CN202049376U - 通用船舶监测报警*** - Google Patents

Abstract

通用船舶监测报警***，由延伸报警模块、可选的监控工作站、Ethernet双冗余网络、UPS、两台工控主机、打印机、报警灯柱、开关量输出模块、现场网络和现场数据采集模块构成。UPS通过导线与两台工控主机的220v的供电接口相连接，打印机通过并口线与两台工控主机相连接；现场数据采集模块、开关量输出模块通过现场网络与两台工控主机相连接，可选的监控工作站和延伸报警模块通过Ethernet双冗余网络与两台工控主机相连接；在***软件设计中，通过数据采集模块将现场各个监测点的参数采集至工控主机进行处理，使用方便。

Description

通用船舶监测报警***

技术领域

本实用新型涉及一种船舶监测报警***，具体是一种用于船舶机舱自动监测报警的嵌入式控制***，属于船舶电气领域。

背景技术

随着改革的不断深化，船舶工业和航运业迅速发展，船舶的监测与报警***也在不断地更新，它用来监测机舱中主机、辅机，货舱及辅助设备的运行情况。一旦运行设备发生故障，***便自动发出声光报警，并通知轮机员进行相应的处理，目前现有的监测与报警***均比较简单，还不能扩展到整个船众多的设备监控，只是针对机舱等几个重要部位进行监控，而且现有的执行硬件设备也还不够完善，故障率相对较高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种通用船舶监测报警***。

本实用新型要解决的问题是现有船舶监测报警技术不够完善的不足。

为实现本实用新型的目的，本实用新型采用的技术方案是：

通用船舶监测报警***，由延伸报警模块、可选的监控工作站、Ethernet双冗余网络、UPS、两台工控主机、打印机、报警灯柱、开关量输出模块、现场网络和现场数据采集模块构成。UPS通过导线与两台工控主机的220v的供电接口相连接，打印机通过并口线与两台工控主机相连接；现场数据采集模块、开关量输出模块通过现场网络与两台工控主机相连接，可选的监控工作站和延伸报警模块通过Ethernet双冗余网络与两台工控主机相连接；该***按结构可分为两层：下层由现场数据采集模块、开关量输出模块和CAN双总线冗余构成的现场网络；上层由Ethernet双冗余网络、双机热备冗余的工控机和可选的监控工作站、延伸报警模块等组成，用于完成船舶设备的网上集成监视与管理等功能。现场现场数据采集模块由开关量采集模块、4~20mA电流信号采集模块、PT100热电阻信号采集模块、热电偶信号采集模块构成。

现场数据采集模块采用完全独立的两组CAN总线接口，采用模块化电路设计，通过CANOPEN协议与主机进行通讯，具有相同的电源结构、相同的CPU电路、相同的CAN总线通讯接口；报警监测***集成CAN通讯功能，采用Atmega32单片机，通过CAN控制器将CAN收发器和CAN现场总线连接，并设有ESD和防雷击电路；CAN控制器采用MCP2515，CAN收发器采用TJA1050；PT100热电阻信号采集模块采用了双恒流源的测量电路；4~20mA电流信号采集模块在电流回路里串入一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成1~5V的电压信号，再把电压信号送到模数转换器；开关量采集模块采用光电隔离模式。

本实用新型设计了专门适用于船舶机舱这样恶劣工况环境的现场数据采集模块，该模块采用完全独立的两组CAN总线接口，可以方便地组成双冗余CAN总线网络。为了满足***监测实时性的要求，在上层计算机网络中大量应用了Winsock网络通讯技术。为了提高整个***的可诊断性、可维护性等功能，软硬件都按分布式设计。为了确保运行的可靠性，使用了双网冗余、双主机热备冗余技术，一旦出现故障，主机能自动切换。采用密码登录、操作自动记录，设备运行数据定时备份、不间断电源自动监控、网络运行和命令执行状态实时显示、故障分类处理、主要功能模块独立设计、数据隔离自动备存等机制，大大提高了***运行的可靠性以及故障的可诊断性。

在集控室设有两台互为冗余的工控机，用于与下层现场设备信息交互，对机舱中的主机、发电机、辅锅炉、电站等设备进行数据采集和状态监视，同时完成与上层计算机的网络通讯、数据保存等功能。一般情况下两工控机同时运行，两机同时运行时，其中一台为主机，可具有监测功能，另一台为备机，只起数据复示作用。一旦当前主机发生故障，则可自动触发控制切换，备机变为主机，可以拥有监测功能。工控机中的各应用程序可在两机间单独主备切换实现冗余功能。

驾驶台设有两台监控机，互为冗余，与集控台的工控机有同等的报警、显示作用，但不负责与机舱现场模块通讯或现场数据采集。其它场合如各驾驶员和轮机员房间一般都只设一台监示机或延伸报警模块。延伸报警模块可以查询所有的报警信息以及***运行参数，但消声及应答只对本机有效。

采用本实用新型提供的通用船舶监测报警***，不但效果明显而且价格便宜，其设计简洁高效，制造简单，使用方便，它的运用可以使船只的航行安全系数大大提高。

附图说明

图1 示出了本实用新型船舶通用监测报警***的总体结构图；

图2示出了本实用新型船舶通用监测报警***开关量信号采集电路图；

图3示出了本实用新型船舶通用监测报警***4~20mA电流信号采集电路图；

图4示出了本实用新型船舶通用监测报警***PT100热电阻信号采集电路图；

图5 示出了本实用新型船舶通用监测报警***热电偶信号采集电路图；

图6 示出了本实用新型船舶通用监测报警***开关量输出电路图。

图中：1、延伸报警模块   2、监控工作站   3、Ethernet双冗余网络  4、UPS   5、工控主机   6、打印机   7 、报警灯柱   8、开关量输出模块   9、现场网络   10现场数据采集模块  101、开关量采集模块   102、4~20mA电流信号采集模块   103、PT100热电阻信号采集模块   104、热电偶信号采集模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型由延伸报警模块1、可选的监控工作站2、Ethernet双冗余网络3、UPS4、两台工控主机5、打印机6、报警灯柱7、开关量输出模块8、现场网络9和现场数据采集模块10构成。UPS4通过导线与两台工控主机5的220v的供电接口相连接，打印机6通过并口线与两台工控主机5相连接；现场数据采集模块10、开关量输出模块8通过现场网络9与两台工控主机5相连接，可选的监控工作站2和延伸报警模块1通过Ethernet双冗余网络3与两台工控主机5相连接；该***按结构可分为两层：下层由现场数据采集模块10、开关量输出模块8和CAN双总线冗余构成的现场网络9；上层由Ethernet双冗余网络3、双机热备冗余的工控主机5和可选的监控工作站2、延伸报警模块1等组成，用于完成船舶设备的网上集成监视与管理等功能。

由于船舶机舱监测报警***有其特殊性，对***可靠性要求高、响应速度要求实时性好，而机舱工况又恶劣——高温、潮湿、高盐度等，因此对其现场网络及设备的设计要求比较高。本实用新型重点进行了CAN总线构成的现场网络9与现场数据采集模块10的设计，这部分是船舶机舱监测报警***的核心技术所在。本实用新型现场模块采用了CAN总线为模块通讯接口，并采用了相互独立互为冗余的双CAN总线接口设计。由于船舶机舱的工况恶劣，而***的可靠性要求又高，因此***的电磁兼容性（EMC）设计也相当重要。

为了满足***监测实时性的要求，在上层计算机网络中大量应用了Winsock网络通讯技术。为了提高整个***的可诊断性、可维护性等功能，软硬件都按分布式设计。为了确保运行的可靠性，使用了双网冗余、双主机热备冗余技术，一旦出现故障，主机能自动切换。采用密码登录、操作自动记录，设备运行数据定时备份、不间断电源自动监控、网络运行和命令执行状态实时显示、故障分类处理、主要功能模块独立设计、数据隔离自动备存等机制，大大提高了***运行的可靠性以及故障的可诊断性。

在集控室设有两台互为冗余的工控主机5，用于与下层现场设备信息交互，对机舱中的主机、发电机、辅锅炉、电站等设备进行数据采集和状态监视，同时完成与上层计算机的网络通讯、数据保存等功能。一般情况下两工控主机5同时运行，两机同时运行时，其中一台为主机，可具有监测功能，另一台为备机，只起数据复示作用。一旦当前主机发生故障，则可自动触发控制切换，备机变为主机，可以拥有监测功能。工控主机5中的各应用程序可在两机间单独主备切换实现冗余功能。

驾驶台设有两台监控机，互为冗余，与集控台的工控主机5有同等的报警、显示作用，但不负责与机舱现场模块通讯或现场数据采集。其它场合如各驾驶员和轮机员房间一般都只设一台监视机或延伸报警模块1。延伸报警模块1可以查询所有的报警信息以及***运行参数，但消声及应答只对本机有效。

现场数据采集模块10是本实用新型的重要组成部分，起采集被监测对象的工况参数及输出报警信号的作用。该模块采用完全独立的两组CAN总线接口，可以方便地组成双冗余CAN总线网络。本实用新型现场数据采集模块10共需4种，即开关量采集模块101、4~20mA电流信号采集模块102、PT100热电阻信号采集模块103、热电偶信号采集模块104。根据中国船级社对船舶监测报警***要有声光报警提示的要求，还需设计一种现场模块，开关量输出模块8——用于控制报警灯柱7。

这5种现场模块，有相同的电源结构、相同的CPU电路、相同的CAN总线通讯接口，在设计中，可以采用模块化电路进行设计，不仅硬件电路可以重用，相应部分的程序也可以重用。以下对各模块公共的电源部分及模块各自不同的输入输出接口电路部分进行叙述。

电源电路

现场模块工作的机舱电磁环境恶劣，供给设备的电源也很不稳定，有浪涌、谐波、失压、脉冲等不安全因素，模块的供电电源设计必须考虑这些内容。

在船上，24V直流电源作为全船常备通用的监测及控制用电源，因此本实用新型现场模块电源采用24V直流输入。模块内部设置4组相互独立的电源，CPU部分使用一组5V直流电源，CAN通讯接口部分使用另一组独立的5V直流电源，***电路部分则使用一组24V和一组5V直流电源。各部分相互独立的电源设计隔断了电磁干扰噪声直接传导的通道，***接口电路使用较高的24V直流电压有助于提高信号的抗干扰性能。

开关量信号采集电路

开关量信号是使用最普遍的信号，被检测端传感器以无源触点的形式将信号传递给开关量采集模块。本实用新型采用光电隔离，如图2所示，当外接传感器的无源触点闭合后，电流经R35流过LED再通过光耦，这样光耦的输出端就可以输出一个被CPU检测到的信号，从而完成开关量信号的采集。开关量信号的采集电路使用24V电源作为供电电源，可以提高信号的抗干扰性能。二极管D7为反电压提供通路，保护了光耦。电容C36可以过滤高频干扰信号。

电流信号采集电路

本实用新型对4~20mA电流信号的检测，如图3所示，采用在电流回路里串入一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成1~5V的电压信号，再把电压信号送到模数转换器即可。对于检测到低于1V的电压，CPU可以判定为线路故障或传感器故障。对于二线制的传感器R，可以理解为一个可变电阻，当被检测的物理量变化时，引起传感器的总等效电阻变化，从而改变流过传感器R的电流。3号接线端子把地线留出，可以方便三线制的传感器连接。电容C31设置可以过滤一些瞬时干扰信号。

热电阻信号采集电路

三线制PT100热电阻可以抵消导线误差对测量结果的影响，是工业上PT100热电阻测温应用的首选方案。本实用新型设计了双恒流源的测量电路，在实际应用电路设计中可以取阻值远远大于PT100电阻变化量电阻代替恒流源，以简化电路设计。图4中的R45为PT100热电阻提供检测电流，R47则为导线提供补偿电流。PT100的阻值变化转换成电压差，经C32滤波稳定后，被差分放大器放大，送给AD转换器。

热电偶信号采集电路

本实用新型热电偶的电压信号引入后，如图5所示，经C34滤波，被放大器放大，再送给AD转换器检测。

开关量输出电路

本实用新型开关量输出电路的设计采用了光耦隔离，如图6所示，CPU输出的信号经光耦输出，并设计了LED指示输出状态，三极管放大后驱动继电器。继电器电路采用24V供电设计，驱动能力强，抗干扰性能好。设计中将继电器的常开、常闭触点都引出，方便不同的应用需要。

Claims (8)

1.通用船舶监测报警***，由延伸报警模块(1)、可选的监控工作站(2)、Ethernet双冗余网络(3)、UPS(4)、两台工控主机(5)、打印机(6)、报警灯柱(7) 、开关量输出模块(8)、现场网络(9)和现场数据采集模块(10)构成，其特征是：UPS(4)通过导线与两台工控主机(5)的220v的供电接口相连接，打印机(6)通过并口线与两台工控主机(5)相连接；现场数据采集模块(10)、开关量输出模块(8)通过现场网络(9)与两台工控主机(5)相连接，可选的监控工作站(2)和延伸报警模块(1)通过Ethernet双冗余网络(3)与两台工控主机(5)相连接；该***按结构可分为两层：下层由现场数据采集模块(10)、开关量输出模块(8)和CAN双总线冗余构成的现场网络(9)；上层由双机热备冗余的工控主机(5)和可选的监控工作站(2)和延伸报警模块(1)组成；现场数据采集模块(10)由开关量采集模块(101)、4~20mA电流信号采集模块(102)、PT100热电阻信号采集模块(103)、热电偶信号采集模块(104)构成。

2.根据权利要求1所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述现场数据采集模块(10)，有相同的电源结构、相同的CPU电路、相同的CAN总线通讯接口。

3.根据权利要求1所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述报警监测***集成CAN通讯功能，采用Atmega32单片机，通过CAN控制器将CAN收发器和CAN现场总线连接，并设有ESD和防雷击电路。

4.根据权利要求3所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述CAN控制器采用MCP2515，CAN收发器采用TJA1050。

5.根据权利要求1所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述现场数据采集模块(10)采用完全独立的两组CAN总线接口，通过CANOPEN协议与主机进行通讯。

6.根据权利要求1所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述PT100热电阻信号采集模块(103)采用了双恒流源的测量电路。

7.根据权利要求1所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述4~20mA电流信号采集模块(102)在电流回路里串入一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成1~5V的电压信号，再把电压信号送到模数转换器。

8.根据权利要求1所述的通用船舶监测报警***，其特征是：所述开关量采集模块(101)采用光电隔离模式。

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