船舶机舱设备的双层网络控制系统设计

[摘 要]船舶监控报警系统是轮机管理人员对机舱动力设备及系统进行维护与管理的重要依据，特别是在现代化无入机舱船舶，设备的安全运行在很大程度上依赖于先进的检测报警技术。它将设备及系统的运行状态信息通过网络传输到远程监控终端，并可对系统非正常状态及参数越限等故障进行报警提示。

[关键词]船舶机舱设备；双层网络；网络拓扑结构

[DOI]10. 13939/j. cnki. zgsc. 2016. 06. 062

信息技术是体现船舶建造水平的重要标志，广义上的信息技术包含传感器技术、计算机技术、自动化技术和通信技术等，随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，以大规模集成电路为基础的微电子技术及计算机软件技术已经成为信息技术的核心内容。船舶建造领域除了采用以计算机为主体的现代化工业控制技术外，网络技术也越来越广泛的应用到船舶建造中。特别是近年来船舶向着大型化、集成化方向发展，以总线为核心的网络控制及信息集成技术，已经越来越成为提高船舶建造附加值的必要手段。由于PLC及基于PLC的网络通信技术的快速发展，开发手段成熟完善，采用基于PLC的船舶机舱设备控制系统将具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好、安装调试及维护方便、组网成本低等优点。考虑到施耐德PLC技术和产品的优良特性，以施耐德Mod-icon M340 PLC控制器为核心，设计配置双层网络的船舶机舱设备控制系统，在实验室条件下进行试验考核。

1 软件体系结构

船舶机舱综合监控网络人机交互功能采用计算机监控软件界面来实现。为了能够满足无入机舱及远程监控等功能，还需要设置延伸报警功能。根据系统要求及功能不同，可以采用B/S（浏览器/服务器）结构，也可以采用C/S（客户机/服务器）结构。B/S结构是基于WEB开发的网络模式，浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer，服务器安装Oracle、Informix或SQL Server等数据库，浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。B/S最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零安装、零维护。系统的扩展非常容易。C/S结构的优点在于可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通信开销。Client和Server常常分别处在相距很远的两台计算机上，Client程序的任务是将用户的要求提交给Server程序，再将Server程序返回的结果以特定的形式显示给用户。Server程序的任务是接收客户程序提出的服务请求，进行相应的处理，再将结果返回给客户程序。传统的C/S体系结构虽然采用的是开放模式，但这只是系统开发一级的开放性，在特定的应用中无论是Client端还是Server端都还需要特定的软件支持。C/S结构的软件需要针对不同的操作系统开发不同版本的软件。

2 网络化硬件系统构建

现代船舶需要集中监控的机舱设备、装置及系统包括主机及辅助系统、发电机组、空压机、各类泵组、液压及通风机械、损害管制设备和系统等，安装分布于主机舱、辅机舱、轴系舱等多个舱室，涉及温度、压力、流量、液位、转速等多类监测和控制信号。这些被监测量不仅数量众多，而且控制要求不尽相同。基于高性能的网络架构不仅可确保机舱控制系统对恶劣工作环境和各种干扰的适应性，而且还能够保证各类信号高速准确地传输。为实现集中监控和管理，简化控制系统的安装、调试和维护，根据Modicon M340 PLC的技术特点，在设计中采用以太网和Modbus总线双层网络架构形式。考虑到信息处理量相对较大，上位机监控操作和信息管理站与PLC控制设备之间采用基于TCP/IP协议的以太网；PLC控制设备和触控屏设备之间通过Modbus总线构建底层通信网络。双层网络控制系统中驾控和集中信息管理站基于加固微机技术实现，一方面具有通常监控功能，另一方面便于应用基于微机的丰富软件资源开发船舶机舱设备的状态监测、故障诊断，以及健康预测等功能，并提供与岸基远程支持平台的信号交互接口，实现功能扩展；基于PLC触控屏的集中监控站位于机舱集中控制室，用于全面实现机舱设备的监测报警、自动控制和安全保护等功能。系统正常工作时，现场传感设备采集的参数信号经PLC控制站处理后传输至上层网络，操作人员根据人机界面上显示的数据信息发出控制指令，或由系统自动给出控制指令，经PLC控制站处理转发后，最终由现场设备执行机构完成终端设备控制动作，从而实现船舶机舱设备网络化控制系统的控制、调度、监测和管理功能。为了防止网络通信故障导致系统监控功能失效，将PLC到上位机的管理网配置为冗余网络，进一步提高系统的可靠性。

3 网络通信及HMI程序设计

船舶机舱双层网络化监控系统的通信任务主要涉及Modbus总线和以太网通信两大部分内容，通信功能的实现依赖于网络配置和通信程序。Modbus总线网络通信中使用主从技术，上位机与下位机的通信只能由上位机发起。当用户执行某个命令时，调用命令处理程序，形成Modbus协议帧格式，通过串行口将数据发送出去，数据发送出去后即启动定时器等待下位机返回数据。对以太网通信而言，为了实现高通信效率采用全双工并行的通信模式，允许站点同时发送和接收数据。Ethernet网络通信的设计过程可描述为：①对CPU模块的以太网端口进行初始化，设置网络的IP地址、子网掩码和网关地址等参数；②配置以太网通信的I/O扫描服务，该服务能够确保CPU定期从扫描设备中读取数据，或将数据写入扫描设备。集控站基于触控屏及其通信技术而实现，其人机交互界面（HMI）组态软件开发在施耐德 Vijeo-Designer软件平台下实施。Vijeo-De-signer的通信系统可以将不同制造商的不同类型、不同型号的多个设备连接到一个目标机器，在创建的触控屏的工程内简单地添加各种驱动程序即可实现网络通信。系统中实际的硬件连接是将触控屏与要通信的PLC模块的以太网端口进行连接，在程序中添加驱动程序并在项目程序中进行与通信相关的编程，从而实现触控屏与控制器之间的通信。HMI程序参照船舶机舱自动化系统软件的功能要求进行设计，用以监控推进装置、辅助机械、船舶电站等设备的运行状态，实现的基本功能有：实时监控、过程控制、参数设置、数据记录、在线组态和报警及状态显示。在HMI程序的编程设计中，利用PLC的内部寄存器创建实时数据库，将人机界面的各种图案符号与实时数据库中的变量连接，既可实时监测各设备的运行状态，同时也可以通过人机界面的仿真开关向PLC发出控制指令。

4 结 论

采用基于PLC的船舶机舱设备控制系统双层网络结构极大简化了系统的安装、调试和维护工作，且可建立可靠、稳定的冗余网络通信，具有配置灵活简单、成本低、可靠性高、抗干扰能力强和可扩充性好等优点，在船舶机舱设备自动化监控、管理领域具有良好的适应性。系统中使用冗余热备器件，可靠性得到很大提高，但如何优化主从控制器同步数据结构、减轻PLC程序扫描负担，仍有待做更深入研究。

参考文献：

[1]赵铁男，CAN总线的数据采集系统通信与实现[J].计算机工程，2014，1（9）：28.

[2]陈晓侠，工业以太网和CAN总线系统的通信软件设计[J].控制工程，2015，4（6）：268-273.