王 琪
(南通航运职业技术学院轮机工程系，南通 226006)
摘 要：机舱监测报警系统自动化是船舶自动化的一个重要组成部分，它直接影响到船舶
的安全和船舶营运的经济效益.文章回顾了船舶机舱监测报警系统的发展历程，介绍了两种典型监测报警系统的特点，并结合现代技术的发展特点指出了未来机舱监测手段的发展趋势. 关键词：机舱监测报警系统；集散型；现场总线型；发展趋势 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:100528354(2007)0620032204 Appli cati on St atus quo and Develop ment Trends of M on itor i n g
and Al ar m i n g Syste m of Mari n e Engi n e Roo m
WANG Q i
(Dep t .of Engine Engineering,Nant ong Shi pp ing Pr ofessi onal Technical College,Nant ong 226006,China )
Abstract :The auto m ation of m arine engine roo m m onitoring and alar m ing syste m is one of the i m portant co m 2
ponents of ship auto m ation,w hich influences directly the ship ’s safety and econo m ic efficiency .This paper re 2vie w s the developing course of m onitoring and alar m ing syste m ,introduces the characters of t wo typical syste m s,and also points out the trends and features of develop m ent of m onitoring and alar m ing syste m in the future ac 2cording to the m odern technology .
Key words :m onitoring and alar m ing syste m of m arine engine roo m;DCS;FCS;develop m ent trends
收稿日期:2007204223
作者简介：王琪(19752)，男，硕士，南通航运职业技术学院轮机工程系讲师，主要从事轮机自动化教学与研究.
0 引言
船舶机舱中的监测和报警系统是船舶中最重要的监测设备，也是实现机舱自动化乃至船舶自动化不可缺少的条件之一.它可以代替轮机人员在相对恶劣的环境下对主机及辅助设备的运行状况进行监测，并
滚珠丝杠电动推杆
在运行设备发生故障后给出声光报警信号.在轮机人员进行应答后撤销报警，同时进入故障记忆状态，故障排除后即可撤销故障记忆，在AUT 20控制模式下还可将报警信号向公共场所、轮机长及值班人员处所进行延伸，实现真正意义上的无人值班.由此可见，先进的机舱监测报警系统不仅能够提高营运经济性、安全可靠性和减少固定船员的配置，而且极大地推动了船舶自动化的进程和“智能型”船舶的实现.迅速发展的电子技术和网络技术也都渗透到船舶机舱监测技术领域.本文将针对该系统的发展状况进行介绍和
分析，并对船舶机舱监测报警系统的发展趋势提出自己的观点，以供探讨.
1 机舱监测报警系统的发展历程
机舱监测报警系统是随着控制理论和电子技术的发展而发展起来的，到目前为止其发展历程大致经历了以下四个阶段:
(1)常规仪表监测阶段
上世纪60年代以前，过程工业控制的自动化水平相对较低，当时的控制理论主要为经典控制理论，控制对象也多以单变量为主.根据当时的电子技术水平，只有单项自动调节控制装置在机舱中得以应用，且使用的监测工具也以常规仪表为主，以有触点继电器式监视报警系统为其典型代表.在该系统中各装置尚没有构成一个完整的集中控制系统，各自独立，自
成体系，如各种热工参数的自动调节、单个机舱设备的自动控制等.
(2)电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑监控阶段
上世纪60年代中后期，随着电子工业的发展，晶体管集成元件的可靠性逐步提高，出现了以电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑控制为代表的机舱监视报警系统即集中监视系统，这使得主机、辅机和各种自动化设备可靠性得以进一步提高.该系统多使用模拟式仪表，但随着生产的发展，模拟式仪表的局限性越来越明显，如模拟仪表难于实现多变量解耦控制以及其它复杂规律的控制，而且控制精度不高等.同时生产规模的扩大和工艺的日益复杂却使仪表控制系统越来越多，控制室的仪表屏越来越大，难于实现集中的操作和显示且各个系统之间难于实现通信联系.此外，由于这种系统的每个信号都要从机舱引到集控室，这将消耗大量昂贵的电缆线，增加各类工程费用等，使得系统造价过高，因此，无论从技术上或经济性，该类监测报警系统都存在诸多不足.
(3)以微机为基础的集散型监控阶段
上世纪70年代到80年代，随着先进的控制工具如集散控制系统(DCS)的出现与不断完善以及如预估控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以及智能控制等现代控制理论的不断发展和提高，先进控制手段也应运而生.加上电子计算机的设计、制造与应用技术的日益成熟，世界上许多国家相继制造出装有计算机监测的自动化程度更高的船舶.先后出现过微机集中监测系统、分散监控系统及集散型微机网
络监测系统.其中集散型又称网络型微机监控系统则采用多个独立微机系统组成分站，用高一级的微机系统组成中央单元，中央单元通过网络同各分站相连.该系统既集中了集中型和分散型的优点，又克服了它们的缺点，是目前用于机舱集中监测最多的结构形式.
(4)基于现场总线技术的机舱监控系统与全船自动化系统联网监控阶段
到上世纪90年代，又出现了基于现场总线的新型控制系统，即现场总线式全分布式系统(简称FCS)，并已形成了网络化结构.它是计算机技术、通信技术、控制技术的综合集成，它的特点是全数字化、具有开放性和互操作性等[1].它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持，对自动监控系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构方面产生了深远的影响.船舶机舱分布式总线监控系统的概念最初是由加拿大海军研发并广泛应用于驱逐舰、潜艇等，它以总线为核心，将所有控制台中的微机连接成网，共享数据.系统具有对资源的动态重构能力，易于向接入总线系统的更多控制台提供冗余措施，在系统结构上采用总线挂接方式.进入21世纪，各研究机构纷纷加强了该系统的研制.目前，德国西门子公司、挪威挪康公司等国际著名的船电产品制造商已有较成熟的技术和相应的配套产品，并己实际应用于各类船舶[2].氯仿沸点
下面将针对后两种系统的特点和应用情况作进一步分析.
2 集散型(DCS)机舱监控报警系统
集散型控制系统代表着80年代末至90年代中期的最高技术水平.这里以德国西门子公司生产的SI M OS I M A32C型集散型机舱监测报警系统为例分析集散型监控报警系统的组成及其结构特点.
2.1 系统介绍
图1所示为SI M OS I M A32C型集散型机舱监测报警系统结构图[3].SI M OSI M A32C型机舱监测报警系统由设在控制中心的主机(SI M OS I M A32C)、多个独立的报警单元分站(Substati on)和网络组成.报警分站为一个独立模块，具有I P55的防护结构，均置于机舱相关设备旁边.被监测的模拟量和开关量信号经由相应输入接口送到计算机箱中处理，报警信号则由输出单元中的系统报警单元控制器发出.集中监视系统由四种类型报警箱组成，即U型(通用型)、B型(双态传感器)、K型(冷藏系统)、T型(用于舱柜液位)，可以根据监测的需要进行选择和组合.以上四种报警箱除T型外每个箱都由3个微型机组成，并可各接40路输入信号.该机舱监测报警系统采用局部网络技术LAN(Local area net work)，网络总线是单一的或冗余的.系统操作人员可以在控制中心的显示器上读取所有分站的测量数据、报警记录、故障表、传感器故障表、内部故障表、报警闭锁状态、测量趋势值等.操作人员可以在控制中心的主终端向各分站的报警单元进行参数赋值和功能试验.该系统设有8个中心连锁源，可与其他系统连接，如轮机员呼叫、值班报警、船舶日志、配载计算机等.
2.2 系统特点
集散控制系统的系统结构特点为“操作站一现场控制站一I/O及信号变换器”等三级分级递阶结构，是一种分布式控制系统.系统中不再只是具有一
图1 SI M OS I M A32C型监测报警系统组成框图
台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表、智能部件组成.集散系统的数据通信网络是连接分级递阶结构的纽带，是典型的局域网.这种用于控制系统的网络与普通的局域网不同，普通局域网强调的是提高信道的利用率，而控制网络强调的是可靠性、安全性、实时性和广泛的实用性.由于报警分站各自独立，某一单元的故障不影响系统的运行，因此系统的总体性能和可靠性得到了提高.同时，分站设置在设备附近，减小了大量电缆的铺设，信号通过网络传送故障率大大减少.
但DCS也存在着自身无法克服不足.首先是信息传递落后，目前从现场一次仪表到DCS和从DCS 到现场的信号大都沿用DDZⅢ型仪表的信号规格，即4-20mADC或1-5VDC，采用点到点的传输方式，信号传输精度低，抗干扰和纠错能力差，难以发挥现场仪表的特长；另外，分散程度不够，每台DCS的现场控制单元一般都要处理几十个控制回路，并由此而带来实时性的问题，很难实现如紧急停车时要求的二级的反应速度；再者,DCS的成本较高，其网络通信体系统结构大多采用封闭式和本公司专用的标准和协议.因此,DCS将面临FCS的挑战.
就目前来说集散型监控技术已发展得相当成熟，为当前绝大多数船舶监控系统所采用.
3 现场总线型(FCS)机舱监控报警系统
现场总线技术在经历了雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准.其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus(FF)、Lon Works、Pr ofibus、HART、CAN、Dup line等，它们具有各自的特，并在不同应用领域形成了自己的优势.这里以目前处于先进水平的DAT ACH IEF C20型监测报警系统为例，介绍现场总线技术在船用机舱监测报警系统中的应用现状.
3.1 系统介绍
DAT ACH IEF C20是NORCONTROL公司推出的基于CAN现场总线技术的分布式机舱监测报警和控制系统，集中体现了当前机舱控制技术发展的先进水平.图2所示为DAT ACH I EF C20的系统结构.该系统主要组成包括：远程操作站(ROS—Remote Operator Station)、现场操作站(LOS—Local Operator Station)、分布式处理单(DP U—D istributed Pr ocessing Unit)、本地局域网双冗余(LAN—Local A rea Net work)总线、CAN(Contr oller A rea Net w ork)现场总线、网关(G W—Gateways)、系统网关(SG W—System Gateways)、监视呼叫系统(WCS—W atch Calling System)等
.
图2 DAT ACH I EF C20的系统结构图
DAT ACH IEF C20是CAN现场总线与以太网(Ethernet)相结合的双网络系统.两种网络各自采用双冗余总线，系统中的主要设备(DPU、LOS和ROS 等)同时连接到两条总线上.两条总线互为备用，因而可以获得高度的可靠性.CAN现场总线是基于带有继电隔离的I S O11898标准，软件协议遵循开放式CAN总线的定义.CAN现场总线网主要用于现场信息的采集、转换和控制.CAN总线分成Local和Gl obal 两个分段，负责机舱设备控制的DPU单元与Local CAN相连，负责参数监测报警的DP U单元则与Gl ob2
al CAN相连，两个分段各自又是双冗余的.双处理分段控制器dPSC用来实现Local CAN和Gl obal CAN两个分段总线间的通信，负责将Local CAN的信息发送到GlobalCAN.此外，监视呼叫系统(包括驾驶台监视单元WBU和船员舱室监视单元WCU)间的报警以及ROS和WBU、WCU之间的通信也是通过CAN进行的.Ethernet网负责系统信息的管理，其最大传输速度为l OMbp s，遥控操作站ROS之间的数据传送借助于之进行.系统网关(SG W)用来使CAN和Ethemet两种不同的网络实现互联，从而使DP U和ROS之间得以进行双向的数据传送.
3.2 系统特点
DAT ACH IEF C20系统采用了先进的网络式机构，使系统结构分散、危险分散，操作管理集中，因此使用方便可靠，配置灵活，同时该系统在通信上采用冗余技术大大提高了数据传输的可靠性.其特点表现为以下三个方面[4]:
(1)结构分散.DAT ACH I EF C20系统所有监测和自动化功能都是由分布式系统的一些智能I/O单元—分布式处理单元DPU完成的.每个DPU都有特定的I/O通道数目和类型，通道数为8-32个，可根据需要通过在模块中装载适当的软件进行配置，以实现报警、控制、安全保护等功能.该系统形成的分散结构形式，有利于故障分散、危险分散.
(2)操作管理集中.DAT ACH IEF C20系统的人机接口(也称为集中操作)是系统的主操作站，由几个远程
操作站ROS组成，它们通常被安装在集控室、驾驶台、货物控制室、危险控制室等地.
(3)双冗余网络结构.DAT ACH IEF C20系统中无论是现场总线CAN、局域网LAN还是网关都是双冗余的，这样可充分保证信息传输的可靠性.
4 监测报警系统的发展趋势
湖水净化由上述两种典型监测系统可以看出，现场总线型控制系统与集散型控制系统相比具有如下特点:(1)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，提高了可靠性;(2)打破了集散型控制系统分层多级的结构形式，把DCS系统集中和分散相结合的结构变成了全分布式的串行双向的通信系统，并且控制功能进一步下放到现场;(3)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)DCS使用非标准的通信网络，各个公司的标准不同，是一个封闭式系统，不具有开放互连性.因此，采用公开化、标准化的设计方案摆脱了DCS系统专用通信网络的局限，通过遵循共同的国际标准不同厂家生产的设备可以集成到同一个FCS系统中并具有互换性和互操作性.鉴于DCS 存在着诸多缺陷和CAN等现场总线技术已形成和发展，因此把现场总线技术运用到船舶机舱监控系统中是当前机舱监测技术发展的必然趋势.国际和国内各船舶研究机构就现场总线技术在船舶上的研究、开发已经广泛展开，并开始应用.考虑到船舶航行的特殊性和未来网络技术的日新月异，笔者以为未来机舱监测报警系统的发展应体现在以下三个方面:
(1)技术开放统一性.自动化系统与设备朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的.虽然当前存在许多现场总线技术并存的局面，并且有一些已在不同应用领域形成了自己的优势，但是船舶备件的通用性和互换性要求控制系统的体系结构应以统一的现场总线为纽带构成，即总线技术应向着趋于开放统一的方向发展.
(2)控制高可靠性.工作可靠性对船舶设备而言尤为重要，监测系统作为保障船舶运行安全的一个重要系统应能够提供多重冗余控制和自诊断功能，以提高系统可靠性和在恶劣环境下帮助管理人员及时查和排除故障的能力.
(3)管理船岸一体性.随着船舶自动化程度的不断提高和计算机网络系统技术的飞速发展，船舶自动化系统正在朝船舶集成化方向发展，以计算机网络、现场总线技术为标志的集成平台管理系统IP MS技术是船舶自动化的一个重要发展方向.机舱监控系统作为实现故障预报和智能诊断的重要环节，应加强形成模块的标准化，以便及时传输监控信息，共享信息，进而实现“机电合一”、“驾机合一”和“船岸一体化”.
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