第 6 卷 第 1 期 011 年 月 Chinese 中 国 Journal 舰 of船 Ship研 Research 究 Vol.6 No.1 Feb. 第 011 6 卷 doi: 10. 3969 / j. issn. 1673-3185. 011. 01. 017 基 于 RS-485 总 线 的 舰 船 损 管 训 练 平 台 控 系 统 研 究 常 壮 1 邱 金 水 刘 伯 运 1 海 军 装 指 挥 学 院 实 验 指 挥 系, 北 京 101416 海 军 工 程 大 学 船 舶 与 动 力 学 院, 湖 北 武 汉 430033 摘 要 : 通 过 构 建 控 网 元 的 特 殊 数 据 结 构, 将 基 于 RS-485 现 场 总 线 嵌 入 式 技 术 和 以 太 网 技 术 的 舰 船 损 管 仿 真 综 合 训 练 自 动 化 测 与 控 制 系 统 中 的 软 硬 件 计 融 为 一 体, 使 系 统 具 良 好 的 电 气 特 性 高 效 的 传 输 速 率 和 稳 定 的 工 作 性 能, 较 好 地 实 现 了 模 拟 灾 害 置 训 练 实 时 控 和 训 练 动 态 管 理 等 功 能 关 键 词 : 损 管 训 练 ; 测 与 控 制 ; RS-485 总 线 ; 嵌 入 式 技 术 中 图 分 类 号 :U67.7 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :1673-3185 ( 011 ) 01-86 - 04 Monitoring and Controlling System for Integrated Warship Damage-Control Training Simulator Based on RS-485 Field Bus Chang zhuang 1 Qiu Jin-shui Liu Bo-yun 1 Department of Experimental Command,Academy of Equipment Command and Technology, Beijing 101416,China College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China Abstract: By establishing a special data structure of MC Net -member, the designs of hardware and software were integrated into the automated monitoring and controlling system of warship damage-control training simulator, which was based on RS-485 field bus, embedded technology and Ethernet technologies. Consequently, the whole system was characterized with fine electrical behaviors, efficient transmitting speed and steady working performance. Based on that, the functions for setting simulated disasters, real-time monitoring and controlling, as well as dynamic training supervision were realized. Key words: damage control training; monitoring and controlling; RS-485 fieldbus; embedded technology 1 引 言 舰 船 损 管 训 练, 有 助 于 提 高 舰 员 在 海 损 事 故 中 正 确 及 时 有 效 地 开 展 损 管 行 动 的 能 力, 具 有 [1] 极 大 的 现 实 意 义 为 贴 近 实 战, 各 国 都 建 有 仿 真 度 和 现 代 化 程 度 较 高 的 损 管 训 练 施 美 国 英 国 荷 兰 等 国 海 军 有 专 门 的 损 管 训 练 中 心 和 损 管 学 校, 配 有 比 较 先 进 的 模 拟 训 练 系 统, 美 国 和 葡 萄 牙 甚 至 还 有 实 船 嵌 入 式 的 虚 拟 损 管 训 练 系 [-3] 统 在 国 内, 随 着 技 术 的 进 步, 一 些 航 海 院 校 及 海 警 也 建 立 了 相 应 的 损 管 训 练 模 拟 施 并 得 到 逐 步 完 善 在 一 些 大 型 的 船 舶 研 究 机 构 和 海 军 系 统, 甚 至 已 经 开 始 对 虚 拟 损 管 训 练 开 展 相 关 研 究 且 成 效 显 著 [4] 舰 船 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 运 用 工 业 自 动 化 控 制 技 术 计 算 机 软 件 和 网 络 技 术, 较 为 真 实 地 模 拟 了 多 种 损 害 环 境, 能 实 时 控 制 和 测 训 练 仿 真 环 境 及 训 练 全 过 程 记 录 和 分 析 训 练 数 据 并 进 行 训 练 评 价, 其 多 种 训 练 效 果 的 实 现 很 大 程 度 上 依 赖 于 自 动 化 控 系 统 的 计 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 的 功 能 与 架 构.1 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 功 能 舰 船 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 具 有 以 下 基 本 功 收 稿 日 期 : 010-06 - 作 者 简 介 : 常 壮 (198 - ), 男, 硕 士 研 究 方 向 : 舰 艇 安 全 技 术 E-mail:joanahwf@ hotmail. com 邱 金 水 (1963 - ), 男, 教 授, 硕 士 生 导 师 研 究 方 向 : 舰 艇 生 命 力 技 术 防 险 救 捞 技 术
第 1 期 常 壮 等 : 基 于 RS-485 总 线 的 舰 船 损 管 训 练 平 台 控 系 统 研 究 87 能 : 1) 损 管 基 本 理 论 的 学 习 帮 助 舰 员 熟 悉 舰 艇 舱 室 相 关 规 章 制 度 损 管 施 分 布 和 使 用 不 沉 性 文 件 等 ) 损 管 指 挥 流 程 的 训 练 培 养 指 挥 员 根 据 现 场 灾 害 状 况 组 织 损 管 作 战 损 管 指 挥 决 策 和 组 织 指 挥 能 力 3) 损 管 基 本 技 能 训 练 使 舰 员 掌 握 损 管 施 的 操 作 使 用 技 能, 提 高 损 管 和 心 理 适 应 能 力 4) 损 管 指 挥 与 技 能 的 协 同 训 练 训 练 各 级 人 员 在 多 种 灾 害 环 境 下 指 挥 实 装 操 作 的 协 同, 提 高 指 挥 员 决 策 指 挥 和 损 管 队 员 技 能 操 作 的 协 同 作 战 能 力 5) 学 科 研 究 和 实 验 论 证 作 为 研 究 和 论 证 与 舰 船 损 管 有 关 课 题 的 平 台, 可 以 研 究 各 类 灾 害 发 生 和 蔓 延 的 规 律 研 发 新 型 损 管 器 材 和 损 管 控 系 统 尝 试 和 论 证 新 的 损 管 作 战 方 案 及 辅 助 决 策 等 的 可 行 性. 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 架 构 系 统 采 用 通 常 的 三 层 结 构, 即 层 测 层 和 信 息 处 理 层 [5], 其 网 络 构 架 如 图 1 所 示 层 控 层 信 息 处 理 层 现 场 环 境 状 态 数 据 采 集 现 场 环 境 危 险 实 时 报 警 现 场 状 态 数 据 采 集 现 场 执 行 模 式 现 场 环 境 状 态 控 制 现 场 状 态 控 制 实 时 测 分 系 统 现 场 控 制 分 系 统 现 场 通 信 分 系 统 RS-485 总 线 组 网 嵌 入 式 接 口 工 控 机 控 软 件 工 作 机 组 1 工 作 机 组 控 软 件 以 太 网 控 软 件 的 实 时 状 态 数 据 温 度 烟 雾 流 量 压 力 等 多 种 传 感 器 实 时 采 集 训 练 现 场 的 环 境 状 态 等 数 据, 集 控 中 心 根 据 测 数 据 对 现 场 的 运 行 状 态 进 行 人 为 或 自 动 控 制 3) 信 息 处 理 层 这 一 层 次 包 括 数 据 处 理 器 组 数 据 库 服 务 器 人 机 界 面 网 络 和 系 统 软 件 等, 它 是 整 个 仿 真 训 练 系 统 的 核 心 体 系, 担 负 着 数 据 处 理 通 信 实 现 人 机 交 互 训 练 控 制 与 管 理 等 任 务 3 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 控 系 统 计 有 别 于 实 船 损 管 控 体 系, 损 管 仿 真 综 合 训 练 平 台 中 的 控 系 统 既 要 测 模 拟 舱 室 的 状 态 和 控 制 模 拟 运 行, 还 要 对 营 造 训 练 仿 真 环 境 的, 如 破 口 蝶 阀 电 火 箱 烟 雾 发 生 器 水 泵 等 进 行 实 时 地 测 和 控 制, 并 在 人 机 界 面 的 虚 拟 中 对 受 训 人 员 的 实 装 操 作 生 成 相 应 的 事 件 动 作 响 应 结 合 损 管 指 挥 和 技 能 训 练 的 层 次 置, 控 体 系 采 取 导 演 中 心 舰 指 挥 所 损 管 站 与 虚 拟 操 演 战 位 的 三 级 管 结 构, 它 由 多 台 不 同 控 任 务 和 训 练 层 次 的 节 点 计 算 机 以 及 实 装 操 作 平 台 组 成, 分 别 模 拟 损 管 导 演 台 舰 指 挥 战 位 损 管 中 心 站 损 管 虚 拟 操 作 战 位 和 实 装 操 演 中 心, 其 置 如 图 所 示 其 中, 导 演 台 既 有 控 管 理 计 算 机 又 有 任 务 数 据 库 服 务 器, 既 可 通 过 人 机 界 面 的 虚 拟 与 实 装 联 动 响 应 来 下 达 训 练 科 目, 又 能 通 过 操 作 事 件 联 动 响 应 和 实 时 视 频 对 损 管 训 练 进 行 综 合 评 分 ; 损 管 中 心 包 括 舰 指 挥 战 位 损 管 中 心 站 和 损 管 虚 拟 操 作 战 位 三 个 节 点 计 算 机, 既 可 完 成 两 级 损 管 指 挥, 又 可 完 成 损 管 技 能 虚 拟 操 作 损 管 中 心 导 演 中 心 舰 指 挥 所 损 管 站 1) 现 场 层 该 层 是 执 行 控 制 命 令, 完 成 模 拟 损 管 环 境 的 置 根 据 不 同 模 拟 训 练 舱 室 的 功 能, 分 别 配 置 有 电 火 装 置 碟 阀 控 制 的 破 损 模 拟 通 风 装 置 发 热 装 置 发 烟 装 置 喇 叭 声 光 报 警 器 等, 通 过 现 场 手 动 操 作 控 制 面 板 或 中 央 控 制 计 算 机 远 程 控 制, 营 造 烟 热 声 火 破 损 进 水 等 模 拟 灾 害 环 境 控 要 素 测 烟 气 ( 舱 壁 ) 温 度 压 力 流 量 报 警 摄 像 机 操 演 中 心 现 场 置 执 行 点 火 通 风 ( 蝶 阀 ) 开 度 施 放 抽 排 转 / 停 通 信 施 ) 控 层 包 括 现 场 总 线 和 嵌 入 式 系 统 在 内 的 控 体 系, 用 以 控 制 现 场 和 测 训 练 现 场
88 第 6 卷 3.1 控 系 统 计 思 路 3.1.1 需 求 分 析 及 特 点 1) 控 的 元 素 和 信 号 类 别 数 量 多, 输 入 输 出 体 系 庞 大 为 实 现 破 损 模 拟 化 学 和 水 灭 火 模 拟 潜 水 脱 险 等 多 种 训 练 环 境 并 全 面 控, 系 统 大 量 采 用 电 磁 蝶 阀 模 拟 电 火 机 构 烟 气 发 生 器 及 多 种 传 感 器 等 电 气 类 和 器 材 ; ) 为 保 证 信 号 的 稳 定 性 和 精 度, 要 求 控 体 系 具 有 良 好 的 抗 干 扰 性 除 压 力 传 感 器 智 能 蝶 阀 液 位 检 测 计 等 直 流 低 压 电 器 的 信 号 线 路 外 ( 以 下 称 弱 电 ), 还 有 交 流 0 V 或 380 V 供 电 的 摄 像 机 水 泵 异 步 电 机 等 控 制 及 照 明 线 路 ( 以 下 称 强 电 ), 线 路 中 信 号 交 叉 干 扰 性 大 ; 3) 要 求 具 较 高 的 通 信 速 率 以 保 证 信 号 流 畅 和 系 统 的 工 作 效 率 对 应 于 大 量 的 电 气 和 器 材, 需 要 置 的 控 点 相 对 较 多, 且 实 时 性 要 求 较 高 ; 4) 和 线 路 要 求 达 到 一 定 强 度 和 耐 受 度 损 管 训 练 的 多 种 灾 害 环 境 使 得 控 环 境 对 比 于 工 业 环 境 具 有 其 特 殊 性, 即 水 浸 泡 高 温 腐 蚀 液 剂 等 多 重 损 耗 3.1. 计 方 案 鉴 于 上 述 分 析, 采 用 基 于 RS-485 总 线 的 开 放 式 系 统, 并 利 用 嵌 入 式 接 口 将 现 场 网 络 接 入 以 太 网, 可 以 实 现 远 程 多 级 控, 满 足 总 体 计 要 求 考 虑 到 工 况 环 境 特 殊, 在 测 控 制 和 传 感 选 型 上, 尽 量 采 用 嵌 入 式 智 能 仪 器, 将 测 控 任 务 分 散 在 各 个 现 场 中, 避 免 原 始 测 控 信 号 因 往 返 传 输 中 的 干 扰 和 损 耗 而 影 响 其 可 信 度 精 度 和 稳 定 性 除 用 线 选 型 ( 屏 蔽 双 绞 线 ) 外, 在 线 路 敷 上, 强 弱 电 按 类 分 离 走 线, 并 安 装 防 护 管 具 远 离 腐 损 区 域 布, 既 降 低 信 号 互 扰, 又 增 强 线 路 安 全 系 数 由 于 控 系 统 中 很 多 或 元 素 既 要 受 控 又 要 受 测, 且 人 机 界 面 事 件 要 与 实 装 操 作 生 成 一 一 对 应 的 实 时 响 应 并 同 时 涉 及 多 个 测 和 控 制, 因 此, 此 时 的 控 数 据 是 一 个 包 含 了 某 控 事 件 多 重 信 息 的 数 据 包, 本 系 统 中 将 其 定 义 为 控 网 元 (MCNM), 它 是 一 个 类 似 于 结 构 体 的 数 据 组, 其 中 每 条 数 据 成 员 定 义 为 数 据 项 (DI), 用 以 描 述 网 元 的 每 个 信 息 细 节, 如 网 元 名 称 控 制 指 令 内 容 控 结 果 数 据 操 作 权 限 标 志 及 界 面 热 区 有 效 性 标 志 等 按 照 训 练 进 程, 通 过 人 机 界 面 的 鼠 标 热 区 点 击 实 现 某 个 灾 害 状 况 或 训 练 背 景 的 置, 只 要 符 合 权 限 标 志 和 有 效 性 检 验, 就 产 生 一 个 有 效 的 控 事 件, 并 与 之 对 应 地 引 发 一 个 控 网 元 的 生 成, 数 据 元 的 信 息 数 据 中 所 涵 盖 的 是 对 所 指 或 环 境 的 控 制 和 测 信 息 的 反 馈, 是 人 机 界 面 生 成 生 动 形 象 场 景 的 后 台 依 据 控 网 元 能 否 在 场 景 中 直 观 展 现 是 通 过 验 证 函 数 的 关 键 数 据 元 参 数 实 现 的 有 效 的 网 元 生 成 后, 网 元 测 将 受 控 和 环 境 的 实 时 状 态 数 据 不 断 反 馈 至 三 级 控 计 算 机, 生 成 可 视 画 面, 并 为 导 演 台 的 管 理 计 算 机 提 供 评 估 要 素 3. 控 网 络 计 根 据 计 方 案, 将 该 三 级 控 系 统 计 为 以 以 太 网 为 中 心 的 星 形 网 络 RS-485 总 线 拓 扑 结 构 以 太 网 层 网 络 采 用 TCP / IP 协 议,RS-485 总 线 网 层 采 用 DCON 通 信 协 议 系 统 以 工 控 机 作 为 连 接 RS-485 总 线 网 络 与 以 太 网 网 络 的 枢 纽, 既 解 决 了 两 层 网 络 在 通 信 协 议 上 的 冲 突, 又 满 足 了 损 管 导 演 台 作 为 管 理 计 算 机 的 置 需 要 主 从 计 算 机 组 的 训 练 软 件 也 即 控 软 件, 如 上 文 所 述, 软 件 界 面 中 动 态 场 景 细 节 与 动 作 响 应, 对 应 于 控 事 件 生 成 的 网 元 数 据 为 了 更 细 致 直 观 地 描 述 RS-485 总 线 网 中 的 各 种 现 场 控, 图 1 将 其 按 照 功 能 和 用 途 分 为 测 控 制 和 通 信 三 类 分 系 统 3.3 控 系 统 工 作 流 程 控 的 过 程 就 是 控 网 元 不 断 产 生 和 工 作 的 过 程, 它 是 与 训 练 进 程 相 结 合 的, 其 工 作 流 程 见 图 3 所 示 训 练 开 始 后, 就 进 入 运 转 控 制 并 随 同 训 练 环 境 一 起 被 实 时 测, 其 状 态 数 据 被 不 断 采 集 训 练 背 景 的 变 更 或 灾 害 状 况 的 置 通 过 工 况 的 转 变 实 现 随 着 训 练 结 束 或 灾 害 处 置 完 成, 对 应 的 控 网 元 生 命 结 束, 控 事 件 完 成 4 控 系 统 实 现 4.1 硬 件 部 分 技 术 措 施 4.1.1 现 场 总 线 控 制 技 术 现 场 总 线 技 术 以 现 场 分 散 的 测 量 点 控 制 仪 表 等 具 数 字 计 算 与 数 字 通 信 能 力 的 现 场 作 为 网 络 节 点, 以 总 线 作 为 节 点 间 实 现 数 字 通 信 的 纽 带, 构 成 开 放 式 数 字 化 的 底 层 控 制 网 络, 是 网 络 集 成 式 全 分 布 控 制 系 统 与 传 统 控 系 统 相 比, 总 线 控 制 系 统 减 少 了 布 线 调 试 及 安 装 成 本, 具 有
第 1 期 常 壮 等 : 基 于 RS-485 总 线 的 舰 船 损 管 训 练 平 台 控 系 统 研 究 89 测 控 制 更 高 的 可 靠 性 环 境 / 状 态 数 据 处 理 开 始 启 动 定 训 练 背 景 状 态 控 制 训 练 进 行 实 时 测 状 态 数 据 采 集 环 境 / 工 况 转 换 训 练 结 束 否 停 止 运 转 是 结 束 训 练 背 景 变 更 系 统 采 用 RS-485 总 线 作 为 数 据 传 输 链 路, 实 现 半 双 工 异 步 通 信 RS-485 标 准 通 信 接 口 应 答 在 一 对 屏 蔽 双 绞 线 上 进 行 多 点 双 向 通 信, 每 个 终 端 只 需 通 过 接 口 挂 在 总 线 上 就 可 实 现 多 点 总 线 结 构, 且 该 标 准 只 规 定 接 口 的 电 气 特 性, 不 涉 及 接 插 件 电 缆 或 协 议, 用 户 可 建 立 自 己 的 高 层 通 信 协 议 由 于 RS-485 差 动 输 出 状 态 与 差 分 输 入 状 态 的 相 互 转 换 都 需 要 一 定 时 间, 为 提 高 稳 定 性 和 可 靠 性, 在 软 件 编 程 中 加 入 了 几 十 个 毫 秒 的 延 时 另 外, 为 增 强 抗 干 扰 性 能, 采 用 独 立 电 源 供 电, 并 在 总 线 始 末 端 各 接 入 终 端 匹 配 电 阻, 抑 制 噪 声 和 回 波 反 射 [6] 实 践 表 明,RS-485 总 线 系 统 抗 干 扰 性 好 布 线 方 便 传 输 距 离 远, 满 足 控 需 要 4.1. 嵌 入 式 模 块 技 术 嵌 入 式 系 统 软 硬 件 可 裁 剪 可 靠 性 高, 能 适 应 冷 热 振 动 腐 蚀 等 各 种 变 化, 可 在 恶 劣 环 境 下 实 现 工 控 网 络 和 上 层 信 息 网 络 的 无 缝 连 接 系 统 除 运 用 嵌 入 式 智 能 如 电 磁 流 量 计 智 能 磁 阀 和 传 感 器 等 外, 还 采 用 了 嵌 入 式 现 场 模 块 ( 如 ICP DAS 系 列 ) 该 类 模 块 的 内 置 微 处 理 器 双 看 门 狗 是 否 安 全 计 过 高 压 隔 离 保 护 等, 使 其 具 有 可 靠 性 好 抗 干 扰 能 力 强 组 合 灵 活 等 特 点, 非 常 适 用 于 计 算 机 数 据 采 集 和 控 制 嵌 入 式 现 场 模 块 接 入 系 统 前 置 唯 一 地 址 相 同 的 通 信 速 率, 直 接 挂 接 在 RS-485 通 信 总 线 上 模 块 内 置 的 自 适 应 ASIC 芯 片, 能 自 动 调 节 整 个 网 络 的 数 据 格 式 和 通 信 速 率, 使 不 同 速 率 数 据 格 式 的 工 作 在 同 一 总 线 网 络 中 4. 软 件 部 分 关 键 技 术 4..1 DCON 通 信 协 议 DCON 协 议 是 一 种 基 于 RS-485 网 络 的 应 用 协 议, 它 是 用 于 I / O 模 块 的 一 种 命 令 / 应 答 式 (C / R) 通 信 协 议 它 的 定 义 为 可 打 印 的 ASCII 码 格 式, 如 AAN AAS6 等 DCON 协 议 因 具 有 易 于 使 用 兼 容 性 好 等 特 点 而 被 广 泛 采 用 对 于 主 从 应 答 方 式 的 RS -485 网 络 而 言, DCON 的 这 种 C / R 式 协 议 简 单 可 靠 实 用 性 好, 两 者 在 通 信 需 求 上 是 相 互 匹 配 的 4.. MSComm 与 Socket 技 术 训 练 ( 控 ) 程 序 采 用 VB 编 程 语 言 实 现, 它 包 含 的 串 行 通 信 控 件 MSComm 和 网 络 控 件 Winsock 使 得 现 场 控 网 络 与 远 程 网 络 融 为 一 体, 是 两 层 网 络 内 部 及 网 间 实 现 通 信 互 联 和 数 据 [7] 交 互 的 关 键 部 件 : 1) MSComm 串 行 通 信 控 件 实 现 主 控 计 算 机 与 底 层 总 线 网 络 间 的 通 信 它 提 供 一 系 列 标 准 通 信 命 令 接 口, 可 发 送 命 令 进 行 数 据 交 换 及 控 和 响 应 通 信 过 程 中 发 生 的 错 误 和 事 件, 从 而 可 建 立 事 件 驱 动 的 高 效 实 用 的 通 信 程 序 ) Winsock 网 络 控 件 使 控 主 机 通 过 局 域 网 与 从 机 建 立 联 机, 实 现 控 的 网 络 化 拓 展 WinSock 是 一 个 WOSA 类 型 的 部 件, 是 应 用 程 序 [8] 与 网 络 之 间 的 标 准 接 口 它 通 过 UDP 或 TCP 协 议 进 行 数 据 交 换, 工 业 控 制 应 用 一 般 都 采 用 数 据 传 输 更 加 可 靠 的 TCP 协 议 4..3 控 系 统 的 人 机 界 面 人 机 交 互 控 界 面 将 平 面 数 据 描 述 和 三 维 立 体 展 示 相 结 合, 界 面 状 态 和 现 场 操 作 实 时 响 应, 为 损 管 训 练 提 供 了 很 好 的 人 机 环 境 控 系 统 界 面 实 例 如 图 4 所 示 如 前 所 述, 控 网 元 的 定 义 将 控 数 据 封 装 为 对 应 于 控 事 件 的 数 据 包, 它 是 界 面 动 态 交 互 的 数 据 基 础 和 来 源 通 过 为 数 据 包 建 立 合 理 的 界 面 输 出 对 象, 就 可 以 拓 展 数 据 的 展 示 方 式, 从 而 更 好 更 多 渠 道 地 满 足 控 及 损 管 训 练 的 需 要 ( 下 转 第 96 页 )
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