关键词：船用水密门;监控系统;RS485总线
引言
船舶自动化设备是为船舶配套的核心装备之一，包括机舱自动化、航行自动化、船岸信息一体化、阀门遥控等子系统，其中水密门监控系统推动了船舶自动的进程和“智能型”船舶的实现[1-2]，该系统用于确保船舶在行驶过程中的安全性，其主要负责监测船舱内与水密门相关的动力设备的运行状态和运行参数，可以自动监测设备在运行中发生的故障，并记录保存故障信息，发出声光报警信息[3-4]。本文介绍了一种基于RS485总线的水密门监控系统，该系统可以与船载航行数据记录仪连接，记录水密门在船舶航行过程中状态信息，且具有可靠性高、抗干扰能力强、组网灵活、方便扩展、易于维护等特点。
1 船用水密门监控系统
1.1 系统结构图
本船用水密门监控系统充分考虑水密门系统的自身的特性，主要从系统安全可靠出发，兼容系统的操作性、维护性、可扩展性，整个系统采用模块化设计，主要由以下4个部分组成：监控主机(TPC7062K)、控制模块(AWD16-C)、报警模块(AWD16-A)、协议转换模块(AWD16-V)，所有模块通过RS485总线进行组网(如图1所示)。
图1 系统网络结构图
系统的监控主机与协议转换模块安装在船舶驾驶室中控操作台内，控制模块与报警模块布署在船舱内水密门现场。控制模块和报警模块通过RS485接口与监控主机连接，协议转换模块通过RS232接口与监控主机连接、通过RS485接口与船舶航行记录仪连接，形成网络系统。每个系统由一个监控主机、一个协议转换模块、若干个控制模块、若干个报警模块组成，其中每扇水密门配置一个控制模块与一个报警模块。
1.2 系统工作原理及流程
1.2.1 系统工作原理
监控主机通过RS485总线周期性读取控制模块与报警模块的状态信息，实时的显示水密门的状态，记录开关门及系统的报警信息，并负责向协议转换模块发送标准的Modbus-RTU协议报文;当协议转换模块接收到监控主机发送来的报文时，将其转换为VDR报文，然后发送至航行记录仪中;监控主机也可控制现场的控制模块，进行远程关门动作。
控制模块及报警模块的输入端与现场的信号线连接，实时的采集现场的状态信息并判断，做出相应的动作及报警指示。
1.2.2系统工作流程
系统软件设计分为：用C语言编写控制模块、报警模块以及协议转换模块;用脚本语言编写监控主机。系统工作流程图如图2所示。系统通电后，首先进行初始化，完成初始化后，监控主机向控制模块、报警模块发送报文，以完成对系统状态的显示、记录及传送，协议转换模块向监控主机发送查询报文，判断是否需要发送VDR报文。若系统无故障，则正常运行，否则，进行系统进行相应指示报警。控制模块、报警模块正常工作过程为：首先，采集控制模块及报警模块共16路的信号输入，然后对其进行逻辑预算以及关系判断，若不满足报警条件，则继续采集信号，进行逻辑运算;若满足报警条件，相应的继电器输出报警，对应的LED指示灯则闪烁、点亮或熄灭。报警产生后，可人为消音或在规定的时间内自动消音;协议转换模块的正常工作过程为：给监控主机发送查询报文，若回送的报文中有报警及开关门动作信息时，则将读取到的Modbus协议报文转化为VDR报文格式传送给航行记录仪。
图2 系统工作流程图
2 监控主机
监控主机是水密门监控系统的重要组成部分，显示器分辨率为800*480、65535色数字真彩、177.8mm(7in)宽屏显示，触摸控制、具有良好的人机界面，操作简单，其中人机界面主页如图3所示。该模块主要具有控制水密门闭合、显示水密门当前状态，显示、记录、查询系统报警信息，蜂鸣器报警等功能。其中，报警信息主要包括电源故障、油机电机过载、油压低、油位低、限位开关故障、控制模块故障等。
此外，监控主机还可以将采集到的开关门及报警信息通过RS232总线传给协议转换模块，由协议转换模块最终传至船舶VDR系统。监控主机具有的屏幕保护功能，较好的满足船舶在夜间航行的要求;中英文显示界面自由切换，扩展了其应用市场。
图3 人机界面主页
图3注：①：水密门状态指示灯;②：单独关门按钮; ③：水密门三种控制方式(远程总关、本地控制、单独关)按钮;④：蜂鸣器测试按钮、报警消音按钮、报警记录按钮，其中点击报警记录按钮后进入报警记录界面;⑤：系统最新一条报警信息;⑥：警告语。
3 控制模块与报警模块
控制模块与报警模块负责现场水密门各种动作控制及系统状态信息的采集，其供电电源为+24VDC，采用RS485通讯，具有6路无源干接点、2路模拟量输入(可做开关量使用)，8路继电器干触点输出、触点额定负载，5A/250VAC/30VDC，节点输入常开/常闭类型可设、输入抖动时间及输出延时时间均可设。
控制模块的输入节点，连接水密门开门按钮、关门按钮、停门按钮、开关门限位开关、油泵压力模拟量输入等;输出继电器，连接开关门液压电磁阀、开关闪光指示灯及报警响铃、控制模块故障输出等。报警模块的输入节点，连接试验按钮、消音按钮以及电源故障、油机电机过载、油压低、油位低、限位开关故障、控制模块故障等输入报警点。输出继电器，连接报警指示灯及报警蜂鸣器。
将传统的水密门现场控制器改为独立控制模块与报警模块提高了系统鲁棒性，且模块采用知名公司32位处理器作为主控芯片，加入软硬件“看门狗”技术，防止死机现象，最大化的保证了系统的稳定可靠运行，且通过公司内部测试及客户现场使用情况证明，该系统设计达到了预期的效果，其原理框图如图4所示。
图4 控制模块与报警模块原理框图
4协议转换模块
4.1 模块功能
协议转换模块负责通过RS232总线，接收监控主机发送的Modbus-RTU协议报文，模块内部进行协议转换，再通过RS485总线，将转换的VDR协议报文，最终传送至船行记录仪，其原理框图如图5所示。
Voyage Data Recorder (VDR)是一种记录船舶在运行过程中各种数据信息以及突发事件的设备，其设计最初的目的与用途是为了方便海事事故的查询[5]，系统的VDR报文满足IEC61162-1-2010标准。
图5 协议转换模块原理图
4.2 Modbus-RTU与VDR协议
Modbus是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。目前，可以通过以太网的TCP/IP以及各种介质(有限：EIA/TIA-232-F、EIA-422、EIA/TIA-485-A、光纤、无线等等)上的异步串行传输两种方式实现Modbus通信，其主要传输模式有：RTU、ASCII[6]。本系统主要用Modbus-RTU，03功能码，具体报文格式举例如表1所示。
表1 Modbus-RTU报文格式
|
请求 |
响应 |
||
|
地址码 |
01H |
地址码 |
01H |
|
功能码 |
03H |
功能码 |
03H |
|
起始地址高位 |
00H |
字节数 |
04H |
|
起始地址低位 |
01H |
寄存器数据高字节 |
不定值 |
|
寄存器数量高位 |
00H |
寄存器数据低字节 |
不定值 |
|
寄存器数量低位 |
02H |
寄存器数据高字节 |
不定值 |
|
CRC校验高位 |
95H |
寄存器数据低字节 |
不定值 |
|
CRC校验低位 |
CBH |
CRC校验高位 |
不定值 |
|
|
|
CRC校验低位 |
不定值 |
IEC61162-1-2010 文档中明确的对船载自动导航设备(AIS)信息采集和处理进行了规范化的阐述，本文使用的VDR通讯协议数据格式如图6所示[7]
图6 VDR通讯协议数据格式
5 结束语
本文介绍了一种船用水密门监控系统的设计，该系统具有独立的控制模块和报警模块，其优点是可靠性高，实施简单、维护方便;具有根据不同船型灵活配置，完善的报警显示、故障诊断、故障记录等功能，可以取代传统工控机与PLC构建的自动控制系统。该系统较好的推动了船舶自动化系统的发展，并在国内外实船上得到了较好的应用，从而保障了船舶的航行安全。
文章来源：《船舶》2016年1期。
参考文献
[1] 马善伟, 臧军,刘赟. 船舶自动化系统若干关键问题研究[J].上海造船,2011 (l):68-71.
[2] 马驰誉. 船舶机舱监测报警系统的研究[D].大连：大连海事大学，2009.
[3] 杨建勋. 船舶水密门单片机控制系统的设计[J]. 武汉船舶职业技术学院报,2011(3):23-24.
[4] 王荣,黄睿,刘冬等. 工程船液压滑动水密门控制系统设计 [J].广东造船,2011 (2):56-57.
[5] 何晓东. VDR在海上移动式平台中的应用研究与实现[D].大连：大连海事大学，2013.
[6] GB/Z 19582.1-2004， 基于Modbus协议的工业自动化网络规范 [S]. 北京: 欧阳劲松, 孙昕, 刘铁椎等,2004: 4 -13
[7] IEC61162-1-2010，Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems. [S]. Geneva: 2010:23-36.