Модернизация системы судового освещения танкера «Tavrichesky Bridge»

РЕФЕРАТ Дипломный проект содержит: … страниц, … рисунков, … таблица, …библиографических источников, 6 графических работ.

Модернизация системы судового освещения В работе предложена модернизация системы судового освещения танкера «Tavrichesky Bridge» технические характеристики судовой энергетической системы могут быть улучшены внедрением современных систем освещения, с микропроцессорными системами управления.

На основе анализа эргономических и технических показателей предложена система судового освещения на светодиодных элементах. Системы управления системами освещения включает в себя управляющий контроллер и локальные устройства — диммеры (контроллеры управляющие системой освещения).

Приведён расчёт сметы затрат на проектируемую разработку.

Рассмотрены вопросы охраны труда, защиты окружающей среды и пожарной безопасности.

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СУДНА И СИСТЕМ СУДОВОГО ОСВЕЩЕНИЯ

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА СУДНА И СЭУ

1.2 СУДОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.3 ЗАЩИТА СУДОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

1.4 СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.5 ВЫВОДЫ ГЛАВА 2 СИСТЕМЫ СУДОВОГО ОСВЕЩЕНИЯ

2.1 СУДОВОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

2.2 СВЕТОДИОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ОСВЕЩЕНИЯ

2.3 ВЫБОР ТИПА СВЕТИЛЬНИКОВ

2.4 ВЫВОДЫ ГЛАВА 3 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

3.1 ФУНКЦИИ УПРАВЛЕНИЯ КОНТРОЛЛЕРА СИСТЕМЫ СУДОВОГО ОСВЕЩЕНИЯ

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ…31

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАДРОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ И ФОРМАТИРОВАНИЯ КОМАНД В ASCII

3.4 ФУНКЦИИ ПРОГРАММ КОНТРОЛЛЕРА УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

3.5 КОНТРОЛЛЕР УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

3.6 ВЫВОДЫ

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

5 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ПРОИЗВОДТСВЕ РАБОТ НА СУДНЕ

6 ЭКОЛОГИЯ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Целью дипломного проекта является:

1) Модернизация системы судового освещения современного танкера продуктовоза;

2) Разработка блока питания в системе судового освещения и системы коммутации линий освещения на основе микропроцессорного блока;

3) Разработка алгоритма управления блоком питания системы судового освещения;

4) Выбор и расчёт режимов работы системы судового освещения;

5) Выбор светодиодов для судовых светильников стандартных типов, применяемых на судах.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СУДНА И СИСТЕМ СУДОВОГО ОСВЕЩЕНИЯ

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА СУДНА И СЭУ

Название: m/t Tavrichesky Bridge;

Флаг: Либерия;

Порт приписки: Монровия;

IMO №: 9 292 060;

Официальный номер: 12 908;

Водоизмещение: 48 000тыс.т.;

Длина: 182,32 м;

Ширина: 32,20 м;

Высота: 17,50 м;

Осадка: 12,19 м;

Дата закладки киля: 3.11.2005 г.

Дата постройки: 30.10.2006 г.

Место постройки: «ADMIRALTY SHIPYARDs» St. Peterburg, Russia.

Классификационное общество: Lloyd’s Register

Класс: + 100 A 1 Double Hull Oil Tanker, ESP, ShipRight (SDA, FDA, CM),*IWS, LI, SPM, EP

+LMC IGS, UMS, NAV 1, IBS Descriptive Notes: (PSWBT (10−2006), SCM).

Периодичность подтверждения: 1 раз в 5 лет.

Главный двигатель: MAN B&W. Тип двигателя: 6S50MC-C/8310 КВт;

Дизель-генераторы: 3 дизель-генератора. Тип: 2pcs x 8L20(1360 kw) и 1 pc x 4L20(715 kw), аварийный дизель: D 0824 LE 201 (110 kw).

Скорость:

— с грузом: 15,0 узлов;

— с балластом: 15,5 узлов.

1.2 СУДОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Вспомогательные генераторы Основные характеристики приводных двигателей:

— два приводных двигателя: WARTSILAтип: 8l20:

— мощность: 1360 KW;

— число оборотов в сек:15,0;

— номинальная скорость вращения:900 об/мин;

— число цилиндров:8;

— тип двигателя: 4-х тактовый, вертикальный, с тронковым поршнем, с турбонаддувом;

— направление вращения — по часовой стрелке (со стороны генератора), нереверсивный.

приводной двигатель WARTSILAтип: 4l20:

— мощность: 715 KW;

— число оборотов в сек: 15,0;

— номинальная скорость вращения: 300 об/мин;

— число цилиндров: 4;

— тип двигателя: 4-х тактовый, вертикальный, с транковым поршнем, с турбонаддувом;

— направление вращения: по часовой стрелке (со стороны генератора), нереверсивный.

Основные характеристики генераторов Генератор AVK:-2

— Саморегулирующийся генератор тип: DSG-99 L1−8;

— Тип приводного двигателя: дизель;

— Род тока: AC;

— Степень защиты: IP23;

— Система возбуждения: бесщёточный с самовозбуждением;

— Тип ротора: цилиндрический;

— Система охлаждения: воздушная;

— Класс изоляции: H;

— Полная мощность: 1600 кВА;

— Режим работы: продолжительный;

— Количество фаз, соединение: — 3;

— Напряжение:450 В, переменное;

— Ток: 2053 А;

— Частота: 60 Гц;

— Скорость: 900 об/мин;

— соsц: 0,80, кпд: 95%;

Возбуждение: 30 В, вспомогательное возбуждение: 90 В;

Подшипник: скольжения, температура смазки: 45 С;

Глушение радио помех: N;

Вес: 7,2 т .

Генератор AVK:-1

— саморегулирующийся генератор тип: dsg-86 k1−8;

— тип приводного двигателя: дизель;

— род тока: AC;

— степень защиты: IP23;

— система возбуждения: безщёточный с самовозбуждением;

— тип ротора: цилиндрический;

— система охлаждения: воздушная;

— класс изоляции: H;

— полная мощность: 850 КВА;

— режим работы: продолжительный;

— количество фаз, соединение: -3;

— напряжение: 450 В, переменное;

— ток: 1091 А;

— частота: 60 Гц;

— скорость: 300 об/мин;

— соsц: 0,80, кпд: 95%;

— возбуждение: 38 В, вспомогательное возбуждение: 85 В;

— подшипник: скольжения, температура смазки: 45 с;

— глушение радио помех: N;

— вес: 4,52 т.

1.3 ЗАЩИТА СУДОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ судовое освещение танкер Защита судовых источников электроэнергии основывается на применении автоматических воздушных выключателей (АВВ).

Таблица 1.1 — Виды автоматической защиты (ABB)

Рисунок 1.1 — Характеристики работы и срабатывания защиты в зависимости от нагрузки На каждый генераторный агрегат на ГРЩ установлен АВВ, на котором настраиваются 4 вида защиты, с соответствующей задержкой на срабатывание.

1.4 СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Для распределения электроэнергии на судне используют главный распределительный щит (ГРЩ) и аварийный распределительный щит (АРЩ), групповые щиты (ГЩ) и щит питания с берега (ЩПБ).

Главный распределительный щит Характеристика:

— фирма изготовитель: JSC «NE"-"Admiralty Shipyard»;

— тип: ГРЩ 05−55.656 564.001.05;

— шинопровод:450V-3200A, 230V-400A;

— контроль цепи:440V, 220V, 24V, 60 Hz AC, 24V DC;

— степень защиты: IP 22;

— масса: 4800 кг.

ГРЩ предназначен для приёма электроэнергии от судовых генераторов и управления ими, а также для распределения и подачи электроэнергии на другие щиты или непосредственно приёмникам.

Рисунок 1.2- Принципиальная однолинейная схема ГРЩ Групповые распределительные щиты и местные распределительные щиты с потребителями запитываются от секций ГРЩ.

Конструкция ГРЩ ГРЩ располагается в ЦПУ и состоит из 13 секций. Корпус ГРЩ отдельно стоящего типа. Корпус сконструирован из стальных углов для вибрационного сопротивления, и в котором дверцы и панели выполнены из 2.3 мм стальных щитов закрепленных один с другим задвижками для безопасности. Дверцы секций открываются как с лицевой стороны ГРЩ, так из задней стороны. Степень защиты ГРЩ IP22. Изоляционный материал: в основном используется фенол и специальная смола для теплои влагоизоляции.

Рисунок 1.3 — Структурная схема ГРЩ, (генераторные секции) Аварийный распределительный щит Характеристики:

— Фирма: JSC «NE"-"ADMIRALTY SHIPYARD»;

— Тип: АРЩ 05−55.656 564.002.05;

— Шинопровод:450V-190A, 230V-120A;

— Контроль цепи:440V, 230V, 60Hz AC;

— Степень защиты: IP 22;

— Масса: 460 кг.

При нормальных условиях работы ответственные потребители питаются от ГРЩ через АРЩ. Если напряжение упадёт до нижнего уровня, то сработает магнитный контактор АРЩ и аварийный генератор будет автоматически запущен. Когда АДГ достигнет синхронной скорости и необходимого напряжения он подключается автоматическими переключателями к ответственным потребителям.

Рисунок 1.4- Однолинейная схема АРЩ Конструкция АРЩ АРЩ располагается в помещении АДГ и состоит из 3 секций:

— секция щита питания с берега и секция аварийного дизель генератора;

— секция панели фидеров 440 В;

— секция панели фидеров 220 В;

Корпус АРЩ отдельно стоящего типа. Корпус сконструирован из стальных углов для вибрационного сопротивления, и в котором дверцы и панели выполнены из 2,3 мм стальных щитов закрепленных один с другим задвижками для безопасности. Дверцы секций открываются как с лицевой стороны ГРЩ, так из задней стороны. Степень защиты ГРЩ IP22. Изоляционный материал: в основном используется фенол и специальная смола для теплои влагоизоляции.

Рисунок 1.5 — Струкурная схема АРЩ К аппаратуре защиты распределительных устройств относятся: автоматические воздушные выключатели, автоматические выключатели, предохранители. Параметры защитной аппаратуры и их марки, используемые на данном судне рассмотрены ранее.

1.5 ВЫВОДЫ Судовая электроэнергетическая система танкера «Tavrichesky Bridge», соответствует современным требованиям к электрооборудованию судов этого класса, вместе с тем вопросы экологии, затрат связанных с эксплуатацией, допускают возможности модернизации основных судовых систем, к которым относится также и система судового освещения.

Особенностью систем судового освещения является тот аспект, что этот вид электрооборудования относится к потребителям, работающим продолжительное время, а некоторые его системы (освещение машинного отделения) постоянно. Анализ работы систем судового освещения позволяет сделать вывод о значительном потреблении электроэнергии системами судового освещения:

— до 39,7 кВт, освещение надстройки;

— до 21,1 кВт освещение машинного отделения;

— 1,2 кВт навигационное освещение.

Модернизация систем судового освещения видится в замене источников света новыми светодиодными лампами, при этом необходимо решить вопросы, защиты сетей с новыми значениями уставок защиты, доработку существующей арматуры с минимальными затратами, и решение задач управления источниками освещения с учётом использования специализированной преобразовательной техники — драйверов светодиодного освещения.

ГЛАВА 2 СИСТЕМЫ СУДОВОГО ОСВЕЩЕНИЯ

2.1 СУДОВОЕ ОСВЕЩЕНИЕ На судне применяется основное и аварийное освещение. Аварийное освещение предназначено для обеспечения помещений освещением в аварийных ситуациях. Система судового освещения получает питание от РЩ 220 В, а аварийное освещение получает питание то аварийного распределительного щита.

АРЩ обеспечивает:

— аварийное освещение МО,

— общее аварийное освещение,

— аварийное освещение помещения АДГ,

— аварийное освещение рулевой и аварийного выхода из МО.

Также предусмотрено аварийное освещение МО от батарей — 24 В.

Лампы освещения бывают следующего исполнения:

— общее,

— защищенное,

— взрывозащищенное,

— водозащищенное.

Внутри надстройки и жилых помещениях допускается установка светильников обычного исполнения. В рабочих помещениях машинного отделения — МО, труба — устанавливаются светильники водозащищенного исполнения. В особоопасных помещениях и на открытой палубе устанавливаются светильники взрывозащищенного исполнения.

Вся система освещения сосредоточена в 7 распределительных щитах. Шесть, из которых запитаны от главного трансформатора ГРЩ это: L — 1; L — 2; L — 3; L — 4; L — 5; L — 6. И один запитан от аварийного трансформатора АРЩ это: LЕ — 7.

В качестве источников света используют люминисцентные лампы и лампы накаливания различной мощности.

Таблица 2.1 — Осветительная арматура и светильники

Сигнально-отличительные огни судна Основные сигнально-отличительные огни:

— ходовые огни правого и левого борта — 60Вт;

— якорный кормовой огонь — 40Вт;

— кормовой огонь — 40Вт;

— якорный баковый огонь — 40Вт;

— мачтовый огонь на главной мачте — 60Вт;

— мачтовый огонь на носовой мачте — 60Вт.

2.2 СВЕТОДИОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ОСВЕЩЕНИЯ Компания Macroblock, Inc. была основана в 1999 году в городе Hsinchu, Тайвань. Компания позиционирует себя как производителя аналого-цифровых решений при этом наибольшее внимание уделяется сектору электропитания и опто-электронных приложений. Среди микросхем для оптоэлектронных приложений производимых компанией основной группой являются микросхемы для питания и управления светодиодами (как отдельными, так и группами) — это т.н. драйверы светодиодов.

Драйверы делятся на 3 группы:

Цифровые драйверы — непосредственно драйверы светодиодов и индикаторов обладающие цифровым интерфейсом Источники питания — микросхемы позволяющие питать значительное количество светодиодов (соединенных последовательно) напрямую от сети 220 В Драйверы подсветки — микросхемы предназначенные для питания светодиодов подсветки различных устройств (преимущественно — портативных).

Для задачи судового освещения выбираем драйверы на микросхемах Macroblock, отличающихся следующими общими возможностями:

— отсутствие множества дополнительных элементов необходимых при использовании других схем питания и управления светодиодами. Например, при применении микросхем Macroblock отпадает необходимость в токоограничивающих резисторах, индуктивностях, диодах Шоттки, конденсаторах (три последних используются в импульсных схемах питания);

— светодиоды подключаются к микросхеме напрямую, уменьшение количества дополнительных элементов напрямую ведет к увеличению надежности устройства, уменьшению массогабаритных показателей и потребляемой устройством мощности;

— большой выходной ток каждого канала при 92% энергетической эффективности всей микросхемы (некоторые микросхемы могут обеспечивать ток более 100 мА на канал, без дополнительного теплоотвода);

— возможность регулировки тока всех светодиодов микросхемы (т.е. яркости) с помощью всего одного внешнего резистора (некоторые микросхемы имеют также цифровую регулировку);

— высокая частота обмена данными — до 25 МГц, наряду с возможностью каскадирования устройств эта особенность делает довольно простой реализацию динамической индикации, а также подключение больших групп светодиодов (точечные дисплеи, панно и др.);

— минимальные габариты микросхем (имеются исполнения в корпусах SOIC для поверхностного монтажа).

Реализуемые функции в драйверах светодиодов Macroblock

Компания MBI также применяет в своих микросхемах и собственные суперсовременные технологии:

— PrecisionDrive™ — Функция позволяет увеличить точность и качество выходных характеристик. Так, например, у микросхем использующих эту технологию отклонение выходного тока между всеми выходами не превышает 3%, а между отдельными микросхемами — 6%. Отклонение тока, обусловленное изменением прямого падения напряжения на светодиоде, ограничено на уровне 0,1% на вольт. Также учтены возможные изменения напряжения питания микросхем и изменения температуры окружающей среды (подразумевается, что обе характеристики находятся в рабочих пределах) — в случае таких изменений отклонение выходного тока не превысит 1%. Функция реализована в микросхемах: MBI5026, MBI5025, MBI5027, MBI5028, MBI5168, MBI 5167.

— Error detection™ — функция позволяет определять в режиме реального времени неисправности (обрыв, кз) светодиодов подключенных к микросхеме. Происходит это следующим образом — используя сигнальные выводы OE, LE, CLK контроллер посылает соответствующую команду на микросхему, которая, в свою очередь, изменяет некоторые биты в исходящей по линии SDO двоичной последовательности, анализируя которую можно получить точный адрес неисправного элемента. Функция реализована в микросхемах: MBI5027, MBI5028, MBI5170.

— Сurrent-Adjustment™ — функция позволяет производить цифровую подстройку выходного тока микросхемы (баланса белого), при этом сохраняется возможность аналоговой регулировки (резистором). Функция реализована в микросхемах: MBI5028, MBI5170.

— Share-I-O™ — функция позволяет совместить, без увеличения количества выводов, возможности Error detection и Сurrent-Adjustment в одном корпусе.

Драйверы системы управления Микросхемы, представляющие собой устройства последовательного ввода цифровой информации (например, от микроконтроллера) и параллельной ее выдачи (непосредственно на светодиоды), рисунок 2.1. По числу выходов на светодиоды микросхемы делятся на 8-ми битные (8 выходов) и 16-битные (16 выходов). По сути, это некоторая модификация КМОП регистров сдвига с защелкой, отличающая большим выходным током каждого канала (десятки и сотни миллиампер), а также множеством крайне полезных функций. 8-ми битные (восемь выходов) микросхемы:

Рисунок 2.1 — Структурная схема драйверов системы управления освещением Источники питания Принцип работы этих микросхем следующий — микросхема преобразует сетевое напряжение путем выпрямления и подает полученное нестабилизированное напряжение в виде импульсов тока на светодиодную цепочку (которая может насчитывать до 30 светодиодов определенного типа), рисунок 2.2. Микросхемы допускают параллельное соединение для увеличения выходного тока.

Рисунок 2.2 — Драйвер системы питания светодиодов системы судового освещения Общая схема подключения:

Обобщённая схема подключения драйверов светодиодов с микроконтроллерами системы управления судовым освещением приведена на рисунке 2.3. Питание светодиодов освещения осуществляется непосредственно от имеющихся линий судового освещения, по ним же и передаются сигналы управления судовым освещением и тестирование светодиодов на КЗ или обрыв.

Рисунок 2.3 — Структурная схема системы судового освещения Обобщенная структурная схема регулятора, приведена на рисунке 2.4:

Рисунок 2.4 — Структурная схема драйвера светодиодов

Объектами управления являются непосредственно светодиоды, выходными параметрами которых являются световой поток пропорциональный выходному току в цепи обратной связи регулятора тока. Обратную связь обеспечивает датчик — фоторезистор, если уровень освещённости падает ниже заданного, то регулятор плавно увеличивает ток светодиодов, тем самым увеличивая световой поток.

Выводы предназначены для плавного изменения тока регулятора, — запрос параметров тока светодиодов, — схема управления регулятора и анализатора системы тестирования работоспособности диодов, — система управления запросами тестовых сигналов.

Источники света (светодиоды) Таблица 2.2 — Светодиодные источники света

Выбор ламп типа Т8 и Т10 обусловлен идентичностью световой арматуры, и не требует замены светильников стандартного исполнения, применение выбранных типов ламп позволяет осуществить модернизацию без замены самой арматуры, при этом необходимо выполнить минимальную доработку арматуры — удалить из неё балластные и пусковые устройства.

2.3 ВЫБОР ТИПА СВЕТИЛЬНИКОВ Отдельные светильники необходимо заменить специальными, выполненными под светодиодные элементы. Это относится к светильникам находящихся в помещениях заливаемых водой, специального морского исполнения, работающие в условиях соленого и масляного тумана.

Светильник судовой общего освещения «Солза» ИУЕА.676 259.004ТУ Предназначен для общего освещения помещений судов.

Конструкция:

В качестве источников света в светильнике применены сверхъяркие светодиодные лампы белого «теплого» света, которые не требуют замены и не снижают яркость в течение всего срока службы.

Светильники не требуют технического обслуживания и утилизации по окончании срока службы. Подключение светильника к сети осуществляется при помощи разъемов, что значительно упрощает его монтаж.

Светильник не создает стробосткопического эффекта при установке его в помещениях с работающими механизмами, имеющими движущиеся части или узлы.

Условия Эксплуатации:

Рассчитан на безотказную работу при:

— температуре от 0° до +55

— относительной влажности 95+3% при температуре 25°С

— воздействии соляного морского тумана Технические данные:

Род тока — переменный 50Гц или постоянный Номинальное напряжение питающей сети:

переменного тока — 220 В;

постоянного тока — от 175 В до 320 В.

Потребляемая мощность при номинальном напряжении питания не более 25 Вт Освещенность, создаваемая на расстоянии 1 м от светильника в пятне на площади 800×600 мм не менее 200 Лк Масса 2.1 кг Степень защиты IP55

Количество светодиодных ламп 16 шт Срок службы 25 лет Рассеиватель света прозрачный, бесцветный.

Таким образом, замена люминесцентных светильников обычного исполнения потребует простой замены ламп с доработкой, система управления освещением потребует применения контроллера освещения, сигналы управления транслируются по силовым сетям с применением специальных протоколов. Светильники машинного отделения могут быть заменены специальными светильниками типа «Солза».

2.4 ВЫВОДЫ Применение светодиодных источников света позволит при освещении надстройки судна расходовать на эти цели около 14 кВт мощности, машинного отделения — 8 кВт, навигационное освещение потребует всего около 400 Вт, экономия составит порядка 40 кВт мощности.

Применение специализированных устройств управления освещением — драйверов, позволяет реализовать интеллектуальную систему управления с функциями оптимизации освещения. В качестве устройства обратной связи применим фоторезистор, который регистрируя мощность светового потока обеспечит пропорциональное управление освещением, с учётом солнечного и дневного.

ГЛАВА 3 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

3.1 ФУНКЦИИ УПРАВЛЕНИЯ КОНТРОЛЛЕРА СИСТЕМЫ СУДОВОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Модуль управления освещением предназначен для контроля параметров освещения (выходной ток драйвера светодиодов; ток нагрузки драйвера; состояние положения выключателей).

Модуль управления освещением предназначен для выполнения следующими функциями:

— включение линий освещения;

— контроль работоспособности светодиодов;

— обеспечение экономичного режима освещения;

— автоматическое управление яркостью свечения светодиодов.

1. Включение линий освещения включает функции максимального светового потока (включение всех светодиодов на полную нагрузку). При выполнении этой команды по силовым кабелям освещения передаются адрес драйвера и команды на включение линий управляемых с адресуемого драйвера.

2. Контроль работоспособности светодиодов в цепи коммутируемых адресуемым драйверам.

3. Снижение тока светодиодов в режиме «экономичное» освещение, коммутация выделенных линий при обеспечении экономичного освещения.

4. Автоматическое снижение яркости светодиодов в зависимости от степени освещенности помещений, реализация нормативных эргономических требований к освещению помещений.

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ Структура протокола обмена данных должна обеспечивать надёжную передачу данных в условиях зашумленного сигнала, в большинстве случаев телеметрические системы съёма и передачи данных используют принципы:

— пакетной передачи сигналов с фиксированной длиной;

— обнаружение пакетов и синхронизация на основе кодированной преамбулы;

— точно известная скорость передачи данных;

— включение дополнительных (контрольных) выборок.

Наиболее совершенным, получившее наибольшее распространение является протокол MODBUS фирмы MODICON GOULD. Его структура определённая как Master (MS) и Slave (SL) устанавливает и прерывает контакт, обеспечивает идентификацию отправителя и получателя данных, устанавливает каким образом, происходит обмен сообщениями, обнаруживает ошибки. Протокол управляет циклом запроса и ответа, который происходит между устройствами MS и SL, как показано на рисунке 3.1.

Только MS может инициировать транзакцию. Транзакции бывают либо типа запрос/ответ (адресуется только один SL), либо широковещательные/без ответа (адресуются все SL). Транзакция содержит один кадр запроса и один кадр ответа, либо один кадр широковещательного запроса.

Рисунок 3.1 — Структура протокола Modbus. Протокол подразумевает на общей шине один MS и до 247 SL. Протокол поддерживает до 247 драйверов системы освещения (SL), каждому SL присвоен уникальный адрес устройства в диапазоне от 1 до 247

Характеристики протокола Modbus фиксированы, к ним относятся:

— формат кадра;

— последовательность кадров;

— обработка ошибок коммуникации и исключительных ситуаций;

— выполнение функций.

К характеристикам выбираемых пользователем относятся тип средства связи, скорость обмена, проверка на четность, число стоповых бит, и режим передачи (ASCII или RTU). Параметры, выбираемые пользователем, устанавливаются (аппаратно или программно) на каждой станции. Эти параметры не могут быть изменены во время работы системы.

При передаче по линиям данных, сообщения помещаются в «конверт». «Конверт» покидает устройство через «порт» и «пересылается» по линиям адресуемому устройству. Протокол Modbus описывает «конверт» в форме кадров сообщений. Информация, представляемая в адрес требуемого получателя, содержит инструкции: что получатель должен сделать; данные, необходимые для выполнения инструкций; и механизм контроля достоверности.

Сообщение, полученное SL, попадает в адресуемое устройство, которое вскрывает конверт, читает сообщение, и, если не возникло ошибок, выполняет требуемую задачу. Затем оно помещает в конверт ответное сообщение и посылает его «отправителю». Информация в ответном сообщении представляет собой адрес адресуемого устройства, выполненную задачу, данные, полученные в результате выполнения задачи, и механизм контроля достоверности. Если сообщение было широковещательным (сообщение для всех SL), на что указывает адрес 0, то ответное сообщение не передается.

Инициацию MS на посыл следующих сообщений другому SL в системах телеметрии магистральных нефтепроводов необходимо осуществлять по таймеру после прохождения определенного пользователем интервала времени, это вызвано соображениями энергосбережения. Все сообщения могут рассматриваться как запросы, генерирующие ответные сообщения от SL. Широковещательные сообщения могут рассматриваться как запросы, не требующие ответных сообщений от SL.

В системе Modbus существуют два режима передачи. Оба режима обеспечивают одинаковую совместимость при связи с SL. Режим выбирается в зависимости от оборудования, используемого как Master Modbus. Для каждой системы Modbus должен использоваться только один режим. Смешивание режимов не дозволительно. Режимы делятся на ASCII и RTU (Remote Terminal Unit).

Символы ASCII удобнее использовать при отладке, поэтому этот режим удобен для компьютеров, программируемых на языке высокого уровня, если система телеметрии использует стандартную платформу Windows. Режим RTU подходит для компьютеров, программируемых на машинных языках.

В режиме RTU данные передаются в виде 8-ми разрядных двоичных символов. В режиме ASCII каждый RTU символ сначала делится на две 4-х разрядных части (старший и младший), переводится в свой шестнадцатеричный эквивалент и затем используется в создании сообщения.

Таблица 3.1 — Характеристики режимов ASCII и RTU

ASCII режим использует в два раза больше символов, чем RTU режим, но декодирование и управление данными — легче. К тому же, в режиме RTU символы сообщения должны передаваться непрерывным потоком. В режиме ASCII допустима задержка до 1 секунды между двумя соседними символами.

Существует два типа ошибок, которые могут возникать в системах судовой связи: ошибки передачи и программные или оперативные ошибки. Система Modbus имеет способы определения каждого типа ошибок.

Ошибки связи обычно заключаются в изменении бита или бит сообщения. Обнаруженные ошибки кадрирования, четности и контрольной суммы, прекращают дальнейшую обработку сообщения. Генерация ответного сообщения не инициируется, тот же результат достигается, использованием адреса несуществующего SL.

Устройство MS должно программироваться так, чтобы в случае не получения ответного сообщения в течение определенного времени, MS не фиксировал ошибку связи. Продолжительность этого времени зависит от скорости обмена, типа сообщения, и времени опроса SL. По истечению этого периода, MS должен быть запрограммирован на ретрансляцию сообщения.

Оба режима передачи, RTU и ASCII, включают в формат символа дополнительный бит четности. В режиме RTU это девятый бит в поле данных (8 бит данных и бит четности). В режиме ASCII это восьмой бит данных (7 бит данных и бит четности). Если контроль четности не используется, бит четности не передается. Все устройства в системе должны быть сконфигурированы одинаково.

Для обеспечения качества передачи данных система Modbus обеспечивает несколько уровней обнаружения ошибок. Для обнаружения множественного изменения битов сообщения система использует избыточный контроль: CRC и LRC. Какой контроль использовать зависит от режима передачи. RTU использует CRC, а ASCII использует LRC.

Сообщение (только биты данных, без учета старт/стоповых бит и бит четности) рассматриваются как одно последовательное двоичное число, у которого старший значащий бит (MSB) передается первым. Сообщение умножается на (сдвигается влево на 16 бит), а затем делится на, выражаемое как двоичное число (11 000 000 000 000 100). Целая часть результата игнорируется, а 16-ти битный остаток (предварительно инициализированный единицами для предотвращения случая, когда все сообщение состоит из нулей) добавляется к сообщению (старшим битом вперед) как два байта контрольной суммы. Полученное сообщение, в приемнике делится на тот же полином, если ошибок не было, остаток от деления получается нулевым. Приемное устройство может рассчитать CRC и сравнить ее с переданной. Вся арифметика выполняется по модулю 2 (без переноса).

Устройство, используемое для подготовки данных для передачи, посылает условно самый правый (LSB) бит каждого символа первым. При расчете CRC, первый передаваемый бит, определен как MSB делимого. Так как арифметика не использует перенос, для удобства расчета CRC можно предположить, что MSB расположен справа. Поэтому порядок бит при расчете полинома должен быть реверсивным.

Пошаговая процедура расчета CRC-16 (таблица 1 приложение № 3) представлена ниже:

Загрузить 16-ти разрядный регистр числом FFFFH.

Выполнить операцию XOR над первым байтом данных и старшим байтом регистра. Поместить результат в регистр.

Сдвинуть регистр на один разряд вправо.

Если выдвинутый вправо бит единица, выполнить операцию XOR между регистром и полиномом 1010 0000 0000 0001 (А001Н).

Если выдвинутый бит ноль, вернуться в шагу 3.

Повторять шаги 3 и 4 до тех пор, пока не будут выполнены 8 сдвигов регистра.

Выполнить операцию XOR над следующим байтом данных и регистром.

Повторять шаги 3−7 до тех пор, пока не будут выполнена операция XOR над всеми байтами данных и регистром.

Содержимое регистра представляет собой два байта CRC и добавляется к исходному сообщению старшим битом вперед.

Контрольная сумма в режиме ASCII это LRC представляющая собой — 8-ми разрядное число, передаваемое как два ASCII символа (hex). Контрольная сумма образуется путем конвертирования всех hex символов в двоичные числа, сложением этих чисел без учета переноса, и вычислением дополнительного кода полученного числа. В приемнике LRC заново рассчитывается и сравнивается с полученным LRC. При вычислении LRC двоеточие, CR, LF и любой другой неASCII символ отбрасывается.

В общем, интерпретация полей протокола Modbus в сообщении идентична для режимов передачи ASCII и RTU. Главное отличие заключается в типе проверки контрольной суммы, выполняемой над сообщением, и которое в два раза больше в режиме ASCII. Вместо передачи 80-ми разрядного двоичного символа, посылается эквивалент в виде пары 7-ми разрядных ASCII (0−9, A-F) символов.

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАДРОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ И ФОРМАТИРОВАНИЯ КОМАНД В ASCII

В режиме ASCII начало кадра достигается использованием символа двоеточия `:', и символов возврата каретки (CR) и перевода строки (LF), указывающих на конец кадра. Символ перевода строки также служит как синхронизирующий символ, который указывает на то, что передающая станция готова для приема ответного сообщения.

Таблица 3.2 — Формат кадра сообщения в режиме ASCII

Поле адреса следует сразу за началом кадра и состоит из 2-х символов в режиме ASCII. Эти биты указывают пользователю адрес SL устройства, которое должно принять сообщение, посланное MS.

Каждый SL имеет уникальный адрес, и только адресуемое устройство может ответить на запрос, который содержит его адрес. Когда SL посылает ответ, адрес SL информирует MS, с какой SL на связи. В широковещательном режиме используется адрес 0. Все SL интерпретируют такое сообщение как выполнение определенного действия, но без посылки подтверждения.

Поле кода функции указывает, адресуемому SL, какое действие выполнить. Старший бит этого поля устанавливается в единицу SL в случае, если ответное сообщение содержит информацию об ошибке. В предлагаемой системе этот бит остается в нуле, если ответное сообщение повторяет запрос или в случае нормального сообщения.

Таблица 3.3 — Структура запроса и ответа режима ASCII.

В режиме ASCII в поле контрольной суммы используется LRC сообщения запроса и ответа (таблица 3.3), последовательность посылки полей каждый раз одна и та же — Адрес, Код функции, Данные и Контрольная сумма — независимо от направления.

Коды исключительных ситуаций приведены в таблице 3.4. Обнаружение SL одной их этих ошибок, инициирует ответное сообщение MS, содержащее адрес SL, код функции, код ошибки и контрольную сумму.

Таблица 3.4 — Коды исключительных ситуаций протокола Modbus

Указания, что ответное сообщение это уведомление об ошибке, соответствует установке старшего бита поля кода функции в 1.

Рассмотрим пример чтения функции содержащей ошибку таблица 3.5.

Таблица 3.5 — Запрос, содержащий ошибку несуществующего адреса SL

Этот запрос требует состояние ячейки с номером 1245 в SL с номером 10, и, если этот контроллер имеет 1К ячеек, то этот адрес является ошибочным. Соответственно, будет сгенерировано следующее ответное сообщение.

Таблица 3.6 — Ответ MS на ошибочный запрос SL

Значение в поле функции равно оригинальному значению с установленным в единицу старшим битом. Код исключительной ситуации 02 указывает на ошибочный адрес данных.

В таблицах 3.7 и 3.8, указаны типовые блоки отладки протокола Modbus, числа имеют шестнадцатеричный формат.

Таблица 3.7 — Чтение регистров SL.

Данный блок описывает чтение регистров 4108—4110 из SL с адресом 06. Это сообщение при форматировании в RTU и ASCII выглядит следующим образом:

Таблица 3.8 — Форматирование команд в код инструкций

Сообщения с номерами функций 1 — 6, 15 и 16 ссылаются на конкретные доступные переменные программируемого контроллера. Функция 1, 5 и 15 ссылаются на логические ячейки (0ХХХ (Х)), функция 2 на дискретные входы (1ХХХ (Х)), функция 4 на входные регистры (3ХХХ (Х)), функции 3,6 и 16 на внутренние регистры (4ХХХ (Х)). Все адреса ссылок в сообщениях MODBUS индексируются с нуля. Например, первый внутренний регистр в контроллере 584, будучи 40 001-ым, имеет адрес ссылки 0. Точно также, ячейка 127 будет иметь адрес 0126.

ASCII сообщение всегда почти в два раза длиннее RTU сообщения.

3.4 ФУНКЦИИ ПРОГРАММ КОНТРОЛЛЕРА УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ Функция «запрос» позволяет пользователю получить статус (1/0) логических ячеек. Широковещательный режим не поддерживается. Помимо полей адреса SL и функции, сообщение требует, чтобы информационное поле содержало логический адрес первой ячейки и число ячеек, статус которых необходимо получить.

Таблица 3.9 — Функция запроса логических ячеек контроллера RTUсообщения

Адресация позволяет получить за один запрос до 2000 логических ячеек. Однако, некоторые приборы имеют ограничение на максимальное число ячеек, статус которых можно получить за один запрос. Ячейки нумеруются с нуля (ячейка 1 = 0, ячейка 2 = 1 и т. д.).

Таблица 3.10. Пример ответного сообщения на предыдущий запрос

Данные в поле данных упакованы один бит на каждую ячейку. Ответное сообщение включает адрес SL, код функции, число байт в поле данных, данные и контрольную сумму. Младший значащий бит первого байта поля данных содержит первую адресуемую ячейку, за которой следуют остальные. Если число ячеек не кратно 8-ми, то остальные биты заполняются нулями в порядке от старших битов к младшим.

Статус ячеек 20−27 равен CDH = 1100 1101. Читая слева направо, видим, что ячейки 27, 26, 23, 22 и 20 установлены. Остальные данные разбираются так же. Так как было запрошено число ячеек не кратное 8-ми, старшие три бита в последнем байте данных (1BH) заполнены нулями.

Так как запрос обслуживается в конце рабочего цикла прибора, то данные в ответном сообщении отражают состояние ячеек на тот момент.

«Функция 2» — чтение дискретных входов позволяет пользователю получить состояние (ВКЛ/ВЫКЛ) входных дискретных линий адресуемого SL. Широковещательный запрос не поддерживается. В дополнение к адресу SL и номеру функции, запрос требует, чтобы информационное поле содержало начальный адрес и количество требуемых линий.

Адресация позволяет получить за один запрос до 2000 линий. Входные линии нумеруются с нуля (10 001 = 0, 10 002 = 1 и т. д.).

Таблица 3.11 — Запрос на чтение дискретных входов 10 197−10 218 из SL № 6

Ответное сообщение включает адрес SL, код функции, количество байт данных, данные и поле контрольной суммы. Данные упакованы по биту на каждый вход (1 = ON, 0 = OFF). Младший бит первого байта содержит значение первого адресуемого входа, за которым следуют остальные. Если количество запрошенных входов не кратно 8, то остальные биты заполняются нулями. Количество байт данных всегда определяется как количество RTU данных. Так как SL обслуживает запрос в конце рабочего цикла, данные в ответе отражают состояние входов на данный момент.

Статус входов 10 197−10 204 = ACh = 1010 1100. Читая слева направо, видим, что входы 10 204, 10 202, 10 200 и 10 199 в состоянии ON. Все остальные байты данных распаковываются аналогично.

Таблица 3.12 — Ответ на запрос чтение дискретных входов SL № 6

Так как было запрошено 22 линии, последний байт данных (35h = 0011 0101) содержит только 6 входов (10 213−10 218) вместо 8-ми. Два последних бита заполняются нулями.

«Функция 3» — чтение регистров позволяет получить двоичное содержимое 16-ти разрядных регистров адресуемого SL. Адресация позволяет получить за каждый запрос до 125 регистров. Однако, некоторые устройства имеют ограничение на максимальное количество регистров, получаемых за один запрос. Регистры нумеруются с нуля (40 001 = 0, 40 002 = 1 и т. д.). Широковещательный режим не допускается.

Таблица 3.13 — Запрос на чтение регистра SL № 6

Адресуемый SL посылает в ответе свой адрес, код выполненной функции и информационное поле. Информационное поле содержит 2 байта, описывающих количество возвращаемых байт данных. Длина каждого регистра данных — 2 байта. Первый байт данных в посылке является старшим байтом регистра, второй — младшим.

Так как SL обычно обслуживает запрос в конце своего рабочего цикла, данные в ответе отражают содержимое регистров в данный момент. Некоторые SL ограничивают количество регистров, передаваемых за один запрос. В этом случае для получения, большего числа регистров, необходимо выполнить несколько последовательных запросов.

«Функция 5» — запись одной ячейки, модифицирует одну логическую ячейку. Ячейки нумеруются с нуля (ячейка 1 = 0, ячейка 2 = 1 и т. д.).

Число 65 280 (FF00H) устанавливает ячейку в 1, а число 0 — в 0. Другие числа не влияют на содержимое ячейки.

Таблица 3.14 — Ответ на запрос чтение регистра SL № 6

Данная функция может использоваться в широковещательном режиме.

Таблица 3.15 — Пример установки в 1 ячейки 0173 в SL № 6

«Функция 6» — запись одного регистра, позволяет модифицировать содержимое одного регистра. Хотя запрос и является асинхронным, SL изменяет содержимое регистра только в конце рабочего цикла.

Когда в запросе указан адрес равный 0 (широковещательный запрос), все SL, подключенные к шине, загрузят соответствующий регистр указанным значением. В широковещательном режиме используются только функции 5, 6, 15 и 16.

Таблица 3.16 — Пример записи регистра 40 136 значением 926 в SL с номером 6

«Функция 8» — тестовая функция, предназначена для проверки коммуникационной системы и не влияет на данные датчика.

Таблица 3.17 — Тестовые функции коммуникационной системы

Поле информации содержит 2 байта диагностического кода, указывающего SL выполнить определенное действие, и 2 байта необходимой, для данной диагностики, информации.

Таблица 3.18 — Пример запроса вернуть эхо (диагностический код 0) SL № 6

Таблица 3.19 — Пример ответа на запрос вернуть эхо (диагностический код 0) SL № 6

«Функция 7» — чтение статуса предназначена для быстрого получения статуса некоторых событий контроллера, позволяет получать данные о статусе путём вызова функции имеющей небольшой размер.

Функция с номером 7 позволяет пользователю опрашивать состояние восьми ячеек контроллера. Эти ячейки могут программироваться для хранения информации состояния контроллера. Широковещательный режим не поддерживается. Назначение этих ячеек зависит от типа контроллера. В этой функции не требуется поле данных.

Таблица 3.20 — Пример запроса статуса SL с номером 6