舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (13): 186-189    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.13.041   PDF    
船舶控制网络故障检测系统的多类型总线应用
刘宇平1,2     
1. 太原科技大学,山西 太原 030024;
2. 山西工程科技职业大学,山西 晋中 030619
摘要: 船舶控制网络负责采集船舶动力、电力、环境控制、雷达等各子系统的实时状态数据,通过分析船舶子系统的运行参数,实现系统的整体控制和故障报警。因此,船舶控制网络的数据采集、传输质量具有非常重要的地位。现场总线数据传输是一种比较成熟的通信方式,但传统船舶中往往只采用了单一的总线技术,本文研究的目标是融合CAN总线、Profibus总线等技术的优势,建立一种基于多类型总线融合技术的船舶控制网络故障检测系统,提升故障检测系统的数据采集、传输精度。
关键词: 控制网络     CAN总线     Profibus总线     融合技术    
Research on application of multi type bus in fault detection system of ship control network
LIU Yu-ping1,2     
1. Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China;
2. Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology, Jinzhong 030619, China
Abstract: the ship control network is responsible for collecting the real-time status data of the ship power, electric power, environmental control, radar and other subsystems, and realizing the overall control and fault alarm of the system by analyzing the operating parameters of the ship subsystem. Therefore, the data collection and transmission quality of the ship control network plays a very important role. Fieldbus data transmission is a mature communication method, but traditional ships often only use a single bus technology. The goal of this paper is to integrate the advantages of CAN bus, PROFIBUS and other technologies, establish a ship control network fault detection system based on multi type bus fusion technology, and improve the data acquisition and transmission accuracy of the fault detection system.
Key words: control network     CAN bus     Profibus bus     combinatorial technique    
0 引 言

船舶控制网络以现场总线、有限网络、无线链路为枢纽,将船舶控制系统的所有船载设备串联成一个整体,并提供硬件设备通信所需的物理接口,对外与基站或卫星等网络直接连接,确保船舶控制系统的对外通信。因此,船舶控制网络故障检测系统对于整船的运行质量、设备安全性、航行效率等有非常重要的意义。

本文研究船舶控制网络故障检测系统的总线应用,设计和开发故障检测系统的总线融合模块,并分别介绍了CAN总线和Profibus总线技术的原理与应用现状,有助于改善当前船舶控制网络的数据传输质量。

1 船舶控制网络故障检测系统的概要设计

随着船舶自动化程度的增加,船舶控制网络中需要监控的设备数量越来越多,船舶网络故障检测系统的性能需求也不断提高。

船舶控制网络故障检测系统的基本框架如图1所示。

图 1 船舶控制网络故障检测系统的基本框架 Fig. 1 Basic framework of fault detection system for ship control network

1)数据采集模块设计

控制网络故障检测系统的数据采集模块负责对网络中的通道列表、信号通断状态、网络速度和时延等指标进行采集,并将采集的信号发送至数据过滤和融合模块,以便信号的后续处理。

2)数据过滤和融合模块

数据采集模块采集的控制网络信号涵盖的数据量非常大,种类也非常多,为了提高控制网络故障检测系统的信号处理效率,必须通过数据过滤和融合模块将采集的信号进行处理,过滤掉无效、错误以及对控制网络运行影响较小的原始数据。由于数据采集模块的信道接口和数据类型存在差异,因此必须通过数据融合来提升信号的精确度[1]

3)数据解析和故障检测模块

数据解析和故障检测模块是整个控制网络故障检测系统的核心,故障检测系统作为船舶的一个辅助检测工具,检测对象面向船舶以太网络及设备、总线网络及相关设备,通过对大量网络运行信号的解析,获取当前船舶控制网络的工作状况,保障船舶控制网络的正常运行。

4)模拟模块

故障检测系统的模拟模块是系统的执行单元,当控制网络中的信号经过数据解析和检测后,发现控制网络的运行存在异常状态,则通过模拟模块触发报警机制。此外,模拟模块还具有控制网络工作状态显示、报警信息自动记录等功能。

2 基于多总线融合技术的船舶控制网络故障检测系统 2.1 总线融合模块设计

随着船舶自动化,信息化的不断提高,船载机电设备的复杂程度和可靠性要求变得更高了,因此对于船载机电设备的信号监测要求也更高,多总线技术能够克服单一总线技术信号采集不完全的缺点,并结合总线信号融合技术,成为一种行之有效的控制网络故障监测方案。

图2为本文设计的多总线数据融合模块整体方案图。

图 2 多总线数据融合模块整体方案图 Fig. 2 Overall scheme diagram of multi bus data fusion module

多总线数据融合模块的设计功能包括:

1)针对网络故障监测系统的CAN总线和Profibus总线,实现总线信道和网络仪器的透明化,不同总线仪器控制指令、数据收发等工作场景能够共用同一函数,总线信息可以实现直接转换。

2)实现具有功能相近的接口总线仪器的互换性,实现了资源共享。

2.2 CAN 现场总线

CAN现场总线是应用于其优良的性能,已被广泛应用并成为国际标准(ISO 11898),CAN现场总线的技术特点包括:

1) CAN现场总线采用通信数据库编码的工作方式,在CAN网络上任意节点都可以在任意时刻作为信息源节点,向周围的其他节点发送信息,而不区分主节点和从节点的类型。

2) 按照优先级将CAN节点进行划分,并基于优先级的先后顺序,确定总线的仲裁方式。当同一时刻网络中的多个节点向总线发送报文时,通过优先级别的排序解决这一报文冲突,优先级别较高的节点先发送报文,而优先级别较低的节点自动退出,提高了CAN总线的通信效率。

3) CAN网络节点能够快速识别网络通信的数据报文标识符,通过识别数据标志符,可以快速进行信息的滤波、传送和接收。

4 ) CAN网络通信的数据传输速度快,最高可达1 Mbps。

5) CAN网络通信基于国际标准,采用统一的数据通信协议和规范,不同场景下具有良好的设备、仪器的互换性。

6) CAN网络的通信介质可采用双绞线,一方面成本较低,易于维护,另一方面可以适应船舶机舱等复杂场景下的路线需求。

7) CAN总线具有2种逻辑状态,分别是显性状态和隐性状态,显性状态用“1”表示,隐性状态用“0”表示。当差分电压大于阈值时,总线成显性状态,即“Vcan”,当差分电压小于阈值时[2],总线成隐性状态,即“Vtiff”,

CAN总线的逻辑电位示意图如图3所示。

图 3 CAN总线的逻辑电位示意图 Fig. 3 Schematic diagram of logic potential of CAN bus
2.3 Profibus总线架构的研究

Profibus总线是同样在工业领域有非常广泛的应用。Profibus总线根据使用场景的不同可以分为3种:

1)Profibus-DP(外围设备)总线[3]

主要应用场景为工业设备控制系统和分散式I/O的通信系统,本文在船舶控制网络中使用的是这类总线。

2)Profibus-PA(过程自动化)总线

该总线是一种用于过程自动化的总线类型,基于IEC61158-2标准。

3)Profibus-FMS(报文规范)总线

Profibus-DP(外围设备)总线的架构原理如图4所示。

图 4 Profibus-DP(外围设备)总线的架构原理 Fig. 4 Architecture principle of PROFIBUS DP (peripheral device) bus

Profibus-DP总线包括用户层、数据链路层和物理层,用户层包括DP设备规范、DP基本功能扩展和用户接口;数据链路层包括FMA、数据链路FDL,物理层中含有RS-485标准,该标准确定了物理连接、传输介质特性等内容,链路的传输速率可达12 Mbps。

2.4 Profibus-DP总线报文研究

Profibus-DP总线的报文通常由标识符、目的地址、校验码、源地址和数据单元等构成,报文数据帧的格式如图5所示。

图 5 Profibus-DP总线报文数据帧的格式 Fig. 5 Format of PROFIBUS DP bus message data frame

1)标识符

数据报文中标识符占18个字节,主要作用是对节点接收的信号进行识别,获取信号源节点的优先级别等信息。

2)源地址和目的地址

源地址和目的地址分别占6个字节,表明数据帧的来源和目标。

3)数据单元

数据单元所占的字节为46~1500个字节,负责存储总线网络中的数据,数据单元满足通信协议,是关键的报文信息。

3 基于多总线融合技术的船舶控制网络故障检测系统 3.1 网络故障检测系统的总线融合方法

将CAN总线和Profibus总线在数据传输方面的优势进行结合,建立控制网络故障检测系统的总线融合方案。

总线融合方案基于OPC技术[4],将光纤通道网络作为传输介质,多总线融合方案的示意图如图6所示。

图 6 基于光纤通道的多总线融合方案示意图 Fig. 6 Schematic diagram of multi bus fusion scheme based on Fibre Channel

图中,FC是系统的Linux命令[5],负责处理不同总线和接口的命令历史列表。

基于光纤通道的多总线融合过程为:

步骤1 将监测系统的CAN/Profibus总线协议映射到光纤通道的数据单元中,继续将数据域进行划分,分别对应CAN/Profibus总线协议划分出子数据域,定义子数据域的标识符。

步骤2 定义子数据帧的长度小于2112个字节,映射协议区分依据数据的帧头字符,数据帧的结束依据帧尾来确认。

步骤3 基于光纤通道网络完成数据帧的发送和接收,实现不同总线的数据帧融合。

基于光纤通道的多总线融合流程如图7所示。

图 7 基于光纤通道的多总线融合流程 Fig. 7 Multi bus convergence process based on Fibre Channel
3.2 控制网络故障检测系统的总线融合仿真测试

船舶控制网络的监测指标包括信号传输时延和阻塞比2种,通过分析2种指标可以确定控制网络的总线工作状态、网络负荷等信息[6]

船舶控制网络的延时可表示为:

$ {\bar T_{total}} = {T_s} + {\bar T_t} + {\bar T_n} \text{。} $

式中: $ {\bar T_{total}} $ 为平均网络延时; $ {T_s} $ 为总线数据发送耗时; $ {\bar T_t} $ 为光纤通道信号延时; $ {\bar T_n} $ 为总线数据接收耗时。

控制网络的信号阻塞比计算方法为:

$ \lambda = \frac{{{T_m}}}{{{T_f}}} \text{,} $

可知, $ \bar T = \left( {1 + \lambda } \right){T_f} $

分别采集单一现场总线方案和总线融合方案的网络阻塞比,得到图8所示的对比曲线。

图 8 两种通信方案的网络阻塞比曲线 Fig. 8 Network blocking ratio curves of two communication schemes
4 结 语

船舶控制网络的功能是进行船载设备和关键系统的控制,对于确保船舶整体的运行质量意义重大。为了提升船舶控制网络的通信可靠性,本文分别介绍了CAN总线、Profibus总线的特性,提出一种基于多总线数据融合的故障检测系统,并对多总线融合原理和流程进行研究。

参考文献
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