基于CAN 现场总线的船舶电站监控系统

1、基于C A N现场总线的船舶电站监控系统Ship Power Station Monitoring System Based onCAN Field Bus上海船舶运输科学研究所江忠明杜军丁颖华李世锦摘要介绍了CAN总线的特点和船舶电站监控系统的现状,构建了基于CAN总线的现场总线船舶电站监控系统,这样的开放式电站监控系统更可靠,更易于扩展,对全船机舱自动化有积极意义。关键词现场总线 CAN 现场总线控制系统电站监控系统Abstract The p aper introduces characteristics of CAN bus and the status quo of ship pow

2、er station monitoring system, and establishes field bus ship power station monitoring system based on CAN bus. An open-type power station monitoring system like this is more reliable and easier to expand, which is very meaningful to whole-ship engine room automation.Keywords field bus, CAN, field bu

3、s control system, power station monitoring system1 前言CAN现场总线是八十年代初德国Bosch公司为实现现代汽车生产中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,具有很高的可靠性,支持分布式控制和实时控制。CAN总线的结构包含OSI七层模式中的三层:物理层、数据链路层和应用层。通信速率可达1Mbps(40m,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以通信数据块编码,使网络节点数量在理论上不受限制。数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命

4、令、工作状态及测试数据的一般要求。同时,8字节的数据不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性。CAN协议还采用了CRC循环冗余检验并提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性和安全性。CAN总线以其卓越的性能、极高的可靠性和实用性、独特的设计成为现场总线的一支奇葩,被公认为是最有前途的现场总线之一,也是被应用于船舶电站监控系统的基础。2 船舶电站监控系统的现状船舶电站自动化是船舶机舱自动化的一个重要组成部分,也是船舶现代化的重要标志。船舶电站监控技术同机舱控制技术一样,是随着通信技术、微处理器技术、控制技术的进步而不断发展的。六十七十年代船舶电站监控采用的是分离器件控制方法;七十年代中

5、期,分布式控制系统(DCS诞生,并在后续的二十年中得到了飞速发展和广泛应用。尽管DCS使控制系统趋于综合和成熟,但是,仍存在两大缺点:1 DCS使用非标准的通信网络,各个公司的标准不同,因此,是一个封闭式系统,不具有开放互连性;2 主从式的DCS网络为三层结构模式:操作站控制站现场仪表,系统成本高,而且容易因系统总体网络失效而造成系统瘫痪。鉴于DCS存在着诸多缺限,而CAN等现场总线技术又已形成和发展,因此把现场总线技术运用到船舶电站监控系统中,以开发一个以现场总线技术为核心的现场总线船舶电站监控系统是势在必然。3 基于CAN的现场总线控制系统(FCSCAN现场总线协议具如下特点:1 与传统的

6、主从网络不同,它是多主结构网络;2 可连接各种类型的微控制器;3 无损结构的逐位仲裁方式进行总线的优先权访问;4 强有力的错误处理能力,故障节点自动脱离总线;5 采用短帧结构,有较强的网络抗干扰能力。基于CAN现场总线的FCS则具有如下鲜明特征:1 与DCS控制系统不同,它的结构模式为:工作站现场总线智能现场设备。用两层设备完成DCS三层设备的功能;2 开放式现场总线互连网络可以将不同厂商的网络及设备有机融合,构成统一的FCS;3 与DCS相比,FCS减少了专用的I/O 装置及控制站,许多功能转由现场设备完成,使系统控制功能彻底分散,既降低了成本,也提高了可靠性;4 可以早期发现并排除FCS现

7、场设备的一部分故障,使整个网络的故障自检变得更加容易;5 由于采用系统网络,故障节点自动脱离总线,因此,不会出现系统瘫痪等大型故障。4 组建基于CAN的现场总线船舶电站监控系统系统采用CAN现场总线进行网络通讯,通讯线采用双绞线,通讯速率根据船舶环境选250kbps(270m125kbps(530m,设计具有通用性、实时性和可扩展性。系统主要由电站控制管理微机、控制器节点和测量箱节点组成。由电站控制管理微机内的一块CAN通讯适配卡与测控节点通讯,CAN 适配卡与测控节点都采用SJ1000控制器芯片, 80C250为CAN控制器接口。微处理器采用16位80C196KC。图1 CAN通信适配卡结构

8、框图CAN通信适配卡是网络数据与计算机应用程序通信的中介,采用双口RAM设计,即开辟一块内存区域,PC机的中央处理器和80C196KC微处理器等均可以读写数据存贮器,具体结构框图见图1。测控节点的CAN总线主要完成测量数据与控制参数和数据的网络共享,达到全网节点的最优控制,测控节点的结构框图见图2。 图2 CAN总线测控节点结构框图图3 CAN网络通信程序结构框图 为了保证网络通信的实时性,CAN通信采用中断方式,选用优先级最高的外部中断。图3为CAN 网络通信程序的结构框图。由于发送中断是在发送完成后产生,所以必须通过一种外界诱导手段进入发送例程,在此采用定时中断发送一诱导帧进行发送诱导,发

9、送过程采用一个计数器计数,数据发送完成后,最后一个发送中断应清除,以免进入发送死循环,中断无法退出。由于诱导帧也占用总线时间,为了争取宝贵的总线时间,可以在诱导帧内加入一些故障检测信息,以完成网络的自检功能。5 基于CAN的船舶电站监控系统实例基于CAN总线构建的电站监控系统已在某船上得到实践,图4是一船舶电站监控系统组成框图。与该船电站相关的监测点有三百多个,控制参数一百多个。系统将400个监控参数通过23个CAN 网络节点分配到监控站现场,使系统的监控功能彻底分散,从而保证了船舶电站的安全、可靠。电站管理微机完成参数的显示、网络的初始编程、图形界面形成工作;报警灯板对超限值进行报警;四个机

10、组控制器自动控制发动机,使其正常运行;三个跨接开关控制器控制跨接开关;四个机组测量箱用于现场数据采集;八个配电开关状态测量模块收集船舶配电的状态信息。本实例中的系统是对四台机组进行控制,如果系统需要扩充,只需增加控制和测量节点即可,系统有很好的可扩展性。采用CAN 现场总线结构后,系统与主动力监控系统的互连方便又简单,有利于全船机舱的自动化。6 基于CAN总线的电站监控系统前景由于采用了先进的现场总线技术,电站监控系统的功能大为改善和增强,并且减少了施工的工作量,节约了成本。可以预见这种电站监控系统将在二十一世纪的船舶机舱自动化领域中发挥独特的作用。7 参考文献1 邬宽明. CAN总线原理和应

11、用系统设计. 北京:航空航天大学出版社2 黄忠秀. 船舶运输控制系统. 北京:人民交通出版社作者简介:江忠明男,毕业于大连海事大学轮机工程学院,现从事船舶机舱自动化领域的相关技术研究。第七届中国国际船艇展将在上海举办从1996年起中国国际船艇展览会(China International Boat Show已成功举办了六届,有六百多家次国内外船艇及设备厂商先后参展,五万多名国内外观众参观。历届展览会除展出了上百艘豪华游艇、成千台动力装置和船艇配套产品外,主办单位还在展览会期间举办新产品、新技术介绍会、经贸洽谈会及技术报告会。共达成合同及协议累计达4亿多人民币,取得了较好的经济效应。2002年4月24日27日,第七届中国国际船艇展又将在上海举办,本届展览会将在前六届成功举办的基础上进一步适应国内外新形势的发展,展出内容将更加扩大。目前,已有许多外商、外资企业申请参加这次船艇展,有些还特地带来实艇展出。特别是有一批海外博士将带上他们集最新高科技于一体的太阳能游艇、人力驱动船艇等来本届展览会参展。绿色发动机也将是这次展览会的热点之一,发动机的开发商将在这次展览会上展出他们的发电机、新型蓄电池、太阳能发动机等新能源船艇发动机。为促进厂商与使用部门的接触,本届展览会将加强组织各类经贸洽谈活动和新产品介绍会。这将成为本届展览会又一热点,届时厂商与