CN102385371A - 一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，在现有监控系统的基础上还包括用于对集控管理系统平台进行数据备份的集控管理系统备份平台，光纤通道由第一光纤通道、第二光纤通道组成；在每个监控子系统中，主控制器模块的第一串口通过第一光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一串口连接，主控制器模块的第二串口通过第二光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第二串口连接。本发明通过分层冗余设计实现了监控系统的可靠性，以及良好的可维护性和可扩展性。

Description

一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统

技术领域

 本发明涉及一种现场总线型船舶机舱自动监控系统，尤其涉及一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统。

背景技术

目前常见现场总线型船舶机舱自动监控系统通常由集控管理系统平台、现场总线数据传输通道、船舶机舱机电设备运行与环境参量数据采集、机电设备控制4个层次构成。船舶机舱是整个船舶的核心部分，是其动力、电力的提供场所。由于大功率船用柴油机的运作，船舶机舱是船上工作环境最恶劣的地方，长期处于高噪声、高温、高油雾的环境中。船舶尤其是海运和远洋运输船的远航特点决定船舶机舱自动监控系统最重要的技术指标是可靠性要高、可维护性好，其次是故障自诊断能力强和报警力强。

为保证可靠性，船舶机舱监控系统中必须有相应的冗余备份设计，但目前船舶行业的大量实例表明：一般船舶机舱综合自动监控系统仅有集控平台的双机备份，并且大多采用切换接口箱的方式进行冗余，即将两台机器的外围接口连接到一个接口箱采用继电器切换的方法，另外在底层数据采集装置设计上，各类信号线和控制线一般采用端子接线方式。

经过系统了解及查阅各类文献可知，很多现用船舶机舱综合自动监控系统方案涉及到船舶机舱机电设备运行与环境参量数据采集装置、现场总线数据传输通道、集中监控平台和机电设备输出控制都较为单一，冗余备份的各类方案普遍缺乏全面性，并且系统某一部分出现故障后的维修工作较为复杂，存在具体缺陷列出如下：

1、当底层重要测点数据采集装置出现故障时，由于系统设计缺乏热备份的数据采集装置冗余，需要轮机员或者其他电气维修人员尽快检查、判断并确认其故障进而更换新的采集装置，系统恢复时间较长，产生的维修人力、物力费用较高；

2、当数据传输通道发生故障时，现场各类物理信号无法传递至综合监控系统，系统整体处于失效瘫痪状态；

3、当集控平台故障时，需人工判断其发生故障，并需要手工切换至备份集控平台，切换时间长，并且切换过程不连续、不稳定；

4、数据采集装置发生故障维修时，需要检查、确认、拆线、接线等多种繁琐操作，维修时间较长，装置可维护性差；

5、当船舶机舱新增或者更换不同设备后，需要增减数据采集装置时，要调整整个系统设计，可扩展性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为解决总线型船舶机舱监控系统缺乏全面冗余、可靠性不高、可维护性和可扩展性较差的问题，设计出一种具有极高可靠性、良好维护性和扩展性的分层冗余现场总线型船舶机舱自动监控系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，包括集控管理系统平台、N个监控子系统，所述N个监控子系统分别用于监控船舶机舱中对应设备的运行状态，每个监控子系统分别通过光纤通道与集控管理系统平台实现信息交互；所述监控子系统均包括主控制器模块、数据采集模块、现场控制模块，其中数据采集模块通过CAN总线将所测得的数据信息传递给主控制器模块，主控制器模块将数据信息发送至集控管理系统平台，同时主控制器模块通过CAN总线将集控管理系统平台发来的控制信息发送给对应的现场控制模块；还包括用于对集控管理系统平台进行数据备份的集控管理系统备份平台，所述光纤通道由第一光纤通道、第二光纤通道组成；在每个监控子系统中，主控制器模块的第一串口通过第一光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一串口连接，主控制器模块的第二串口通过第二光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第二串口连接。

进一步的，本发明的一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，在每个监控子系统中，还包括主控制器备份模块；一方面，所述主控制器备份模块通过CAN总线分别与各数据采集模块、现场控制模块连接；另一方面，所述主控制器备份模块的第一串口通过第一光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一串口连接，所述主控制器备份模块的第二串口通过第二光纤通道分别与控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第二串口连接。

进一步的，本发明的一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，监控子系统的基板均采用带并行插槽母板和插入式功能模块子板的子母板结构型式。

进一步的，本发明的一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一、第二串口均配置双向RS-232型光电转换器，实现串行通信电信号与光信号相互转换。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过四层冗余设计实现了监控系统极高的可靠性；通过插槽式母板和各类采集控制子板相结合的设计方法使得系统具有良好的可维护性和可扩展性。

附图说明

图1为本发明分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统框架示意图；

图2为本发明的监控子系统物理装置安装结构示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1为本发明的分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统框架示意图。该系统由监控平台、多个监控子系统组成。监控子系统由一个主控模块、数据采集模块、现场控制模块组成，主控模块、数据采集模块和控制模块通过CAN总线相连接；监控子系统通过光纤与监控平台实现信息交互。 

所述的监控子系统独立监测一台主柴油机、辅机或驾驶室控制装置。

其中主机监控子系统中，数据采集模块对主柴油机的燃油压力、油门开度、冷却水温度、气缸排气温度、主机转速、扭矩、滑油压力、启动空气压力等参量进行测量，现场控制模块则对主机转速、油门开度、滑油温度、阀门开度等实现控制及参量异常机旁报警输出。

辅机监控子系统中，数据采集模块则对燃油压力、油门开度、冷却水温度、气缸排气温度、发电机及汇流排的电压、电流、频率等量进行测量，现场控制模块则对内燃机转速、油门开度、滑油温度、阀门开度等输出控制及参量异常机旁报警输出。

驾驶室监控子系统中的数据采集模块则对驾驶室转速给定、螺距给定、开关量输入等量进行检测，并通过现场控制模块实现压力表、转速表、报警信号等的数字或模拟输出。

上述三种监控子系统中，数据采集模块均通过CAN现场总线将所测得的数据信息传递给主控模块，主控模块将数据发送至集控平台，同时主控模块通过CAN总线将集控平台发来的控制信息发送给对应的现场控制模块。

每个监控子系统的串口1和串口2均配置双向RS-232型光电转换器，实现串行通信电信号与光信号相互转换；再通过两路通信光纤分别沿左舷、右舷并行布置、引入集控室，再经光电转换器把光通信转换成RS-232串行通信信号、分别与一用一热备的两台集控平台主机的串口1和串口2相连、实现互连互通。

这样，本系统集控平台两台主机与监控子系统从之间构建、形成了两条（包括独立的光电转换器、光纤传输通信线路和独立的串行通信接口）独立的通信通道，实现了系统通信主干道的互检、互备、冗余。从而大大提高本系统抗电磁干扰的能力和保障本系统在机舱发生突发、意外事件时的数据通信的可靠性。

本系统中的监控子系统作为从机接收到集控平台主机巡回广播的数据交互命令后，将本监控子系统的所有采集的转速、压力、温度、开关量、母线及发电机的电压、电流、频率数据发送给集控平台；集控平台对所有数据进行分析、处理、存储，并在其界面上做相应的实时显示。一旦监控子系统上传数据出现被测参量数据超限或异常，系统将抽取该被测参量变化趋势曲线以及与该参量相关性强的被测参量的变化情况，分析发生主机舱、辅机舱中的机电设备是否发生故障或参数越限等事件，如能确认，则发出相应的控制指令和进行设备故障报警。

如不能确认，本系统将实时顺序启动各层次热备设备并切入系统，并与当值设备进行比较判别整个系统各层次当值设备本身是否存在故障。系统一旦发现某一层级的当值设备本身存在故障，则发出相应的控制指令，通知为当值故障设备热备份的设备切入系统、投入正常运行，并自动切断故障设备通信（在接到此故障设备维修完毕前，集控平台不再广播该故障设备的通信地址，由此屏蔽该故障设备），集控平台上和机舱值班室发出相应的声光报警。

本发明系统的监控子系统均采用带并行插槽母板和插入式功能模块子板的子母板结构型式。图2所示为一监控子系统的一种配置示例，每个母板上共有16个插槽，包括主控子板插槽，9个正常工作子板插槽，6个备份预留可配置插槽（正常工作及备份插槽个数及类型均可配置）。传感器信号通过屏蔽电缆从基板两边的接线端子接入，接线端子与插槽通过基板背面的导线连接。每个子板的插槽和基板背面的信号连线均一致，各个子板所需要的电源和现场CAN总线由基板提供，并且位于插槽引脚的固定位置。基于以上的特点，此船舶机舱集控系统具有良好的可维护性和可扩展性，当其中一个模块子板损坏时，仅需要将其拔出，换上新的模块子板即可，无需拆线接线等操作，同时当需要对系统升级需要增加模块时，仅需在备份预留插槽处插入所需要的模块子板，按需求设定好子板拨码开关（ID号），在基板的接线端子处接好对应的线，最后通过集控平台设定好模块子板参数即可。

本系统采用了分层冗余结构设计——船舶机舱机电设备运行与环境参量数据采集、现场总线数据传输通道、集控管理系统平台、机电设备控制均采用了热备份冗余技术，故障时切换速度快，且不干扰系统的正常工作，大大增强了系统的可靠性和可维性。

本系统现场总线数据传输通道采用互为热备份的两条独立的传输干线构成第二层冗余，即通信（线路）网络层冗余。如图1所示，正常工作时，监控平台通过A光纤网络与监控子系统进行通信与数据交互，并实时监测A、B两条网络的通畅程度，当监测到A网络发生故障，集控平台无法通过A网络获取及传送数据时，立即切换至B光纤网络，并发出光纤网络故障报警以通知船上电工进行维护，这里网络切换均为毫秒级，不影响系统正常运行。

集控管理系统平台采用两台工业控制计算机互为热备份构成第三层冗余，即数据分析管理层冗余。如图1所示，正常工作时，主监控平台与所有监控子系统进行数据交换，热备份监控平台仅监听网络数据而不作主动索取、发送数据及回复，并与主监控平台定时通信、交换和核对底层采集数据的处理结果。一旦当热备份监控平台监测到主监控平台发生故障、不能按规定的流程、算法作巡检和监控和数据处理时，备份监控平台监听获知主监控网络已经失去连接发生故障，同时启用其数据交换功能，对监控子网络发出相应的查询、回复及发送控制指令，同时主监控平台发出故障报警以通知随船仪表工进行维护。

机电设备控制层采用类似于数据采集插槽式母板及插卡式可备份输出子模块的方案构成第四层冗余，即输出控制层冗余。如图2母板及插槽一种配置所示，4#备份插槽的备份开关量输出子板1用作开关量输出子板1的备份，5#备份插槽的模拟量输出子板1用作模拟量输出子板1的备份，正常工作时，各输出子模块接受监控子系统中主模块发来的输出开关量或模拟量的控制，对应备份输出子模块只接收主控模块的输出信息，但输出功能暂时被封锁。例如当集控平台结合与其中模拟量输出子板输出通道1相关的参量检测输入数据，经过故障自诊断智能分析发现此通道输出控制无法实现应有控制效果时，启用对此发生故障输出通道的封锁，同时撤消对此通道备份输出通道（备份模拟量输出子板1的输出通道1）的封锁（对其使能），并发出报警信息通知轮机员维护对应输出控制故障装置，至此实现输出控制的热备份。

上述实施过程实现了对船舶机舱温度、转速、压力等参量的实时监测，并能通过控制模块实现开关量、模拟量的控制输出。通过分层冗余设计实现了极高的可靠性；通过插槽式母板和各类采集控制子板相结合的设计方法使得系统具有良好的可维护性和可扩展性。

Claims (4)

1. 一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，包括集控管理系统平台、N个监控子系统，所述N个监控子系统分别用于监控船舶机舱中对应设备的运行状态，每个监控子系统分别通过光纤通道与集控管理系统平台实现信息交互；所述监控子系统均包括主控制器模块、数据采集模块、现场控制模块，其中数据采集模块通过CAN总线将所测得的数据信息传递给主控制器模块，主控制器模块将数据信息发送至集控管理系统平台，同时主控制器模块通过CAN总线将集控管理系统平台发来的控制信息发送给对应的现场控制模块；其特征在于：还包括用于对集控管理系统平台进行数据备份的集控管理系统备份平台，所述光纤通道由第一光纤通道、第二光纤通道组成；在每个监控子系统中，主控制器模块的第一串口通过第一光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一串口连接，主控制器模块的第二串口通过第二光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第二串口连接。

2.根据权利要求1所述的一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，其特征在于：在每个监控子系统中，还包括主控制器备份模块；一方面，所述主控制器备份模块通过CAN总线分别与各数据采集模块、现场控制模块连接；另一方面，所述主控制器备份模块的第一串口通过第一光纤通道分别与集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一串口连接，所述主控制器备份模块的第二串口通过第二光纤通道分别与控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第二串口连接。

3.根据权利要求1所述的一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，其特征在于：所述监控子系统的基板均采用带并行插槽母板和插入式功能模块子板的子母板结构型式。

4. 根据权利要求1所述的一种分层冗余的现场总线型船舶机舱自动监控系统，其特征在于：所述集控管理系统平台、集控管理系统备份平台的第一、第二串口均配置双向RS-232型光电转换器，实现串行通信电信号与光信号相互转换。

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