專利名稱：通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，具體是一種用于船舶機艙自動監(jiān)測報警的嵌入式控制系統(tǒng)，屬于船舶電氣領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著改革的不斷深化，船舶工業(yè)和航運業(yè)迅速發(fā)展，船舶的監(jiān)測與報警系統(tǒng)也在不斷地更新，它用來監(jiān)測機艙中主機、輔機，貨艙及輔助設(shè)備的運行情況。一旦運行設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)便自動發(fā)出聲光報警，并通知輪機員進行相應(yīng)的處理，目前現(xiàn)有的監(jiān)測與報警系統(tǒng)均比較簡單，還不能擴展到整個船眾多的設(shè)備監(jiān)控，只是針對機艙等幾個重要部位進行監(jiān)控，而且現(xiàn)有的執(zhí)行硬件設(shè)備也還不夠完善，故障率相對較高。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)。本實用新型要解決的問題是現(xiàn)有船舶監(jiān)測報警技術(shù)不夠完善的不足。為實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，由延伸報警模塊、可選的監(jiān)控工作站、Ethernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)、UPS、兩臺工控主機、打印機、報警燈柱、開關(guān)量輸出模塊、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量輸出模塊通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與兩臺工控主機相連接，可選的監(jiān)控工作站和延伸報警模塊通過Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)與兩臺工控主機相連接；該系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為兩層下層由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量輸出模塊和CAN雙總線冗余構(gòu)成的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)；上層由Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)、雙機熱備冗余的工控機和可選的監(jiān)控工作站、延伸報警模塊等組成，用于完成船舶設(shè)備的網(wǎng)上集成監(jiān)視與管理等功能?，F(xiàn)場現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊由開關(guān)量采集模塊、Γ20πιΑ電流信號采集模塊、PT100熱電阻信號采集模塊、熱電偶信號采集模塊構(gòu)成。現(xiàn)場現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊采用完全獨立的兩組CAN總線接口，采用模塊化電路設(shè)計，通過CAN0PEN協(xié)議與主機進行通訊，具有相同的電源結(jié)構(gòu)、相同的CPU電路、相同的CAN 總線通訊接口 ；報警監(jiān)測系統(tǒng)集成CAN通訊功能，采用Atmega32單片機，通過CAN控制器將 CAN收發(fā)器和CAN現(xiàn)場總線連接，并設(shè)有ESD和防雷擊電路；CAN控制器采用MCP2515，CAN 收發(fā)器采用TJA1050 ；PT100熱電阻信號采集模塊采用了雙恒流源的測量電路；Γ20πιΑ電流信號采集模塊在電流回路里串入一個250歐姆的電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成廣5V的電壓信號，再把電壓信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；開關(guān)量采集模塊采用光電隔離模式。本實用新型設(shè)計了專門適用于船舶機艙這樣惡劣工況環(huán)境的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊， 該模塊采用完全獨立的兩組CAN總線接口，可以方便地組成雙冗余CAN總線網(wǎng)絡(luò)。為了滿足系統(tǒng)監(jiān)測實時性的要求，在上層計算機網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用了 Winsock網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。為了提高整個系統(tǒng)的可診斷性、可維護性等功能，軟硬件都按分布式設(shè)計。為了確保運行的可靠性，使用了雙網(wǎng)冗余、雙主機熱備冗余技術(shù)，一旦出現(xiàn)故障，主機能自動切換。采用密碼登錄、操作自動記錄，設(shè)備運行數(shù)據(jù)定時備份、不間斷電源自動監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)運行和命令執(zhí)行狀態(tài)實時顯示、故障分類處理、主要功能模塊獨立設(shè)計、數(shù)據(jù)隔離自動備存等機制，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性以及故障的可診斷性。在集控室設(shè)有兩臺互為冗余的工控機，用于與下層現(xiàn)場設(shè)備信息交互，對機艙中的主機、發(fā)電機、輔鍋爐、電站等設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視，同時完成與上層計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)保存等功能。一般情況下兩工控機同時運行，兩機同時運行時，其中一臺為主機，可具有監(jiān)測功能，另一臺為備機，只起數(shù)據(jù)復(fù)示作用。一旦當(dāng)前主機發(fā)生故障，則可自動觸發(fā)控制切換，備機變?yōu)橹鳈C，可以擁有監(jiān)測功能。工控機中的各應(yīng)用程序可在兩機間單獨主備切換實現(xiàn)冗余功能。駕駛臺設(shè)有兩臺監(jiān)控機，互為冗余，與集控臺的工控機有同等的報警、顯示作用， 但不負責(zé)與機艙現(xiàn)場模塊通訊或現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。其它場合如各駕駛員和輪機員房間一般都只設(shè)一臺監(jiān)示機或延伸報警模塊。延伸報警模塊可以查詢所有的報警信息以及系統(tǒng)運行參數(shù)，但消聲及應(yīng)答只對本機有效。采用本實用新型提供的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，不但效果明顯而且價格便宜，其設(shè)計簡潔高效，制造簡單，使用方便，它的運用可以使船只的航行安全系數(shù)大大提高。

圖1示出了本實用新型船舶通用監(jiān)測報警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖；圖2示出了本實用新型船舶通用監(jiān)測報警系統(tǒng)開關(guān)量信號采集電路圖；圖3示出了本實用新型船舶通用監(jiān)測報警系統(tǒng)壙20mA電流信號采集電路圖；圖4示出了本實用新型船舶通用監(jiān)測報警系統(tǒng)PT100熱電阻信號采集電路圖；圖5示出了本實用新型船舶通用監(jiān)測報警系統(tǒng)熱電偶信號采集電路圖；圖6示出了本實用新型船舶通用監(jiān)測報警系統(tǒng)開關(guān)量輸出電路圖；圖中1、延伸報警模塊 2、監(jiān)控工作站 3、Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò) 4、UPS 5、工控主機 6、打印機 7、報警燈柱 8、開關(guān)量輸出模塊 9、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò) 10現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊101、開關(guān)量采集模塊 102、Γ20πιΑ電流信號采集模塊 103、ΡΤ100熱電阻信號采集模塊 104、熱電偶信號采集模塊。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步的說明。本實用新型由延伸報警模塊1、可選的監(jiān)控工作站2、Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)3、 UPS4、兩臺工控主機5、打印機6、報警燈柱7、開關(guān)量輸出模塊8、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)9和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊10構(gòu)成?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊10、開關(guān)量輸出模塊8通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)9與兩臺工控主機 5相連接，可選的監(jiān)控工作站2和延伸報警模塊1通過Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)3與兩臺工控主機5相連接；該系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為兩層下層由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊10、開關(guān)量輸出模塊8 和CAN雙總線冗余構(gòu)成的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)9 ；上層由Ethernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)3、雙機熱備冗余的工控主機5和可選的監(jiān)控工作站2、延伸報警模塊1等組成，用于完成船舶設(shè)備的網(wǎng)上集成監(jiān)視與管理等功能。由于船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)有其特殊性，對系統(tǒng)可靠性要求高、響應(yīng)速度要求實時性好，而機艙工況又惡劣——高溫、潮濕、高鹽度等，因此對其現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的設(shè)計要求比較高。本實用新型重點進行了 CAN總線構(gòu)成的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)9與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊10的設(shè)計，這部分是船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的核心技術(shù)所在。本實用新型現(xiàn)場模塊采用了 CAN 總線為模塊通訊接口，并采用了相互獨立互為冗余的雙CAN總線接口設(shè)計。由于船舶機艙的工況惡劣，而系統(tǒng)的可靠性要求又高，因此系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)設(shè)計也相當(dāng)重要。為了滿足系統(tǒng)監(jiān)測實時性的要求，在上層計算機網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用了 Winsock網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。為了提高整個系統(tǒng)的可診斷性、可維護性等功能，軟硬件都按分布式設(shè)計。為了確保運行的可靠性，使用了雙網(wǎng)冗余、雙主機熱備冗余技術(shù)，一旦出現(xiàn)故障，主機能自動切換。采用密碼登錄、操作自動記錄，設(shè)備運行數(shù)據(jù)定時備份、不間斷電源自動監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)運行和命令執(zhí)行狀態(tài)實時顯示、故障分類處理、主要功能模塊獨立設(shè)計、數(shù)據(jù)隔離自動備存等機制，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性以及故障的可診斷性。在集控室設(shè)有兩臺互為冗余的工控主機5，用于與下層現(xiàn)場設(shè)備信息交互，對機艙中的主機、發(fā)電機、輔鍋爐、電站等設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視，同時完成與上層計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)保存等功能。一般情況下兩工控主機5同時運行，兩機同時運行時，其中一臺為主機，可具有監(jiān)測功能，另一臺為備機，只起數(shù)據(jù)復(fù)示作用。一旦當(dāng)前主機發(fā)生故障， 則可自動觸發(fā)控制切換，備機變?yōu)橹鳈C，可以擁有監(jiān)測功能。工控主機5中的各應(yīng)用程序可在兩機間單獨主備切換實現(xiàn)冗余功能。駕駛臺設(shè)有兩臺監(jiān)控機，互為冗余，與集控臺的工控主機5有同等的報警、顯示作用，但不負責(zé)與機艙現(xiàn)場模塊通訊或現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。其它場合如各駕駛員和輪機員房間一般都只設(shè)一臺監(jiān)視機或延伸報警模塊1。延伸報警模塊1可以查詢所有的報警信息以及系統(tǒng)運行參數(shù)，但消聲及應(yīng)答只對本機有效?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊10是本實用新型的重要組成部分，起采集被監(jiān)測對象的工況參數(shù)及輸出報警信號的作用。該模塊采用完全獨立的兩組CAN總線接口，可以方便地組成雙冗余CAN總線網(wǎng)絡(luò)。本實用新型現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊10共需4種，即開關(guān)量采集模塊101、 4^20mA電流信號采集模塊102、PT100熱電阻信號采集模塊103、熱電偶信號采集模塊104。 根據(jù)中國船級社對船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)要有聲光報警提示的要求，還需設(shè)計一種現(xiàn)場模塊， 開關(guān)量輸出模塊8——用于控制報警燈柱7。這5種現(xiàn)場模塊，有相同的電源結(jié)構(gòu)、相同的CPU電路、相同的CAN總線通訊接口， 在設(shè)計中，可以采用模塊化電路進行設(shè)計，不僅硬件電路可以重用，相應(yīng)部分的程序也可以重用。以下對各模塊公共的電源部分及模塊各自不同的輸入輸出接口電路部分進行敘述。電源電路現(xiàn)場模塊工作的機艙電磁環(huán)境惡劣，供給設(shè)備的電源也很不穩(wěn)定，有浪涌、諧波、 失壓、脈沖等不安全因素，模塊的供電電源設(shè)計必須考慮這些內(nèi)容。在船上，24V直流電源作為全船常備通用的監(jiān)測及控制用電源，因此本實用新型現(xiàn)場模塊電源采用24V直流輸入。模塊內(nèi)部設(shè)置4組相互獨立的電源，CPU部分使用一組5V 直流電源，CAN通訊接口部分使用另一組獨立的5V直流電源，外圍電路部分則使用一組MV 和一組5V直流電源。各部分相互獨立的電源設(shè)計隔斷了電磁干擾噪聲直接傳導(dǎo)的通道，外圍接口電路使用較高的24V直流電壓有助于提高信號的抗干擾性能。開關(guān)量信號采集電路[0031]開關(guān)量信號是使用最普遍的信號，被檢測端傳感器以無源觸點的形式將信號傳遞給開關(guān)量采集模塊。本實用新型采用光電隔離，如圖2所示，當(dāng)外接傳感器的無源觸點閉合后，電流經(jīng)R35流過LED再通過光耦，這樣光耦的輸出端就可以輸出一個被CPU檢測到的信號，從而完成開關(guān)量信號的采集。開關(guān)量信號的采集電路使用MV電源作為供電電源，可以提高信號的抗干擾性能。二極管D7為反電壓提供通路，保護了光耦。電容C36可以過濾高頻干擾信號。電流信號采集電路本實用新型對壙20mA電流信號的檢測，如圖3所示，采用在電流回路里串入一個 250歐姆的電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成廣5V的電壓信號，再把電壓信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器即可。 對于檢測到低于IV的電壓，CPU可以判定為線路故障或傳感器故障。對于二線制的傳感器 R，可以理解為一個可變電阻，當(dāng)被檢測的物理量變化時，引起傳感器的總等效電阻變化，從而改變流過傳感器R的電流。3號接線端子把地線留出，可以方便三線制的傳感器連接。電容C31設(shè)置可以過濾一些瞬時干擾信號。熱電阻信號采集電路三線制PT100熱電阻可以抵消導(dǎo)線誤差對測量結(jié)果的影響，是工業(yè)上PT100熱電阻測溫應(yīng)用的首選方案。本實用新型設(shè)計了雙恒流源的測量電路，在實際應(yīng)用電路設(shè)計中可以取阻值遠遠大于PTioo電阻變化量電阻代替恒流源，以簡化電路設(shè)計。圖4中的R45 為PT100熱電阻提供檢測電流，R47則為導(dǎo)線提供補償電流。PT100的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓差，經(jīng)C32濾波穩(wěn)定后，被差分放大器放大，送給AD轉(zhuǎn)換器。熱電偶信號采集電路本實用新型熱電偶的電壓信號引入后，如圖5所示，經(jīng)C34濾波，被放大器放大，再送給AD轉(zhuǎn)換器檢測。開關(guān)量輸出電路本實用新型開關(guān)量輸出電路的設(shè)計采用了光耦隔離，如圖6所示，CPU輸出的信號經(jīng)光耦輸出，并設(shè)計了 LED指示輸出狀態(tài)，三極管放大后驅(qū)動繼電器。繼電器電路采用24V 供電設(shè)計，驅(qū)動能力強，抗干擾性能好。設(shè)計中將繼電器的常開、常閉觸點都引出，方便不同的應(yīng)用需要。
權(quán)利要求1.通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，由延伸報警模塊(1)、可選的監(jiān)控工作站O)、Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)(3) ,UPS(4)、兩臺工控主機(5)、打印機(6)、報警燈柱(7)、開關(guān)量輸出模塊(8)、 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)(9)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊(10)構(gòu)成。其特征是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊(10)、開關(guān)量輸出模塊(8)通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)(9)與兩臺工控主機( 相連接，可選的監(jiān)控工作站( 和延伸報警模塊(1)通過Khernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)(3)與兩臺工控主機(5)相連接；該系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為兩層下層由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊(10)、開關(guān)量輸出模塊(8)和CAN雙總線冗余構(gòu)成的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)(9)；上層由雙機熱備冗余的工控主機( 和可選的監(jiān)控工作站( 和延伸報警模塊(1)組成；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊(10)由開關(guān)量采集模塊(101)、Γ20πιΑ電流信號采集模塊(10 、ΡΤ100熱電阻信號采集模塊(103)、熱電偶信號采集模塊(104)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊 (10)，有相同的電源結(jié)構(gòu)、相同的CPU電路、相同的CAN總線通訊接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述報警監(jiān)測系統(tǒng)集成 CAN通訊功能，采用Atmega32單片機，通過CAN控制器將CAN收發(fā)器和CAN現(xiàn)場總線連接， 并設(shè)有ESD和防雷擊電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述CAN控制器采用 MCP2515，CAN 收發(fā)器采用 TJA1050。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊 (10)采用完全獨立的兩組CAN總線接口，通過CAN0PEN協(xié)議與主機進行通訊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述PT100熱電阻信號采集模塊(10 采用了雙恒流源的測量電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述Γ20πιΑ電流信號采集模塊(10 在電流回路里串入一個250歐姆的電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成廣5V的電壓信號，再把電壓信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征是所述開關(guān)量采集模塊 (101)采用光電隔離模式。
專利摘要通用船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)，由延伸報警模塊、可選的監(jiān)控工作站、Ethernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)、UPS、兩臺工控主機、打印機、報警燈柱、開關(guān)量輸出模塊、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量輸出模塊通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與兩臺工控主機相連接，可選的監(jiān)控工作站和延伸報警模塊通過Ethernet雙冗余網(wǎng)絡(luò)與兩臺工控主機相連接；在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，通過數(shù)據(jù)采集模塊將現(xiàn)場各個監(jiān)測點的參數(shù)采集至工控主機進行處理，使用方便。
文檔編號G05B19/418GK201955666SQ201020596409
公開日2011年8月31日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者俞紅杰, 劉國平, 劉玉良, 單海校, 李剛, 李良兒, 胡佳文, 胡即明, 陳庭勛 申請人:浙江海洋學(xué)院