船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法

技术领域

本发明涉及一种船舶控制技术，特别涉及一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法。

背景技术

船舶航行操舵控制系统是实现船舶航向控制的重要系统，一般由罗经、操舵仪、舵机、舵杆、舵叶等机构组成。船舶航行操舵控制系统一般由船舶航向控制和舵角位置伺服控制两个环节组成，通常利用罗经检测航向偏差后解算出舵角指令，或通过人工操作舵轮直接输出舵角指令，再经舵角位置伺服控制环节驱动舵叶转动实现航向纠偏。

传统的国产船舶航行操舵控制系统一般采取如下两种系统拓扑结构实现：

A、操舵仪直接进行舵角位置伺服控制，操舵仪输出泵控或阀控信号至舵机液压动力单元HPU，舵机仅提供驱动力。此方案适合于小型舰船，驾驶室与舵机舱距离较近，且机组较少。而对于大型舰船，因设备间模拟信号传输电线敷设数量多、距离远，易导致设备接口繁冗，现场安装及调试的工作量大，不便维护。

B、操舵仪通过模拟线路将舵角指令采用点到点方式传递至舵机，由舵机控制舵机液压动力单元HPU进行舵角位置伺服控制。此方案如出现点对点的线路故障，舵令信号被截断，舵机无法执行舵令，且模拟线路易受到信号干扰，导致多机组接收指令很难高度一致，不同机组舵令的差异性影响整船操舵效果。

发明内容

针对船舶航行操舵控制系统控制存在问题，提出了一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法，采用单元闭环，系统双冗余节点控制，单元闭环和节点控制适应大型船舶控制环节复杂、远距离控制；双冗余节点控制保证故障处理时的系统控制稳定性。

本发明的技术方案为：一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构，操舵仪发出舵角指令至舵机，舵机中的伺服控制箱接收舵角指令和舵角反馈机构反馈的实际舵角，伺服控制箱控制所属液压动力单元驱动推舵机构实现舵角闭环控制；操舵仪中的指令发送箱、舵机中的伺服控制箱与舵机中的液压动力单元采取4：4：4多冗余节点配置，所有指令发送箱之间通过CAN3总线和CAN4总线串联交互通信，操舵仪中的操纵台分别通过CAN3总线或CAN4总线与串联的指令发送箱一端连接，各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联交互通信；两套液压动力单元冗余控制一套推舵机构，构建系统全冗余结构。

优选的，所述操纵台采集舵角指令模拟信号，通过模数转换模块将舵角指令由模拟信号转换为数字信号，经CAN收发器发至指令发送箱。

优选的，所述指令发送箱将操纵台发出的模拟量舵角指令分别传递至对应的伺服控制箱作为备用舵角指令。

一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构的信号传递方法，所述各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联交互通信，所述两条总线采取反向冗余通信，即一条总线正向串联传递另一条总线反向串联传递。

进一步，所述通信采取双冗余总线进行串联敷设，且每条总线具备通讯故障检测，在行总线故障时自动切换至冗余备用总线。

进一步，所述CAN1至CAN4总线本身带有错误处理机制，信号节点出现错误时，错误节点自动切断与总线的联系，总线上其他节点不受影响。

进一步，所有冗余CAN总线失效后，自动或者手动切换至模拟舵角指令。

本发明的有益效果在于：本发明船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法，设计合理，结构清晰，可应用于船舶航行操舵控制系统，特别适合大型多机组船舶航行操舵控制系统，能够显著提高操舵控制系统可靠性。

附图说明

图1为本发明船舶航行操舵控制系统CAN总线拓扑图；

图2为本发明单个节点舵角位置伺服控制示意图；

图3为本发明4节点舵机组成结构示意实施例一图；

图4为本发明4节点舵机组成结构示意实施例二图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

操舵仪负责发出舵角指令至舵机，舵机接收舵角指令完成舵角位置伺服控制。如图1所示船舶航行操舵控制系统CAN总线拓扑图，操舵仪包括操纵台、指令发送箱。所述操纵台包含舵轮或罗经、模数转换模块、CAN收发器等，利用罗经自动解算或人工操作舵轮的方式输出舵角指令模拟信号，并通过模数转换模块将舵角指令由模拟信号转换为数字信号，经CAN收发器发至指令发送箱。所述指令发送箱，通过操舵仪内部冗余CAN3或CAN4总线接收操纵台CAN收发器输出的舵角指令数字信号，并将舵角指令重新打包通过操舵仪外部双冗余CAN1或CAN2总线转发至各舵机伺服控制箱。

本实施例中指令发送箱为4套，互为冗余关系，发送至舵机伺服控制箱的舵角指令信号及发送帧信息ID号一致，其中至少一个指令发送箱工作正常即可实现舵角指令发送至舵机。

所述实施例操舵仪内部冗余总线CAN3/CAN4总线通讯协议如下：

a.采用CAN2.0A协议标准；

b.通讯波特率：125kbps；

c.数据更新速率：50次/S；

d.操纵台向各指令发送箱发送舵角指令信息帧。

CAN3/CAN4总线拓扑结构如图1所示，指令发送箱之间通过CAN3总线和CAN4总线串联，操纵台分别通过CAN3总线或CAN4总线与串联的指令发送箱一端连接，CAN3总线拓扑顺序为操纵台→左2指令发送箱→左1指令发送箱→右2指令发送箱→右1指令发送箱。CAN4总线拓扑顺序为操纵台→右1指令发送箱→右2指令发送箱→左一指令发送箱→左2指令发送箱。

在此，CAN3总线和CAN4总线互为冗余，CAN3总线在行有效，CAN3故障或缺省后自动切换至CAN4运行。

另外，指令发送箱也将操纵台舵轮发出的模拟量舵角指令分别传递至对应的伺服控制箱作为备用舵角指令。在所有冗余CAN总线失效后，可自动或者手动切换至模拟舵角指令。

本发明中，指令发送箱、伺服控制箱采取操舵仪外部双冗余CAN1/CAN2总线进行串联敷设，且每条总线具备通讯故障检测功能，缺省在行总线故障时可自动或者手动切换至备用总线。部分信号节点出现错误时，错误节点会自动切断与总线的联系，总线上其他节点操作不受影响。

在此，所述操舵仪外部双冗余CAN1/CAN2总线拓扑结构如图1所示，各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联，两条总线采取反向冗余拓扑结构，即一条总线正向串联传递另一条总线反向串联传递，CAN1总线拓扑顺序为左2指令发送箱→左1指令发送箱→右2指令发送箱→右1指令发送箱→右1伺服控制箱→右2伺服控制箱→左1伺服控制箱→左2伺服控制箱；CAN2总线拓扑顺序为右1指令发送箱→右2指令发送箱→左1指令发送箱→左2指令发送箱→左2伺服控制箱→左1伺服控制箱→右2伺服控制箱→右1伺服控制箱。采取反向冗余拓扑相对于同向拓扑的优势在于反向拓扑使CAN1和CAN2路径不同，有效防止操舵仪与舵机的界面连接处(图1虚线处)出现问题时导致冗余的两条总线全部失效，反向冗余拓扑有利于提高系统任务可靠性。

所述实施例操舵仪外部双冗余CAN1/CAN2总线通讯协议如下：

a.采用CAN2.0A协议标准；

b.通讯波特率：125kbps；

c.数据更新速率：50次/S；

d.指令发送箱向舵机伺服控制箱发送信息帧为:舵角指令。

e.舵机伺服控制箱向指令发送箱发送信息帧为:实时反馈舵角及运行、故障信息。

CAN1总线和CAN2总线互为冗余，CAN1总线在行有效，CAN1故障或缺省后自动切换至CAN2运行。

在操舵仪外部双冗余CAN1/CAN2总线均失效后，可自动或者手动切换至模拟线路舵角指令，并提供CAN通讯失效报警。CAN故障检测及指令切换均通过伺服控制箱进行。

所述舵机负责舵角位置伺服控制，包含伺服控制箱、舵机启动箱、液压动力单元HPU、推舵机构、舵角反馈机构等。

所述伺服控制箱负责接收舵角指令并控制所属液压动力单元HPU驱动推舵机构转动实现舵角位置伺服控制。本实施一例中伺服控制箱数量为4套，彼此独立控制所属液压动力单元HPU。

所述舵机启动箱用于为液压动力单元HPU提供动力源，并控制电机启停。

所述液压动力单元HPU主要包含变量泵(主泵)、泵控比例阀等，主要用于实现油液输出，驱动推舵机构转动，实现打舵。

如图2所示单个节点舵角位置伺服控制示意图，伺服控制箱将接收到的舵角指令信号与舵角反馈机构反馈的实际舵角进行比较后，通过PID运算得出合理的液压控制参数，向泵控比例阀输出控制信号，调节阀口开度，从而向主泵变量活塞输出一定的控制油。主泵变量活塞在控制油作用下对比例阀信号进行跟随，从而改变泵内斜盘倾角进行排量的无级调节，主泵排油口向主系统输出压力油。主泵输出的压力油进入推舵机构油缸使舵向一侧转动，而另一侧油缸中的油液回到主泵吸油口。当实际舵角和舵角指令一致时，不再排油，完成操舵。

另外，如图3、4所示，两套液压动力单元HPU共用一套推舵机构，通过管路并接可实现单机组和双机组工况切换。每个液压动力单元HPU独立控制，发生故障时该节点自动隔离，不影响系统任务实现。

综上所述，本发明提供了一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构。该操舵控制系统拓扑结构下，利用CAN总线突出的可靠性、实时性，从根本上突破传统的“点对点”式的模拟信号控制的局限性，构成了一种数字化、双向、互连、多节点的分布式拓扑控制系统。

另外，发明中利用冗余CAN总线实现信号冗余传递，在行总线故障时自动切换备用总线；拓扑结构中还保留了模拟线路，提供其他控制指令及备用舵角指令，显著提高操舵系统的可靠性与续航力。

并且，CAN总线本身具备良好的错误处理机制，部分信号节点出现错误时，错误节点会自动切断与总线的联系，总线上其他节点操作不受影响。

此外，本发明的拓扑结构实现了自上至下的冗余结构，每个液压动力单元HPU独立控制，发生故障时节点自动隔离，不影响系统任务实现。

而且，各舵机伺服控制箱接收到的舵令缺省使用统一的CAN总线信号，不存在各执行单元舵角指令不一致的现象。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。