CAN总线技术在船舶主机遥控系统中的应用

马东旭，等：　ＣＡＮ总线技术在船舶主机遥控系统中的应用　ＣＡＮ总线技术在船舶主机遥控系统中的应用　马东旭，王海燕，王兆强　（上海海事大学商船学院，上海２００１３５）　提要　简要概述了船舶主机遥控系统的发展，　并从发展趋势看采用ＣＡＮ总线技术对于主机遥控领　域具有更新换代的重要意义。对ＣＡＮ总线技术进行　分析，阐述采用ＣＡＮ总线技术为主机遥控系统通讯总　线的可行性。　关键词ＣＡＮ总线　船舶主机遥控系统　中图分类号Ｕ６６５　文献标识码Ａ　１　前言　船舶主机遥控系统是船舶机舱自动化的重要组　成部分，世界主要造船国家的船级社已经把主机遥　控系统纳人无人机舱规范中不可缺少的部分。　目前国内大多数普通船舶的主机控制系统部分　主要以模拟量组合的单元仪表为主。这类控制系统　所需要的仪表控制器件数量多，发生故障事件的概　率较高，数据显示精度低且控制困难，大多采用手动　操作。那些大型高科技船舶的遥控系统设备基本依　靠进口，距离国家主流船型本土化配套设备装船率　达到６Ｏ　的要求还有较大的差距。为适应我国船　舶数字化的发展趋势，提高主机遥控系统的自动化　技术，对国内船舶制造业的更新换代具有重要的　意义。　控制器局域网（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，　ＣＡＮ）总线由于具有突出的可靠性、实时性、灵活性　和高性价比且技术资源丰富、应用开发简便，成为主　机遥控系统的首选通讯方式。　２　ＣＡＮ总线概述　ＣＡＮ是一种有效支持分布式控制或实时控制　的串行通讯网络，１９８６年由德国Ｒｏｂｅｒｔ　Ｂｏｓｃｈ公司　为汽车的监测、控制系统而设计的。以简化的网络　通讯方式实现高速信号传输，并着重考虑减少硬件　电路的接线，提高性价比和保证恶劣电磁环境下数　据传输的可靠性。鉴于船舶主机的工作环境及遥控　系统的要求，完全可以考虑借鉴。　作者简介：马东旭（１９８８一），男，硕士研究生。　用ＣＡＮ做工程启动成本低，其主要特点　如下　。　（１）ＣＡＮ总线接口芯片支持８位、１６位ＣＰＵ，　许多嵌入式微处理器都集成了ＣＡＮ通讯控制器。　（２）ＣＡＮ总线具有国际标准，即ＩＳＯ一１１８９８。　（３）ＣＡＮ可以多种方式工作，网络上任意一个　节点均可以在任意时刻，主动向网上其他节点发送　信息而不分主从，通信方式灵活。利用这一特点，也　可以方便地构成（容错）多机备份系统。　（４）ＣＡＮ网络上的节点可分为不同的优先级，　满足不同的实时要求。　（５）ＣＡＮ采用非破坏性总线仲裁技术。当两　个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点　主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响　地继续传送数据，有效避免了总线冲突。　（６）ＣＡＮ可以点对点、一点对多点及全局广播　的方式传送和接收数据。　（７）ＣＡＮ直接通讯距离最远可达１０ｋｍ／　５ｋｂｐｓ，通讯速率最高可达１Ｍｂｐｓ／４０ｍ。ＣＡＮ—　ＢＵＳ上节点数据理论值为２　０００个，实际可达　１１０个。　（８）ＣＡＮ采用短帧结构，每一帧的有效字节数　为８个。这样短的传输时间，受干扰的概率低，重新　发送时间短。　（９）ＣＡＮ节点在错误严重的情况下，具有自动　关闭总线的功能，即切断它与总线的联系，以使总线　上的其他操作不受影响。　（１Ｏ）ＣＡＮ每帧信息都有ＣＲＣ校验及其他检　错措施，保证了数据的出错率极低。　（１１）通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊　要求。　（１２）用户接口简单，编程方便，很容易构成用　户系统。开发系统廉价，ＯＥＭ用户容易操作。　３　ＣＡＮ总线在主机遥控中的应用　主机遥控系统是机舱自动化重要组成部分，驾　驶室、集控室和机舱分布在全船不同的位置，由于船　舶工作环境相对恶劣，机舱空间狭小，设备布局紧　凑，各种信号干扰源较多，加上船东对船舶设备性能　及可靠性要求越来越高，因此船用主机遥控系统应　该采用实时性好、抗干扰能力强、成本较低、开发和　使用难度较小的ＣＡＮ通信总线。　３．１　ＣＡＮ总线的主机遥控系统设计实例　考虑遥控系统的实际应用性，采用目前船舶较　广泛使用的一种ＭＡＮ—Ｂ＆Ｗ公司生产的Ｌ－ＭＣ／　ＭＣＥ型低速柴油机作为本系统的控制对象。整个　主机遥控系统设有驾驶室、集控室和机舱三个操作　站点，系统采用两根ＣＡＮ现场总线组成双冗余现　场总线局域网，三个控制分站和组件、ＰＬＣ以及信　息反馈单元均直接挂接在双冗余的ＣＡＮ总线上，　如图１所示。该网络采用标准的网络系统（ＴＣＰ／　ＩＰ）接口，并通过网关可以实现与全船网络互联。　３．１．１驾驶室　该站主要由控制面板和复合式车钟组成，该控　制面板的设计原则是简单且易于操作。它的主要功　能是：实现无扰控制权的转移，停车、减速以及一些　限制器的撤销，警报的确认及消声，系统变量参数的　改变等。控制面板上设有一个先进且简单易用的多　功能旋转按钮，通过其可以访问系统的所有功能，并　通过控制面板上方的显示屏查看所有信息，如主机　转速，起动空气和扫气压力，柴油机状态等，该显示　是操作者监测系统的主要界面。　复合式车钟是由电通信和操作手柄结合在一起　的主机车钟系统，主要功能是用来控制主机的起／停　及转速的设定，并建立与机舱的通信交流。在复合　式车钟系统中还设有应急停车及应急减速的按钮，　并通过一根硬线直接连接到主机的安全保护系统单　元作为安全备用。作为辅助功能，车钟系统还设有　控制权选择按钮（驾驶室控制、集控室控制和机旁控　制）以及海上航行按钮、备车按钮和完车按钮。　３．１．２集控室　该站主要由控制面板、指示面板、复合式车钟、　起／停和速度设定手柄以及ＰＬＣ控制器组成。集控　室里的控制面板和复合式车钟的功能与驾驶室的基　本相同。指示面板的主要功能是对主机和主机辅助　系统的直接指示以及对辅助鼓风机的控制。主机的　指示一般包括燃油凸轮的位置，盘车机的状态，主起　动阀的状态，调速器限制取消，调速器未耦合，起动　空气分配器闭锁，慢转、停车、降速作用等。指示面　板还有遥控系统控制位置的指示（驾驶室控制、集控　造船技术　２０１１年第２期（总第３００期）　室控制、机旁控制）以及辅助鼓风机起／停控制按钮。　ｌ控制面板ｌ　ｌ霉到　．　票　网　Ｉ停车ｌ　囊　网　Ｉ　Ｉ　ｌ指示面板ｌ　一１眦ｌ．　Ｉ　　Ｉｒ一一一　　双冗余ｃＡＮ　嚣ｌ　ｂ咐／佘反馈单　安保荦元｝　急　—里上应急　．—］Ｖ　Ｑｌｌ　控制箱　栅ｎ　Ｂ　日蠹　图１　基于ＣＡＮ的主机遥控系统设计框图　ＰＬＣ为中央控制单元，是整个遥控系统的核　心。由驾驶台或集控室发出的车令信号输入ＰＬＣ，　ＰＬＣ将根据由工况检测和转速检测反馈过来的主　机状况，经逻辑运算，输出主机运行的控制信号，一　路控制执行机构使主机起动、换向、制动等，一路控　制数字调速单元使主机恒速运转。同时ＰＬＣ也有　工况显示、故障报警以及应急保护的功能。　作为应急备用，集控室还配有一个半自动控制　系统：起动／停止＆速度设定手柄，它通过一根硬线　直接连接到主机执行机构。该手柄包括向前开关、　向后开关和停止开关，此外，它还包含一个电位器，　用来向主机提供一个速度设定信号。　３．１．３机舱　机舱控制站相对较复杂，主要由应急控制箱、执　行单元、工况反馈单元以及安全保护单元等组成。　应急控制箱位于主机旁，是作为遥控系统失灵时的　紧急操作，它的控制优先级别最高，可通过上面的控　制位置按钮（驾驶室控制、集控室控制、机舱控制）来　选择。应急控制箱上的车钟系统可接收由驾驶台发　出来的车钟命令，向前或向后起动主机并对主机的　转速进行设定。同时，应急控制箱上还保有对主机　转速、主机基本状态和安全的指示。　执行单元用来执行ＰＬＣ发出的停油、换向、制　动、起动及供油控制命令。反馈单元用来实时向　ＰＬＣ反馈主机各个参量（主机滑油压力、冷却水温　马东旭，等：　ＣＡＮ总线技术在船舶主机遥控系统中的应用　度、主机转速等），齿轮箱的各个参量（齿轮箱滑油低　压、正车／倒车合拍等），控制空气、起动空气的状况　等，实现遥控系统的闭环控制。安全保护单元用来　监视主机运行的一些重要参数，是整个主机安全运　行的重要保障，一旦某个重要参数发生严重越限，安　全保护装置将根据其危害程度自动控制主机进行减　速运行或停车，同时发出相应的报警，显示安全系统　动作的原因。　３．２带有ＣＡＮ总线接口的控制器（ＰＬＣ）的实现　主控制器硬件接口的实现框图如图２所示。　ＰＬＣ是整个网络的核心，在里面运行柴油机的控制　程序、报警程序等，接收经过转换处理过的控制面板　发出的控制信号以及车钟的车令，通过ＣＡＮ接口　实时向各个现场Ｉ／０节点发送控制信号，向指示面　板传输柴油机的运行参数，也可以通过驱动电路来　点亮相应的指示灯或激活蜂鸣器。ＣＡＮ总线接口　采用ＰＨＬＩＰＳ的ＳＪＡ１０００芯片作为总线控制器，通　过ＣＡＮ总线驱动器来实现与ＣＡＮ总线交换需要　接收和发送的数据。看门狗电路主要是为了防止程　序跑飞而设置的。　磊霉　覆　划转ｌＩ换　　Ａ／Ｄ　－◇　＼　叫时ｒ１复位钟电／路　　ｌ　驾／集请求　电　黜　Ｖ　完车　备车　数　信　喜　＝０　号　捱叵　确认　处　呼　理　齿轮箱正车位　‘．—．—．—－—Ｊ●．－．－．－．．－Ｊ　０　ＳＪＡｌｏｏ０　山　齿轮箱倒车位　备车指示灯　请求指示灯　驱　１＿圭　ｒ　完车指示灯　动　＜＝电　　ＣＡＮ总线　驱动器　报警指示灯　路　—　蜂鸣器　过　ＣＡＮ总线　图２主控制器硬件接口的实现框图　３．３　ＣＡＮ总线通讯的实现　ＣＡＮ总线采用ＣＡＮ２．ＯＢ协议兼容ＢＡＳＩＣ　ＣＡＮ协议，接口面向ＣＡＮ总线的参数，波特率可为　５００ｋｂｐｓ，实现全双工多点通讯。当ＣＡＮ网络中某　一节点向其他节点发送数据时，需经过以下几个阶　段Ｌ２］，如图３所示。　（１）发送数据准备。智能单元微处理器把待发　送信号以一定数据格式写入ＣＡＮ通讯控制器，一　次发送数据准备完毕后，将ＣＡＮ通讯控制器的发送　请求位置位，启动网络通讯过程。　接收节点　图３　ＣＡＮ网络通讯流程图　（２）总线访问。被启动网络通讯过程的节点，先　监听总线状态。若总线空闲，则发送报文。　（３）总线仲裁。ＣＡＮ协议采用优化的ＣＳＭＡ／　ＣＤ仲裁总线访问权，保证多节点访问总线时，只接　受优先级最高的节点。协议规定：标识符全为０时，　优先级最高；标识符全为１时，优先级最低。　（４）帧传送。ＣＡＮ总线报文由四种帧组成：　①数据帧。携带数据由发送器至接收器。　②远程帧。接收单元向发送单元请求发送具　有相同标识符的数据所用的帧。　③出错帧。由检测到总线错误的任何节点　发送。　④过载帧。提供当前和后续的数据帧或远程　帧之间的附加延迟。　（５）出错报文重发。ＣＡＮ提供了报文级与位级　的五种纠错机制：　报文级——循环冗余校验，帧格式校验，应答错　误校验，　位级——位监视，位填充。　当总线节点通过以上五种机制发现总线报文错　误后，由ＣＡＮ总线接口控制器发送带出错标志的出　错帧，中断通讯。若在数据帧或远程帧的发送过程　中发现错误，则当前信息作废，并重发数据。　（６）帧接收应答。ＣＡＮ总线在数据帧或远程帧　的应答域发送一显性应答位表征报文正确接收，其　纠错机制还提供了应答错误检验。　・　５６　・　造船技术　２０１１年第２期（总第３００期）　４　结语　总线技术将势必在更多的船舶主机遥控系统中得到　应用。　本文以ＰＬＣ为控制核心，利用ＣＡＮ总线组建　该低速柴油机遥控系统分布式控制网络，采用多主　５　参考文献　工作方式实现驾驶室、集控室及机旁之间的的互联　１杨春杰，王曙光，亢红波．ＣＡＮ总线技术．北京：北京航空　通讯。其模块化系统的设计利于工程人员设计与维　航天大学出版社，２０１０．　护，并具有良好的开放性和兼容性，方便与其他系统　２万曼影，杜家瑞，汤洁．ＣＡＮ网络在机舱自动化系统中的　互联。随着船舶自动化控制技术的不断发展，ＣＡＮ　应用研究．交通部上海船舶运输科学研究所学报，２０Ｏｌ，　２４（２）：１２Ｏ　［上接第ｌ４页］　图６第一货舱舱口盖纵向梁的组合应力云图【ＭＰａ）一～一　　¨　．　～　一　．～　图８第一货舱舱口盖梁的弯曲应力云图（ＭＰａ）　图７第一货舱舱口盖槽钢的组合应力云图（ＭＰａ）　图９第一货舱舱口盖变形　（４）屈服强度校核结论。通过ＰＡＴＲＡＮ对　４刘炳楠，孙先波，古长江，等．船舶舱口盖的分类及修理．　１６　０００ＤＷＴ散货船舱口盖进行结构分析，结果说明　中国修船，２００６，（２）：２４　舱口盖在母型船舱口盖结构板材、型材尺寸的基础　５朱德龙．现代货船舱口盖发展特点．上海造船，１９９７，　上经过适当加强后，强度符合要求。　（１）：５８　６吴广明．ＣＡＥ在船舶结构设计中的应用及展望．中国舰　５　参考文献　船研究，２００７，（６）：３０　７杨海，程锋．虚拟仿真技术在实船中的应用．造船技术，　１刘宝庆．货船舱口盖装置介绍与检查．天津航海，２００５，　２００５，（４）：３５　（２）：１９　８杨赵华，吴卫国．基于共同规范的散货船舱口盖结构强度　２　中国船级社．钢质海船入级规范．北京：人民交通出版　分析．交通科技，２００８，（２）：１１０　社，２００６．　９李辉，向益．应用ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ进行船舶舱口盖局部强　３世界船级协会．中国船级社，译．散货船共同结构规范．　度分析．广东造船，２００４，（２）：７　北京：人民交通出版社，２００６．