船舶监控系统中LonWorks现场总线的应用 作者: 交通部上海船舶运输科学研究所 吴礼雄 现场总线技术目前刚刚开始在国内推广应用，LonWorks现场总线具有先进性、开放性、互操作性和较高的性能价格比，已在工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA得到应用。本文主要介绍LonWorks现场总线的技术特点并讨论将LonWorks应用到船舶控制系统中的可行性,并介绍一套利用LONWORKS技术研制开发成功的船舶监控系统。 一. 现场总线控制系统 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统。可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快，系统安全符合环境保护要求，造价低廉，维护成本低等是现场总线的特点。 二. LonWorks现场总线 自美国ECHOELON公司于1991年推出LonWorks技术以来,已经有２５００家开发LonWorks技术的应用公司，并安装了２００多万个节点，这充分显示了这项技术的活力和广阔的应用前景。它所具有的先进性、开放性、互操作性和较高的性能价格比。已在楼宇智能控制、工业自动化领域、农机制造、医院、航空航天、娱乐业及家庭自动化等诸多领域内都得到了很好的应用。它是把计算机和有相当处理能力的控制器通过VLSI技术嵌入所需的控制对象，比如一个传感器、一个数据采集装置和一台自控设备，并用网络方式连接起来,构成一个信息控制的网络。这个技术就是工业现场和自动化领域所期待的现场网络。它区别于国内目前使用的点到点的RS232接口，电流环的RS422接口和总线型的RS485接口,以及对以这些接口为物理层为通信协议构成的主从式分布式系统来说，它是一个可支持多种通信媒体，具有实时通信能力,且符合OSI七层网络通信协议的无主信息控制网络技术。 LonWorks技术的核心是神经元芯片(Neuron chip)，它由美国摩托罗拉公司和日本东芝公司生产，是一个集成了三个微处理器、RAM、ROM、EEPROM，三十六种设备控制类型、计数器、操作系统、运行时间数据库、收发器和完全符合OSI七层网络协议的LONTALK通信协议的一个集成电路芯片。 该公司提供了开发工具，网络服务组件的技术支持，几十家公司提供了可选择的种类可观的相关产品：从不同媒体的收发器到路由器，从安装工具到网络间接口。可完成基于LONTALK协议在双绞线、电力线、射频、光纤和红外线等各种介质上的通信，并鼓励和支持各行各业的产品设计者和设备改造者把这些技术应用在各自的产品上，以扩充和提高自己产品的功能和性能。 LonWorks有下列特点： 1) LonWorks技术的基本元件--Neuron(r)芯片，同时具备了通信与控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七层通信协议，以及34种常见的I/O控制对象。系统扩展方便，组态灵活。 2) 改善了CSMA，LonWorks称之为Predictive P-Persistant CSMA。具有优先级设置，这样，在网络负载很重时，不会导致网络瘫痪。满足数据传输的实时性和可靠性要求。 3) 网络通信采用了面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称之为“网络变量”。使网络通信的设计简化成为参数设置。这样，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。 4) LonWorks技术的通信的每帧有效字节可以从1到228个字节。 5) LonWorks技术的通信速度可达1.25MBps（此时有效距离为130M）。 6) LonWorks技术一个测控网络上的节点数可以达到32000个。 7) LonWorks技术的直接通信距离可以达到2700m（双绞线，78KBps）。 8) LonWorks有多种不同的收发器、路由器供用户选择,如双绞线、同轴电缆、电力线、无线、光纤、红外线等，而且各种通信介质可以混合使用。 9) LonWorks双绞线布线可以采用自由拓扑结构,便于用户布线。 10）LonWorks网络是无主站点对点网络，其中任一点的故障不会造成网络系统瘫痪。一个节点的损坏或关闭不影响其他节点正常运行，降低了网络系统的维护难度，提高了系统的稳定性。 11）LonWorks软件丰富，采用高级语言编程，可编程性好，国际上有多家工控软件公司对其支持，并配有功能强大的开发系统，提高开发质量，大大缩短研制和开发周期。 12）LonWorks网络节点之间使用逻辑连接，这使得系统中节点的增加、修改很容易，便于系统调整和扩充升级。 13） LonWorks的核心芯片3150可以和其他CPU进行并行通信，便于其他CPU如80C196、8031等常用控制芯片迅速升级为现场总线控制系统。 14）有LON-WEB网关，可以连接INTERNET，便于用户远程浏览现场各种运行数据。 三. LonWorks在船舶控制上的应用: 目前在船舶控制系统中多数是单机控制的DCS系统，而随着船舶控制对象的不断增加和系统增大，单机控制已较难胜任复杂的控制对象。所以将现场总线LonWorks应用于船舶控制系统中可以分散简化控制对象，提高系统可靠性。 LonWorks应用于船舶控制有以下几个特点： 1. 在船舶监控系统中，控制检测对象从小规模到大系统应有尽有。对于LonWorks系统来说，它的节点数可以小至十几个点，多到上百上千个点，既适合于控制测量点只有十多个点的小船又可用于上千个控制测量点的大船。 2 .利用LonWorks便利的网络拓扑结构。LonWorks网络拓扑结构非常简单，既可连成总线型又可连成星型、环型，尤其它的自由拓扑结构特别适用于船舶建造时布线，可节省通信电缆。 3. 使用LonWorks的电力线收发器可通过船上的电力线进行数据通信，这对于旧船改造重新布线较困难的情况下尤其有效。并可以节省控制设备的改造时间。 4. 根据LonWorks组网方便的特点，可以将船舶控制网络划分为几个区域，如主机控制网、辅机电站控制网、辅助舱及压载水控制网。各网之间相互独立，互不干扰。网间数据传输通过路由器交换。 5. 我们可将NEURON芯片只负责网络的通信，而测量监测、控制的工作由其它单片机如8031、80C196实现。这样可以弥补NEURON芯片控制速度慢的特点。 6. 在船舶网络监控系统正常运行后中，还可以根据船东要求任意增加网络节点。如可以在船长室或轮机长室增加显示分站。 四. STI-VC2100MA船舶监控系统简介 STI-VC2100MA是集采集、控制、通信于一体的低成本、高可靠、高性能的舰船监控报警系统，可监控主机、辅机、锅炉等系统的热工参数，测量液位和监视各种设备、系统的运行状态。 该系统按标准化、模块化、系列化设计，各种输入输出模块（I/O模块）通过采用美国先进的现场总线LonWorks网络技术与主微机联网，由输入模块完成现场数据的采集，并将采集的数据通过LonWorks网络传输到主微机进行显示报警及管理。系统产生的输出数据通过输出模块输出到控制对象，在需要的地方可设置显示终端，以显示测量参数。各测控模块可自由组态，以满足用户对系统不同的要求，采用双绞线通信介质，各种输入输出模块还可分散就近布置在各监控现场，为用户节约大量电缆。该系统符合中国船检局颁发的《钢质海船建造规范》以及军用标准《舰船自动控制规范》的要求，已通过中国船级社认证和劳氏船级社环境条件标准试验。 针对我国国产船舶监控产品设计手段落后，生产加工工艺差导致监控产品故障率居高不下（工艺差是目前我国监控产品故障率高的最主要原因）的现状。我国通过世界银行投资在我所成立了国家级的船舶运输控制工程中心，严格遵照国际ISO9001标准，解决科研成果产品化问题。从电子电路及印刷电路板设计自动化（EDA），印刷电路板的自动焊接及测试（SMT），机械设计（CAD）和机械加工（CAM）到油漆喷涂等引进了一整套国外最先进的设计与制造自动化设备。 STI-VC2100MA系统的电路设计就采用了工程中心的EDA设备，保证了电路设计的合理性、电气性能的稳定性和抗干扰的能力。印刷电路板的焊接，采用工程中心表面贴装设备自动焊接，根除了由于虚焊等工艺问题造成的设备故障。控制台采用工程中心的CAD/CAM进行加工制造，解决了控制台的设计与加工工艺问题。因此STI-VC2100MA系统的加工工艺水平在国内是独一无二的，具有很高的可靠性。 1. 系统主要特点及性能指标： 测量点最大容量4096点。测量数据响应时间<0.6秒（船检标准２秒）。测量精度<0.5%（船检标准<1%）。 根据船舶特点，网络联网为自由拓扑结构（各功能模块无需遵循任何规则，可以以任意方式联网）。 通讯接口电路无需任何附加匹配器件，通信性能不受环境温度、湿度等条件变化影响。 系统为全数字化系统，可靠性高、精度高。 具有卫星通信接口。 可在任意房间或部位联接显示终端。 体积小，组态灵活，用户可选用所需功能模块任意组合。 输入/输出模块将输入传感器信号变换为数据信号送到网络上去，或将通过网络传来的输出控制信号输出到执行器去。传感器信号或控制信号通过船用电缆直接接到I/O模块输入/输出接线端子上。输入/输出模块只需通过两芯双绞线（供数据通信用）就可与整个系统联接，此外，再需二芯电源线（DC24V）即可，联线简单。 元器件选用进口工业级微功耗器件，工作环境温度在-40℃～+85℃，并经筛选，系统工作时