船舶监控报警系统的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

船舶监控报警系统的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

.................................................................................. 46 本章小结 .......................................................................................................... 47 第六章 总结与展望 ........................................................................................................ 48 论文工作总结 ................................................................................................... 48 研究工作展望 ................................................................................................... 50 致谢 ............................................................................................................................... 51 附录一 ........................................................................................................................... 52 参考文献 ........................................................................................................................ 53 第一章 绪论 1 第一章 绪论 研究背景 我国是造船大国，随着我国对外经济贸易的迅猛发展，国内船舶的需求量将急剧扩大。 据预测， 2020～ 2020 我国将达到每年 840 万载重吨，巨大的船舶需求为中国的船舶企业带来了机遇。 但我国船舶的配套设备研发滞后，质量和性能均不能满足我国船舶工业的需求，尤其是许多关键设备仍然依赖进口，这就极大的压缩了我国造船企业的利润率，严 重影响了船舶产品的竞争力，成为制约我国船舶工业发展的障碍 [1]。 船舶机舱设备众多和复杂，为确保船舶及各机舱设备安全运行，需要经常检查和测试，而人工检查的实时性不高，人工成本较高，工作强度大。 为了及时监测设备运行状态，提高发现问题和解决问题的及时性，降低营运成本，减轻船员工作强度，需要全面及时的机舱自动监测报警设备。 一套船舶监测报警系统的售价在十几万～二十几万 (200 个监测点 )，监测点多的产品超过三十万元，而高端产品的售价可以达到几十万至上百万。 目前，新造船只基本都需要配备船舶监测报警系统，旧船改造时也往 往增加船舶监测报警系统，因此市场对船舶监测报警系统的需求较大。 研究动机与目的 在工业和信息化部发布的《船舶工业 ―十二五 ‖发展规划》中，提出了 ―十二五 ‖时期我国船舶工业的发展目标：到 2020 年，产业体系更为完善，产业结构更趋合理，创新能力和产业综合素质显著提升，国际造船市场份额稳居世界前列，成为世界造船强国。 规划中明确了船舶配套业（主要为船舶电子）作为重点领域的重点发展方向。 在与浙江临海众多造船企业的交流过程中，笔者得知目前新造船和旧船改造通常要求配备一些必须的船舶电子设备，但是国外厂商的设备虽 然质量较好，但价格昂贵，国内除非是豪华游轮会采购，普通船舶无法承担这个成本，而国内的一些船舶配套厂商，要么就是直接代理国外产品，要么就是产品虽然价格便宜，但功能和指标均无法达到需求。 造船厂也无法负担自己直接投资生产配套产品的人才，时间和经济成本，他们需要一些有相对比较强的人才和科研实力的企业来开发价格适中，功能强大的产品。 因此，本论文在此机遇和形势中，依托中电 36 所船舶电子项目部，参与其船舶 监控报东南大学硕士学位论文 2 警系统 的研究开发而成。 本论文主要针对整个系统的实现原理，通信方式，软件架构，安全保障等方面进行了分析和讨论，并 详细描述了系统模块化 [2][3]的相关设计与实现过程。 国内外研究现状 发展历史 船舶监控报警系统是随着电子信息技术和工业控制理论的发展而发展起来的。 在 20 世纪 60 年代以前，工业控制还以经典控制理论为基础 [4]，在船舶中没有集中的 监控报警系统 ，只有单项调节控制装置在机舱中得以应用 [5]，使用的监测工具也以常规仪表盘为主。 20 世纪 60 年代初期，得益于晶体管和集成电路的发展，在一些大型船舶中出现了集中监控室，解放了生产力，将原有需要十几个轮机员的工作变成只需要一个轮机员在机舱中值班就可以监 控整个机舱的运行。 到了 20 世纪 60 年代中后期，随着电子工业的发展和晶体管可靠性的进一步提高，为了满足船舶运行过程中的无人值守的需求，船舶电子开始出现使用电、气驱动以及集成电子模块组合逻辑控制的机舱监视报警系统。 20 世纪 70 年代到 80 年代是船舶电子飞速发展的时期，一方面电子计算机的飞速发展让其在船舶领域内的使用变成了可能，另一方面，预测控制 [6]、自适应控制 [7][8]、非线性控制、鲁棒控制 [9][10]以及智能控制 [11]等一系列现代控制理论的发展，使得世界上许多国家相继造出了自动化程度非常高的船舶。 先后出 现过集中型控制系统，分散型控制系统以及集散型控制系统（ DCS）。 其中集散型控制系统使用局域网通信，并逐渐以数字信号取代模拟信号。 进入 20 世纪 90 年代，集散型控制系统逐步演变，形成了一种新的技术，现场总线式全分布式系统（ Fieldbus Control SystemFCS）。 它是因为计算机技术、通信技术和控制技术的发展而发展起来的。 现场总线分布式系统最初是由加拿大海军研发，并于 1988 年首次将其应用于巡逻护卫舰上 [12]。 国内外主要厂商及产品  挪威康斯伯格 (kongsberg)[13]： 康斯伯格成立于 1814 年，总部位于挪威康斯伯格市，在25 个国家设有分支机构，员工 6472人，销售服务网络遍及北美洲、南美洲、亚洲、欧洲、大洋洲、南极洲等全球主要经济区。 产品涵盖商船队、海工、海底、海运信息技术、仿真、工序自动化、渔业及渔业研究及石油天然气工业，为客户提供动力定位及航行系统、自动控制、货运管理系统及液位传感器、海事训练仿真及位置参考系统、 VDR、AIS、雷达等（几乎涵盖海洋电子各大领域）。 2020 年营业收入约合人民币 170 亿元。 第一章 绪论 3 康斯伯格目前的机舱监控报警系统主要分为 KChief 600 和 KChief 700船舶自动化系统，前者主要为标准商船的安全性和可靠性设计，后者能够满足复杂船只的定制化需求。  德国 SAM Electronics 公司 ： SAM 船舶电子有限公司已有一百多年的历史，总部位于德国汉堡，公司拥有员工 1700 人，销售服务网络遍及全球主要港口城市。 业务涉及广泛的自动化系统，通信导航系统，配电和动力及推进系统。 中国业务依托于上海公司全权代理，并在泰州设有独资企业专门生产配电板，自动化和导航系统。 2020 年度销售收入约合人民币 亿元。 目前最新的产品为 MOS 2200。  上海驷博集团 ： 公 司成立于 1992 年，总公司设在上海，由总公司和三个子公司组成。 已有一支覆盖国内的售后服务团队，在新加坡建立了东南亚地区的售后服务站点。 主要从事开发、生产船舶电气及船舶自动化设备，主要针对国内市场的中小船舶配套和挖泥船舶的配套，年平均承接 100 条左右的民船订单，以低成本和价格优势在国内中小船厂、设计院推荐自己的产品，在国内市场有较大的影响力。 2020 年产值约 2 亿元。 目前最新的监控报警系统型号为 SB2020。 DCS 和 FCS DCS(Disttributed Control System)是分布式 控制系统的缩写，在国内普遍称为集散型控制系统。 它的出现得益于计算机技术、控制技术和网络技术的高速发展和结合，从而成为目前最先进的过程控制系统，整个系统具有很高的可靠性。 它的控制点分散，但通过集中的监控和操作，使得 DSC 具有操作和维护的简便性。 20 世纪 80 年代后，由于微处理器在控制领域的大规模使用，各种仪器仪表中都嵌入了微处理器，从而每个微处理器都能被指定任务，互相之间通过具有网关的专用网络通信，网关程序需要用户自己编写。 于是，大多数 DCS 的供应商都为自己的产品制定了自己标准，但是 DCS 的开发者不愿意去花费 时间制定统一的标准，而用户需要更标准化的产品，因此随着测控技术的发展， DCS 被逐渐意识到存在系统综合信息能力差、系统构成复杂、各厂商产品互操作性差异及现场仪表与控制设备不具有双向通信能力、控制速度不能满足要求等问题 [14]。 现场总线控制系统（ FCS）是在 DCS 的基础上发展起来的新技术，它利用现场总线作为各个子系统的内部控制网络，并实现了各个测控设备间的互联 [15]。 FCS继承了 DCS 的许多成熟技术，例如人机界面、基于 IEC611313的组态编程、冗余了热备份的思想和方法等，但 FCS 完全超越的 DCS的框架，它 实现了测控设备的智能化，利用现场总线将一个个分散设备的信息集中起来，更好的体现了 “ 控制分散，信息集中 ” 的特点。 因为具有统一的技术东南大学硕士学位论文 4 标准和通信协议，使得不同厂商产品具有互操作性和信息交换 [16]。 表 是对 DCS 和 FCS的比较 表 DCS 与 FCS 比较 系统名称 DCS FCS 信号和传输方式 ，实时性好 通信协议 封闭的通信协议，不同厂商的产品无法互联 标准的通信协议，测控设备和控制系统互联，不同产品间 的互操作快捷方便 系统结构 多级分层网络结构，点对点的接线方式，计算机，控制站，测控设备 3 层结构 使用现场总线连接多台测控设备，简化为计算机和测控设备 2 层结构 尽管 DCS系统以其成熟的技术和应用仍然占据一部分市场，但 FCS取代其的趋势不可逆转，本论文正是基于 FCS 系统的开发和研究所展开。 章节安排 本论文的内容 做 如下编排 ： 第一章主要介绍了研究目的，国内外研究进展，主要厂商及产品和发展历史，以及内容安排。 第二章分析了监测报警系统使用的 CAN 总线通信技术及原理。 第三章研究了监测报警系统软件的架 构和流程执行的逻辑分析，并描述了系统的具体实现。 第四章监测报警系统软件界面的 UI 以及 系统 控件库 的设计与实现。 第五章延伸报警板系统的 设计与实现。 第六章总结和展望。 第二章 通信方式及相关技术原理分析 5 第二章 通信方式及相关技术原理分析 监控报警系统采用的是基于 CAN(Controller Area Network)总线的 FCS 系统， CAN 总线以其通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比优等特点成为现场总线的推荐标准之一。 监控报警系统 的 信号采集模块将采集 的模拟 信号经过处理后通过 CAN 总线送往计算机，计算机担任中心处理器的角色，完成总线数据 的获取和处理。 船舶中需要 监测的 所有 信息和参数的报警阈值都存储在 本地 数据库中，当某个监测点的监测数据超出报警阈值时，计算机进行报警显示，并将报警信息发送到船内各区域的复视器和相应报警灯。 本章围绕 监控报警系统 的通信方式展开，通过描述现场总线技术发展及特点来 介绍 监控报警系统 的底层通信技术，比较不同现场总线的优缺点来确定 监控报警系统 采用 CAN 总线作为其现场总线。 本章对于 监控报警系统 的信息传递机制进行了一个简要的描述，并基于此提出了双 CAN 冗余热备份技术来保证 监控报警系统 的可靠性和稳定性。 现场总线技术 现 场总线是 作为目前在工业智能控制领域比较流行的一种 数据总线，它最初的出现是为了把可编程逻辑器件 (programmable logic controller, PLC)以一种比较简洁的方式连接起来[17]。 现场总线技术主要解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器等现场设备间的通信以及现场设备和控制系统间的信息传递问题 [18]。 由于现场总线的简单、可靠、经济实用等一系列优点，受到许多厂商的青睐。 现场总线发展历史及标准化 1984 年美国 intel公司提出一种计算机分布式控制系统 ——位总线 (Bitbus)，它 主要是将计算机中低速的输入输出和高速的总线分离，从而形成现场总线的最初概念。 80 年代中期，美国 Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器 (HART)通信协议。 采用在 4～ 20mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。 HART 协议 已是现场总线的雏形。 1985 年由 Honeywell和 Bailey 等大公司发起，成立了 World FIP 制定了 F。