文福 曹云鹏（哈尔滨工程大学动力与核能工程学院，哈尔滨 150001）摘 要 介绍了舰船动力装置监控系统研发平台的研究与开发。在对几种典型监控系统做了比较的基础上，提出基于美国 RockWell 的工业控制网络技术，完成设备网（DeviceNet）、控制网（ControlNet）和以太网（EtherNe
2、t）三层网络体系构架的现场总线控制系统(FCS)，并模拟实现对船舶机舱动力装置监控的功能。关键词 现场总线 FCS 机舱监控 Abstract Development of a R&D platform for monitoring systems of ships power units is described.Based on the comparison among several typical monitoring systems,a field control system is given.It is based on Rockwell industrial control n
3、etwork technology and structured with a three hierarchy architecture consisting of DeviceNet,ControlNet and Ethernet.Its monitoring functions of ships power units are implemented simulatively through the laboratory.Keywords Fieldbus FCS Ships engine room monitoring 0 引言 网络型控制系统是舰船机舱自动化的发展方向，也是目前新造舰船
4、和民用船舶的主流应用方向。现代船舶机舱自动化的特点就是建立在计算机通信技术基础上的对不同控制部位及控制功能的网络化，以及由此带来的数字化、标准化和智能化。根据网络形式的不同，舰船动力装置控制系统可分为集散型控制系统（DCS）和现场总线型控制系统（FCS）1。现场总线型控制系统是建立在基于嵌入式计算技术的数字化传感器和数字化执行机构基础上的，是比集散控制系统更为新型的控制系统123。FCS 方案能够将各分散系统通过网络连成一体，便于实现集中管理和控制。FCS 网络监控方式继承了集中型和分散型控制系统的优点，成为当今船舶机舱自动化的发展方向。目前国际上各主要生产厂商的机舱动力装置监控系统均为网络控
5、制系统。总体上讲,我国自行研制的船舶机舱监控系统绝大多数属于电、气（液）动及中小规模集成电子模块组合逻辑控制和中小型计算机集中控制。即便是微机监控系统基本上也是结构固定、只适用于某型船或某型机的单一系统，很难形成系列化和标准化。本文将对舰船动力装置实施网络环境下基于 RockWell 的 FCS 控制进行阐述。1 罗克韦尔 FCS 自动化系统 美国罗克韦尔（RockWell）自动化公司的工业总线控制系统3与世界上流行的总线标准（如 CAN 总线）完全兼容。它基于设备网（DeviceNet）、控制网（ControlNet）和以太网（EtherNet）的三层工业控制网络系统，可将高速离散控制、过程
6、控制、协调传动控制、批次控制和安全控制融合于一个控制引擎（Logix 控制平台）上，同时兼顾不同规模和具体使2 用特点，利用相同的编程工具（Logix5000 编程软件和 RsView32 可视化人机界面监控软件）和共同开放的网络体系构架开发相应的应用软件。我们采用成熟的 Netlinx（由 Net 网络和Linx 开放式接口组成的结构）开放式现场总线网络在底层设备和管理层之间提供连接，能有效地实现系统组态、数据采集和控制。其中 Net 是基于生产者/消费者的通信模型，支持多播式、事件触发和周期性触发等发送机制，能很好保证无缝信息连接和控制数据流传输，并能方便地与 Internet 连接起来，
7、使得本来就强大的网络更加强大。2 研发平台网络体系构架 基于 RockWell 的三级网络构架体系如图 1 所示，各层的功能非常明晰。数据库服务器 设备网模块（现场交换机）集 控 室 工 作 站以 太 网 200M b/s现场设备动力信息网交换机工作站PLC-1756控制器控 制 网(光 纤)PLC-1756（控制器协处理器）拖动装置控制器伺服机构控制器 设 备 网(CA N 总 线)柴电机组泵系主机传感器（互联网）冗余总线（热备份）(同 轴 电 缆)设 备 网I/O模 块及 控 制 器工作站工作站以太网总线（光纤）RSLinx网桥RS-485接口控制器PLC-1756 图 1 开发平台网络体
8、系构架图 2.1 设备层 设备网(DeviceNet)是一种柔性的开放性的网络，开发平台以一条设备总线（与 CAN 总线全兼容）的形式深入到动力装置现场设备当中，机舱内的各种设备、仪表（如柴油发动机、电站及泵辅系统和各种传感器）只要其输出符合工业标准，即 420mA、05V,即可直接接入设备网所带的模块。若输出信号形式特殊，如热电偶、高速脉冲等，可通过相应的特殊模块接入控制网。针对本研发平台并结合我们的实际条件，现场设备可以用柴油发动机实体、船舶机舱内的仪器仪表及相关传感器或直接用模拟信号来模拟采集输入量和用示波器直接显示控制输出量，以此方式来替代机舱部分现场设备。通过两块型号为 1756-D
9、NB 的设备网扫描模块与控制网 PLC 相连。设备网总线物理传输介质采用 RG-6/U 同轴电缆,特点是廉价、抗干扰性强、安装简单。根据实际需要，其长度可延伸至 1000m。2.2 控制层 3 控制层(ControlNet)结构形式为以 Controllogix5000 处理器为主的 PLC（1756 系列）电源模块、CPU 模块、I/O 模块及相关的特殊模块的 Controllogix 系统。同时上层以太网网桥模块和下层设备网扫描模块也在此层网络架构中，以实现三层网之间的通信。为保证不同网控制点监控任务的完成和网络体系的实现，采了用两套 PLC 模块构成控制层网络。针对舰船动力装置监控对象的
10、实际情况，对控制层主要模块选型如下：电源模块均为 1756-PA75；机架分别为 17 槽和 13 槽；设备网扫描模块、控制网网桥、以太网网桥模块型号分别为1756-DNB、1756-CNB、1756-ENBT；模拟 I/O、数字 I/O 模块分别为 1756-IF8、1756-OF4、1756-IM16I、1756-OW16I；同时考虑到舰船柴油主机、电站辅机的调速控制、相关泵体及环境监测参数的要求，选用与脉冲设备相连的 1756-HSC 高速计数模块等。控制网总线物理传输介质采用单模光纤，主要特点是抗高电磁干扰及提供高带宽，根据需要可延伸至 25km。2.3 管理层 这一层采用符合标准的
11、CSMA/CD 介质访问控制的以太网结构，计算机系统通过以太网和1756-ENBT 网桥与控制层模块相连。同时考虑到以太网通信相应的 不确定性，采用 LonWorks通信协议。本平台利用 PC 机通过以太网网桥模块 1756-ENBT 与控制层进行网络通信组成上层以太网（信息管理层），利用 RSView32 组态软件开发可视化人机监控界面。RSView32 是面向监控和数据采集系统的软件平台工具,处于运行状态的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，与各种控制、检测设备共同构成快速响应/控制中心。3 实现原理 舰船机舱的所有动力设备如柴油主机、电站辅机及所有泵浦系统的
12、启动、加速度负荷控制、转速调节与限制、安全报警、环境监测等参数通过传感器或执行机构按符合工业标准的输入输出信号（420mA、05V）直接挂在 DeviceNet 设备层所带的模块上。设备总线通过1756-DNB 与 ContrlNet 上的 PLC 控制器相连并由其控制，可方便而快速地实现与机舱现场大量设备的高速数据交换，极大地减少了底层的接线电缆。车钟指令由上层以太网发出，经由ContrlNet 上的 PLC 转到 DeviceNet 上的转速调节机构上，调节期间的转速信号实时反馈到PLC 及上位机，并在控制层的各个 PLC 之间对所有相关信号进行控制数据的交换、控制的协调等。控制网除了满足
13、多个 PLC 的连接外，也完成了智能化的高速实时控制、I/O 数据处理及传输功能。3.1 PLC 监测信号采集处理系统实现 舰船机舱监控系统平台选用了 Logix5000 系列模块式 PLC 和它的配套编程软件RSLogix5000。用 RSLogix5000 通过对机舱现场开关量信号、模拟量信号的处理来完成 PLC的监测信号采集。PLC 对开关量的信号处理比较简单，只需采集监测点信号进行延时处理，并进行传感器故障自检即可。对于模拟量信号，系统首先根据机舱主辅机、电站、及其他泵浦系统和环境参数监测传感器的信号性质来设定模拟量模块或特殊功能模块的控制字。对这些信号进行滤波处理及单位变换后，再进行
14、监测点数据采集、分析、设定报警限、监测越权限，最后才能进行传感器故障自检。用 RSlogix5000 完成的 PLC 检测信号采集处理系统可分为对开关量信号的处理、对模拟信号的处理、对内存参数修改的处理等 3 类。通过软件设计，系统由一个主程序循环检测监控的数据信息，流程图如图 2 所示。为了避免信号瞬间越限引起不必要的报警，这里对所有4 信号的报警判断都采用延时处理。开关量的报警时间可以通过上位机发送指令在线修改。对于模拟量信号系统首先根据监测传感器的信号性质设定模拟量和特殊功能模块的控制字，并对其进行滤波处理和单位变换，然后进行监测点数据采集和牵连关系分析，最后才能根据设定的报警限和延时限
15、判断监测信号是否越限，并进行传感器的故障自检。模拟量信号的报警限、延时限和控制字相关信息都可以通过上位机发送指令在 PLC 上修改。3.2 图形界面开发实现 开发平台的 CRT 图形显示监控站借助于 RSView32 实现，提供一个直观的基于对象的图形化用户接口界面。RSview32 具有如下监控特点：实时多任务 主要体现在数据采集输出、数据处理与算法实现、图形显示与人及对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务在同一台计算机上同时运行；高可靠性 在正常的情况下，软件系统能够稳定可靠地运行。如对系统要求更高，可以利用冗余技术构成双机乃至多机备用系统。面向工程自动化设计人员 组态软件可以
16、使工程设计人员方便快捷地设计、编制和修改应用程序，而不需修改软件程序的源代码。使用 RSView32 平台将使整个实验装置具有图形监测显示、提供在线监视和历史曲线及趋势图显示功能，查询数据历史记录及报警历史记录功能，同时能够以多媒体手段控制整个动力设备运行过程，具有修改机舱监测参数报警限值、用户权限设置等功能。3.3 网络通信功能实现 RSLinx 主要用于网络通信驱动，为 PLC 提供一个软件的通信接口，以实现过程控制和动态数据交换及 Custom C/C+接口功能。其中动态数据交换接口支持处理器与人机界面软件进行通信，并可以方便地与数据库用软件配合使用。动态数据交换示意图如图 3 所示。图
17、 2 PLC 信号采集流程 图 3 过程控制和动态数据交换 4 系统调试及后续工作 完成系统硬件选型及软件配置后进行包含机舱底层设备网在内的网络构建，具体步骤如下：进行三层网络的整体规划合理布线；将监控机舱对象的 DeviceNet 网络节点设备或模拟仪器装置连接在设备总线上；安装调试通信和组态软件并将添加到 DeviceNet 网络上的每个设备分配节点地址，设置正确的通信波特率；将编程终端（本设计用 PC 机）通过通信板卡连接到（1756）PLC 上并建立通信；通过上层以太网利用 RSView32 开发机舱监控及管理界面。5 平台内部包含控制层所有模块及以太网网桥模块、设备网扫描模块，上表面
18、主要由上位机监控 CRT 显示屏和一系列的开关、按钮组成。基于 RockWell 的机舱监控开发平台的成功设计对我国舰船机舱网络式监控系统运行的可靠性研究，对舰船网络多设备协同工作、状态监控报警、应用软件开发等一系列的机舱自动化难题提供了很好的研发环境。下一步工作将集中于系统界面的开发，使机舱各监控部位能够在上位机显示器界面显示其状态和参数，并将修改后的参数送回控制器，使得在上位机能够对机舱实施监控。另外，将对监控点实施不同部位控制时的控制性能及效果进行分析，以期找出三层结构中的最佳控制部位和方法。参考文献 1 尚作斌等.机舱自动化的发展趋势研究，World Shipping,2001.8(4)2 周祖德.基于网络的智能控制M.国防工业出版社.2004.1 3 周 明.现场总线控制M.中国电力出版社.2002.1 4 Logix5555 Controller 使用手册 5 Allen-Bradley 可编程控制器系统手册 6 Rockwell Automation.DeviceNet System Overview,Apr 1999 7 赵国光等.船舶动力装置自动化.国防工业出版社 8 张玉艳等.View32 组态软件及其应用J.力高等专科学校学报,2002.4（4）第一作者路勇男，1978 年 4 月生，哈尔滨工程大学动力与核能工程学院交通运输教研室助教，硕士。