船舶机舱监测报警系统顶层架构设计报告

机舱监测报警系统顶层架构设计报告一、概述船舶机舱监测报警系统是船舶自动化系统重要组成部分，是实现船舶信息化、智能化的关键系统，是高附加值船舶关键配套设备，其技术水平反映国家的造船水平和船舶先进程度。机舱监测报警系统由监测主机、通用监控站、值班呼叫模块和延伸报警模块等部分组成。随着电子技术的发展，机舱监测报警系统的发展更新速度很快。新一代的机舱监测报警系统具有更强大的功能，运行状态、报警等信息可以实时显示，并可以通过值班呼叫模块可及时呼唤当班轮机员；通过延伸报警模块可将报警信息传送至生活舱室、公共区域和驾驶室，更便于用户的使用；硬件产品的模块化和智能化增加了系统的可靠性，也便于操作者的决策判断。系统主要由四部分组成：数据采集部分、数据传输网络、监控系统部分和延伸报警部分。其中，数据采集部分主要由数据采集模块构成，完成对船舶机舱动态数据的采集，同时安装有光纤传感系统，采用光纤光栅传感器对温度和压力数据的采集，具有抗干扰和防爆等优点。数据传输网络用于完成数据传输功能，将船舶机舱动态数据传输给控制主机，由软件系统完成对数据的分析处理和显示报警等功能。延伸报警系统主要用于将监测报警系统中发生的报警，在集控台和值班人员规定时间内无人应答的情况下，根据设定自动将报警信号发送到指定的舱室中，通知各相关人员对报警进行处理；在相关人员在一定时间内也没有应答的情况下，接通通用报警系统，通用报警系统将在更广的范围内进行报警。本课题按照“消化吸收，建立体系，提升能力，实现跨越”的思路，在国防科工委的领导和支持下，针对确定的研制项目，搜集国内外资料，结合出口船舶和国内船舶在机舱自动化方面的需求，选择国际具有代表性的船舶监测报警系统产品作为参照目标样本；在消化、吸收的基础上，结合现有成熟产品，研发具有自主知识产权的机舱监测报警系统。二、系统设计方案（一）系统功能和总体结构设计监测报警系统可以根据船舶实际情况需要，完成对船舶中常见的开关量、模拟量和各种协议的数字信号等数据的采集、处理、显示、报警和延伸报警、数据存储等工作。监测报警系统原理图如下：根据目前船舶内部通讯格式复杂的情况，通过研发各种数据采集模块的方式来完成对采用不同协议的数据进行转换，以保证完成对船舶内各种不同类型的数据的采集工作。采集模块采用标准的成熟工业元器件搭建，以保证模块的可靠性和长期稳定性。同时，对模块结构进行合理设计，提高模块性能并增加模块的环境适应性，以适应船舶上恶劣的工作环境。除此之外，本项目中通过对先进的光纤光栅传感技术进行研究，研制完成光纤传感系统用于温度和压力数据的采集。光纤传感系统在数据采集层面完全采用光信号，没有任何电信号参与数据采集和传输工作，具有本质防暴、抗干扰能力强、耐腐蚀、占用空间和负载小等多种优点。在数据传输网络方面，单个区域的设备网内采集模块之间采用CAN总线网络构建设备网完成数据传输工作，充分利用CAN总线利用率高，数据传输速率快，并且具有可靠的错误处理和检错机制等优点。总体成本较低，满足实时性的要求，且应用可靠，维护方便。信息网则采用工业以太网技术，充分发挥工业以太网容量大，准确性高，抗干扰能力强，通用性好等优点。作为信息网的工业以太网通过网关与CAN总线网络连接，从而构成一体化的混合结构的数据传输网络，完成对被监控设备信息的传输工作。网关模块与数据采集模块一样，采用标准化的工业元器件开发，可以在船舶环境中长时间稳定工作。监控系统部分，完成结构工艺设计并对人机界面进行标准化设计。监控系统部分功能通过监测主机和监测报警软件完成，监测主机采用高可靠性和高稳定性的工控机，保证在船舶环境中可以长时间持续稳定运行。人机界面部分由软件界面和人机交互模块组成，通过人机界面软件可以在显示器上完成对监测报警系统内各数据的显示和报警工作，操作人员可以通过该软件界面完成对报警的应答和必要的处理功能。对于重要的数据，除在软件中进行显示和报警之外，同时通过人机交互模块采用报警灯板、带灯按钮、数字显示和二次仪表等多种形式进行显示，并通过声光报警形式进行报警。人机交互模块通过双网口由以太网和CAN总线共同驱动，在一个网络故障的情况下系统仍然可以正常工作，形成双系统备份，大大提高了系统的可靠性。延伸报警系统是监测报警系统的重要组成部分之一。延伸报警主要由两部分组成，既延伸报警控制器和延伸报警终端。延伸报警控制器安装于集控台等位置，用于值班人员进行显示和操作。延伸报警终端安装于船舶内各舱室，包括船长室、轮机长室等房间和餐厅等公共场所。当监测报警系统内发生报警时，集控台和值班人员一定时间内未作出应答时，延伸报警系统将自动根据设定，向指定的房间内发出声光报警信号，房间内的人员接收到监测报警信号后，可以通过延伸报警终端了解报警发生的类型，同时通过延伸报警终端发出报警确认指令，指令发出后在集控台的延伸报警控制器自动作出反应，显示报警信号已经被确认，相关人员正前往处理。在延伸报警信号发出后，如果在规定时间内相关人员不在房间或没有对监测报警信号进行应答，监测报警系统将自动发出通用报警信号，向其它房间及公共场所发出报警信号，以保证相关人员可以接收到报警信号。为防止因系统发生重大故障导致延伸报警系统失效，除延伸报警系统外，需要研制轮机员呼叫装置作为备份。轮机员呼叫装置作为独立系统，与监测报警各部分分开，保证在系统故障时可以正常工作。通过轮机员呼叫系统，集控台等重要舱室可以对重要房间内的人员发出呼叫信号，确保在紧急情况下可以通知相关人员赶到现场。以上几部分即可构成完整的船舶监测报警系统，完成对船舶数据的采集、显示、存储和报警等功能。通过监测报警系统，操作人员可以实时了解船舶内部的各种数据参数，通过对数据的集中显示和处理快速作出判断，减少事故的发生。通过对监测报警系统记录数据的分析，可以对船舶设计改进和事故原因分析提供数据基础。在系统搭建过程中，将采用标转化通用化的元器件、模块和技术进行开发。成熟的商业化产品经过了长时间的实际应用验证和不断改进，性能稳定，可靠性高。同时，由于兼容性和通用性较好，元器件来源和系统维护相对传统系统来说更加简单。利用标准化、通用化功能模块构建全船监测报警系统，是确保系统稳定、可靠和实用的重要基础，也是系统形成产品，满足用户售后服务需要的重要条件之一。本课题将通过对标准化功能模块和通用化技术的研究，研制出一系列标准化通用功能模块，在模块发生故障时，简单地通过配置正确的模块地址并采用同型号模块进行更换，即可完成系统的维护工作。研制过程中将消化吸收国外同类产品技术，采用成熟稳定的标准化器件，开展系统模块化设计，并通过对多种技术的研究，完成功能系统的研制和产品化。（二）主要功能设计方案1.数据采集模块设计方案数据采集通常处于一个系统的前向通道中,是一个系统（实时控制系统、监测报警系统）不可缺少的部分。采集到正确、实时的数据是发出控制指令的重要前提，也是检测报警系统防止误报警的最根本的保证。此外系统冗余是衡量一个系统的重要指标，也是一个系统可靠性的有力支持。本系统可以以CAN总线和以太网两种方式实现采集数据的上传。通过对船舶内部各设备及现存的分系统进行调研，在目前阶段，船舶自动化技术已经有了一定程度的发展，例如导航系统、损管系统、火灾报警系统、液位遥控系统、主机系统、电站、锅炉等。但是，由于各系统采用了相对独立的发展方式，相互之间的数据接口并不统一，加上各类传感器，船舶内部存在开关信号、模拟信号(420mA、PT100、05V等)、各种总线形式(CAN、PROFIBUS、HART、MODBUS、RS484)等多种形式的信号类型。如何实现对多种数据类型的数据进行集中监测和数据共享成为船舶监测报警系统从数据采集层面面临的最大难题。针对船舶内部数据格式混乱的局面，本课题将通过对监测报警数据接口兼容技术和模块等多种技术的研究，解决数据采集和转换难题，完成数据采集部分的研发工作。需要研发的主要数据采集模块类型如下：名称功能开关量采集模块开关量采集模拟量采集模块模拟量采集，包括420mA、PT100、05V等形式开关量输出模块开关量输出控制模拟量输出模块模拟量输出控制标准数据转换模块CAN总线、TCP/IP、RS232、RS485等数据类型转换根据目前调研情况，目前船舶监测报警系统在数据采集部分需要以上各种模块。根据以后船舶机舱设备及系统的变化，将研制各种其它形式的数据转换或者采集、输出模块，以适应船舶自动化技术不断发展的需求。2.系统数据传输网络设计方案2.1. 网络硬件监测报警系统的数据传输网络采用CAN总线与工业以太网混合组网方式构成。基于以太网的船舶监控技术将成为以后的主流，是未来船舶网络通讯技术的基础。而对一般工业网络要求实时性、确定性通信场合，现场总线技术则处于主导地位，因此，CAN总线和以太网两种网络技术并存的组网方式在性能上优于某种单独的组网方式。在设备网中，采用CAN总线作为数据传输网络。CAN总线是由CAN控制器组成的高性能串行数据局域通信网络，是目前应用最为广泛的现场总线。CAN总线模型符合OSI的7层结构，并已制定为国际标准，具有极高的总线利用率，最大数据传输距离达到10Km，数据传输速率高达1Mbps，具有抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，并且具有可靠的错误处理和检错机制，支持双绞线、同轴电缆和光纤等多种传输介质，可以很好的满足船舶机舱底层数据传输要求。在信息网中，采用目前已发展成熟的工业以太网设备及技术搭建数据传输网络。工业以太网是为了满足工业环境要求而研制的，环境条件满足GJB舰船标准，为监测报警系统提供了大容量的高速数据传输网络。虽然USB2.0及IEEE1394火线技术具有传输高速且大容量等优点，但都不适用于长距离数据传输。综合分析，最适合项目研究的是目前被广泛采用的TCP/IP高速工业以太网。除此之外，目前很多设备都提供了以太网接口，可以方便的与船舶设备进行数据交换，高速以太网也可免编程地与高速局域网、光纤网、无线网络及卫星等进行通讯，有利于监测报警系统网络的扩展。2.2. 高速数据传输网络技术研究数据采集和传输的速度是影响全船监测报警系统性能的难点和瓶颈问题之一。船舶机舱报警数据量大，数据交换频繁，在传统的数据传输网络中容易造成传输线路堵塞，造成报警或控制信号丢失或产生误报警。本课题将从两方面解决这一问题。首先，数据传输网络采用快速工业以太网硬件和技术，使网络传输延时小于12ms，性能高于传统的工业以太网。通过对高速数据传输网络技术的研究，研制高速数据传输网络和高速广播协议，采用分布式数据库技术，并对系统混合组网技术进行研究，实现监测报警数据的高速传输和存储，保证系统的响应速度和运行安全。其次，通过对网络传输协议的研究和修改工作，在CAN总线中采用高速广播协议，并在以太网中使监测报警系统数据只使用IP地址中的特定区区，以提高了网络传输速度。2.3. 网关模块研制方案网关模块安装在设备层的CAN总线和数据层的以太网之间，可以将两种网络中的数据进行数据转换，使采用两种通讯协议的网络有机的结合。除此之外，网关还用于识别数据流的类型，自动判断并控制数据流的流向，避免网络中的数据混乱，造成网络堵塞或使数据传输网络传输速度降低。3.延伸报警和轮机员呼叫部分从安全方面考虑，延伸报警部分直接与CAN总线连接。延伸报警系统包括安装于集控台上的延伸报警控制器和安装于各舱室内的延伸报警终端组成。在集控台报警无人应答时，延伸报警系统可以将监测报警系统中发生的各类报警按照报警类别、报警等级等进行分类，发送到到指定的延伸报警终端，延伸报警终端中可以以声光等形式提醒相关人员并显示报警的类别。相关人员收到延伸报警信号后，可以通过延伸报警终端进行应答。如果在规定时间内相关人员未能对延伸报警信号进行应答，监测报警系统将自动向所有延伸报警终端发出通用报警信号。除此之外，延伸报警系统同时配有轮机员呼叫系统作为补充，轮机员呼叫系统具有独立的线路，在系统发生故障时仍然能正常工作。4.光纤传感系统部分船舶工作环境存在高温、振动、盐雾等恶劣因素影响，主机等大型设备在启动时会对传统的机电传感器和数据传输网络产生强烈的电磁干扰，容易造成系统数据混乱和误报警。通过对光纤传感技术的研究，可以利用光纤传感系统耐腐蚀、本质防爆、不受电磁干扰等特点，构建船舶光纤传感和信息传输网络，可以提高系统抗爆、防电磁干扰性能，保证传感数据采集系统安全稳定地工作。光纤传感系统主要由两部分组成，即数据采集和数据处理部分。数据采集部分包括各种光纤光栅传感器，利用外界变化对光纤光栅的反射光的中心波长会产生线性影响的原理，完成对温度和压力等数据的采集工作；数据处理部分由光电转换部分和数据分析处理部分构成，将传感器采集到的光信号转换成计算机可识别的电信号，并通过软件完成数据处理和转换工作。光纤传感系统结构图如下：光纤光栅传感器作为数据采集单元，完成对船舶上被测量点的温度、压力等参数的测量，测量后的数据通过光纤进行传输，同一测量通道内的光纤光栅传感器采用串联的方式，共用一根光纤完成测量和传输工作。每个通道内的传感器最终接入到解调仪中，解调仪完成对光纤光栅传感器采集到的光信号的处理，最终以监测报警系统指定的数据输出格式输出。数据最终送入到监测主机中，主机对信号进行识别，并完成显示、存储和报警等工作。主要流程如下：光纤光栅传感器利用光纤光栅在发生形变时中心波长线性变化的特性，将光纤光栅通过特殊工艺固定在由特种合金制成的基座上，通过选择可用于大应变情况的适合弹性模量的合金材料，使外界的温度和压力等物理量变化情况可以忠实的通过合金基座传递给光纤光栅，光纤光栅被压缩或拉伸，从而产生等比例变化的中心波长变化。由于裸光纤光栅直径只有125m，其主要成分是SiO2，很容易被破坏。尤其是它的抗剪切能力很差，直接将其作为传感器在实际工程中应用是非常困难的，必须根据使用环境的特点，兼顾测量的准确性等问题进行封装技术研究。同时，舰艇舱内空间狭小，湿度较大，现场施工条件恶劣，并且具有振动、高温、盐雾等恶劣的工作环境，对光纤传感器的使用要求非常高。针对舰艇现场特点，设计结构简单、尺寸小、安装方便、满足现场要求的光纤光栅应变传感器和解调设备具有十分重要的意义。- 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