NMEA 2000 samskiptareglur útskýrðar: Hvernig sjávarnet deila gögnum

Þegar gengið er um bryggjur í hvaða nútíma smábátahöfn sem er, þá finnur þú báta þar sem sjókortaplatan sýnir upplýsingar um vélina, sjálfstýringin les vindskynjarann ​​og rafgeymirinn tilkynnir hleðslustöðu sína á stýrisskjáinn – allt í gegnum eina snúru sem liggur í gegnum skrokkinn. Tæknin á bak við þessa samþættingu er NMEA 2000®, samskiptareglurnar sem hafa orðið að sameiginlegu tungumáli rafeindabúnaðar í skipum.

Þessi handbók útskýrir hvernig NMEA 2000 samskiptareglurnar virka í raun og veru: netið sem þær keyrir á, skilaboðakerfið sem þær nota, hvernig tæki tengjast netinu og hvað þarf til að litíumrafhlöðukerfi geti tekið þátt. Hvort sem þú ert að skipuleggja endurnýjun á rafeindabúnaði eða tilgreina samskiptakröfur fyrir rafhlöðuverkefni frá framleiðanda, þá er skilningur á samskiptareglunum fyrsta skrefið í átt að kerfi þar sem allt talar við allt annað.

Hvað er NMEA 2000?

NMEA 2000 er staðlað samskiptareglur sem gera rafeindabúnaði sjávar - skjám, skynjurum, vélum og rafhlöðukerfum - kleift að deila gögnum yfir eitt net. Samtök sjávarrafeindatækni (National Marine Electronics Association) þróuðu gögnin og byggðu þau á CAN-bus (Controller Area Network) tækni og gera búnaði frá mismunandi framleiðendum kleift að skiptast á upplýsingum án sérsniðinna raflagna milli tækjaparsins.

NMEA 2000® er skráð vörumerki National Marine Electronics Association (NMEA), bandarísks stofnunar sem þróar og viðheldur stöðlum fyrir rafeindabúnað í sjóflutningum. Samskiptareglurnar skilgreina lággjalda, tvíátta, fjölsendi- og fjölmóttakaranet: hvaða vottað tæki sem er getur sent og móttekið gögn, netið stillir sig sjálft og það er enginn miðlægur stjórnandi sem allt er háð.

Þetta síðasta atriði skiptir meira máli en það hljómar. Í NMEA 2000 neti, ef eitt tæki bilar, halda hin áfram að eiga samskipti. Berið það saman við eldri punkt-til-punkts raflögn, þar sem eitt tæki sat oft í miðri gagnakeðjunni - og þegar það tæki bilaði, slokknuðu öll tæki sem reiða sig á gögn þess.

Í reynd nota bátaeigendur og smíðamenn NMEA 2000 til að setja leiðsögugögn, vélarstillingar, tankstöðu, umhverfisskynjara og – í auknum mæli – rafhlöðugögn á einn sameiginlegan grunnnet, sem er sýnilegt á hvaða samhæfum skjá sem er um borð.

NMEA 2000 vs NMEA 0183: Hvað breyttist

Fyrir NMEA 2000 var talað um NMEA 0183 í rafeindabúnaði skipa, sem var raðbundin samskiptaregla sem kynnt var til sögunnar snemma á níunda áratugnum. NMEA 0183 er enn að finna í mörgum skipum og skilningur á þessum mun skýrir hvers vegna þessi greining þróaðist áfram.

NMEA 0183 er raðbundin samskiptaregla sem notar punkt-til-punkts tengingu. Eitt tæki — „talarinn“ — sendir ASCII textasetningar á 4.800 baud (hraðhraðaútgáfa með 38.400 baud var bætt við síðar, aðallega fyrir AIS skipamælingar) til eins eða fleiri „hlustenda“. Hlustandi getur aðeins tekið á móti frá einum talara, þannig að tenging margra tækja þýddi margföldunartæki, biðminni og raflögn sem urðu erfiðari með hverju tæki sem bætt var við.

NMEA 2000 kom í staðinn fyrir þá gerð með raunverulegu neti:

Eiginleiki	NMEA 0183	NMEA 2000
Arkitektúr	Punkt-til-punkts, einn talari → hlustendur	Fjöldropnet, öll tæki tala saman og hlusta
Líkamlegt lag	Raðtengd (RS-422/RS-232 merkjasending)	CAN-buss, mismunadrifið snúnt par
Hraði	4.800 baud (38.400 háhraðaútgáfa)	250 kbit/s
Gagnasnið	ASCII textasetningar (hámark 82 stafir)	Þéttar tvíundarrammar
Alþjóðlegur staðall	IEC 61162-1	IEC 61162-3
Bæta við tæki	Ný raflögn, mögulega fjölvirki	Leggðu snúruna niður í bakgrunninn
Bilunarhegðun	Mistök í ræðumanni brjóta keðjuna	Netið heldur áfram án bilaðs hnútpunkts

Staðlarnir tveir eru ekki samhæfðir. NMEA 0183 mælitæki getur ekki tengst NMEA 2000 neti beint; blandaðar uppsetningar krefjast gáttartækis sem skiptir á milli þeirra tveggja. Fyrir nýsmíði og endurbætur er NMEA 2000 sjálfgefið val — og þess vegna þurfa rafhlöðukerfi sem eru hönnuð til notkunar á sjó í auknum mæli að tala það.

Hvernig samskiptareglurnar virka: CAN-rúta og PGN-númer

Undir húddinu er NMEA 2000 byggt á Controller Area Network (CAN) — sama strætótækni sem hefur verið prófuð í áratugi í bíla- og iðnaðarkerfum — sem keyrir á 250 kbit/s. Það sem NMEA 2000 bætir við ofan á hráa CAN er staðlað forritalag sem hefur verið mjög undir áhrifum frá SAE J1939 (samskiptareglufjölskyldunni sem notuð er í vörubílum og þungaflutningabílum): sameiginlegt orðaforða sem segir hverju tæki hvað bætin á vírnum þýða í raun.

Það orðaforða er skipulagt íNúmer breytuhópa (PGN)Hvert PGN er skilgreint skilaboðategund: eitt PGN ber GPS-stöðu, annað ber snúningshraða vélarinnar og annað ber vatnsdýpt. Skilaboð berast sem CAN-rammar með 29-bita auðkenni og 8-bæta gagnasviði; stærri skilaboð eru skipt yfir marga ramma og sett saman aftur af móttakaranum. Þar sem öll vottuð tæki túlka PGN á sama hátt getur Garmin-skjár lesið gögn frá Yamaha-vélgátt og tankskynjara frá þriðja aðila án þess að nokkur þessara framleiðenda þurfi að samræma sig.

Fyrir rafhlöðukerfi vinnur ákveðinn hópur PGN-eininga:

• PGN 127508 – Staða rafhlöðu: spenna, straumur og hitastig fyrir rafhlöðutilvik
• PGN 127506 – Nánari staða DC: hleðsluástand, heilsufar og tími sem eftir er
• PGN 127513 – Staða rafhlöðustillingarupplýsingar um nafnspennu, efnafræði og afkastagetu

Viðvörunar- og viðvörunarskilyrði berast hvort í sínu lagi, í gegnum stöðluð viðvörunarskilaboð netsins (PGN 126983) — sem er hvernig rafhlöðubilun verður að sýnilegri, heyranlegri viðvörun við stjórnvölinn frekar en hljóðlausu flaggi inni í pakkanum.

Þegar rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) eða rafhlöðugátt sendir þessi PGN-tölur út á netið, getur hvaða skjár um borð sem styður þessi PGN-tölur sýnt spennu rafhlöðunnar, straumnotkun og hleðslustöðu — án þess að bæta við sérstökum rafhlöðuskjá við stjórnborðið. Hver rafgeymi er úthlutað tilviksnúmeri, sem er hvernig netið aðgreinir húsbankann frá ræsirafgeyminum og birtir þær sérstaklega.

Þetta PGN lag er nákvæmlega sá punktur þar sem rafeindabúnaður litíumrafhlöðu mætir rafeindabúnaði skipa, og það er þar sem samþættingarverkefni ná árangri eða stöðvast. BMS sem mælir allt en sendir ekkert setur nákvæm gögn á stað þar sem enginn sér þau; BMS sem útfærir PGN gögn rafhlöðunnar gerir þessi gögn að hluta af skipinu.

NMEA 2000 netarkitektúr

Líkamlega séð fylgir NMEA 2000 net einfaldri og stífri netfræði — og stífleikinn er eiginleiki þess því hann gerir net fyrirsjáanleg.

[UPPRUNALEG SKÝRING HÉR — netkerfismynd sem sýnir baklínu, enda, dropasnúrur og tæki þar á meðal fjölvirka skjákort (MFD), vélargátt, skynjara og litíumrafhlöðubanka með BMS. Alternative text: "NMEA 2000 netkerfismynd með rafhlöðukerfi tengt með dropasnúru"]

Netið er byggt upp úr fjórum þáttum:

Hryggjarliðurinner aðalstofnsnúran sem liggur í gegnum skipið. Öll tæki tengjast henni; ekkert tæki tengist beint öðru tæki.

LokaviðnámLokaðu báðum endum burðarrásarinnar. CAN-rútumerkjagjöf krefst tengingar í hvorum enda burðarrásarinnar til að koma í veg fyrir merkjaendurkast — vantar eða tvöfaldur tengingareining er algeng orsök bilunar í netkerfi.

Slepptu snúrumTengdu hvert tæki við baklínuna með T-tengjum. Staðallinn skilgreinir hámarkslengdir bæði fyrir baklínuna og einstaka dropa, sem heldur tímasetningu merkisins innan forskriftar eftir því sem net stækka.

Netafler aflgjafinn tengdur í gegnum baklínuna sjálfa. NMEA 2000 kapallinn hefur sína eigin aflgjafa fyrir netviðmót tengdra tækja, aðskilda frá aðal jafnstraumsálagi skipsins.

Tæki nota stöðluð 5 pinna tengi (venjulega Micro-C) á variðum snúnum parsnúrum, sem nota mismunandi merkjagjöf til að vera ónæmir fyrir hávaða - sem er verulegur kostur í umhverfi fullt af alternatorum, inverterum og útvarpssendum.

Fyrir rafhlöðuuppsetningu hefur þessi arkitektúr eina hagnýta þýðingu sem vert er að skipuleggja snemma: samskiptaviðmót rafhlöðubankans þarfnast tengisnúru að baknetinu og net með mörgum rafhlöðubönkum þurfa að vera stillt þannig að hver banki birtist sem aðskilin uppspretta á skjánum.

Hvaða tæki tengjast NMEA 2000 neti

Næstum allir flokkar rafeindabúnaðar fyrir sjómenn eru nú með NMEA 2000 tengingu:

Fjölnotaskjáir (MFD)eru neytendur netgagna — kortaplottar og mælitæki frá helstu framleiðendum rafeindabúnaðar í skipum lesa PGN-tölur og kynna þær fyrir rekstraraðilanum. Á flestum skipum er fjölnota skjárinn þar sem rafhlöðugögnin sjást að lokum.

VélarhliðFæra einkaleyfisbundin vélargögn yfir á netið, birta snúningshraða, eldsneytisflæði og viðvaranir vélarinnar á sömu skjái og allt annað.

Skynjarar— dýpi, vindur, GPS, hitastig, tankhæð, eldsneytisflæði — eru gagnaframleiðendur netsins, sem hver um sig sendir sitt eigið PGN-sett.

Sjálfstýringar og talstöðvarbæði neyta leiðsögugagna og, í tilviki VHF-talstöðva með DSC (Digital Selective Calling), nota GPS-gögn netsins fyrir neyðarkall.

Rafhlöður og rafmagnstækieru ört vaxandi flokkurinn. Rafhlöðueftirlit, rafskautastýringar, jafnstraumsmælar og litíumrafhlöðukerfi með samskiptahæfum BMS rafeindabúnaði senda PGN hópinn fyrir rafhlöðuna sem lýst er hér að ofan og breytir stýrisskjánum í skjá fyrir orkustjórnun. Hvernig skjáir á sjó lesa og túlka gögn um litíumrafhlöður er nógu ítarlegt efni til að við fjöllum um það í sinni eigin handbók.Hvernig rafeindatækni í sjó les gögn um litíumrafhlöður →

Ef þú ert að meta litíumrafhlöðu fyrir bát, þá á samskiptageta heima á gátlistanum ásamt afkastagetu og útskriftargetu — leiðbeiningar okkar um val á litíumrafhlöðum fyrir báta fjalla um hvernig á að vega og meta hana á móti restinni af forskriftinni.Leiðbeiningar um val á litíumrafhlöðum fyrir sjómenn →

Vottun og eftirlit

Einn þáttur NMEA 2000 sem kemur mörgum kaupendum á óvart: það er ekki opin, notendavæn samskiptaregla. NMEA 2000 er leyfisbundinn staðall og allar vörur sem lesa eða senda NMEA 2000 gögn þurfa að vera vottaðar samkvæmt NMEA 2000 leyfissamningnum (heimild:NMEAVottunarprófanir geta verið framkvæmdar af framleiðanda með vottunartólum NMEA eða af þriðja aðila, og leyfisgjöld staðalsins eru stigbundin eftir atvinnugreinum.

Vottun er til af hagnýtri ástæðu: hún er það sem gerir samvirkniloforð „hvaða tæki sem er, hvaða vörumerki sem er“ að veruleika. Vottað tæki hefur sýnt fram á að það sendir skylduboð rétt, bregst rétt við beiðnum um netstjórnun og truflar ekki rútuna fyrir alla aðra.

Fyrir framleiðendur og kerfissamþættingaraðila hefur þetta afleiðingar fyrir skipulagningu. Þegar rafgeymakerfi með samskiptum er hannað í bát er vottun skilgreint skref í framleiðsluferlinu — með skjalfestum kröfum um vélbúnaðar- og hugbúnaðarprófanir — frekar en eftiráhugsun. Hver vottar hvað og á hvaða stigi fullunninnar vöru er spurning sem þarf að útkljá snemma í verkefni. Við förum í gegnum hvernig teymi frá framleiðanda (OEM) meðhöndla venjulega samþættingu samskipta og vottunarferlið í leiðbeiningum okkar um samþættingu frá framleiðanda.Hvernig OEMs samþætta NMEA 2000 samskipti →

NMEA 2000 og litíum rafhlöðukerfi

Litíum-járnfosfat (LiFePO4) rafhlöður breyttu því sem rafkerfi skipa geta gert — meiri nýtanlega afkastagetu, hraðari hleðslu og — í gegnum rafeindabúnað rafhlöðunnar sem þeir bera — miklu meiri gögn um borð. En þessi gögn skapa aðeins verðmæti þegar þau berast rekstraraðilanum, og á skipi með nettengda rafeindabúnaði er beinasta leiðin til rekstraraðilans NMEA 2000 netið.

Lithium rafhlöðukerfi tekur þátt í netkerfinu í gegnum BMS sitt eða í gegnum samskiptagátt sem þýðir BMS gögn yfir í staðlaðar PGN tölur rafhlöðunnar. Þegar kerfið er tengt við netið birtist hleðslustaðan á kortaplotterinum, lágspennuástand kveikir á viðvörunum við stjórnborðið frekar en hljóðlega í rafhlöðuhólfinu og hægt er að fylgjast með mörgum rafhlöðubönkum hlið við hlið með tilviksnúmerum þeirra.

Fyrir sérsniðnar og upprunalegar rafhlöðuverkefni þurfa samskiptakröfur að vera jafn nákvæmar og kröfur um rafmagnsnotkun. Spurningarnar sem ákvarða velgengni samþættingar eru sértækar: Hvaða PGN verður kerfið að senda? Hversu mörg rafhlöðutilvik mun skipið keyra? Krefst verkefnið innbyggðrar nettengingar eða gáttararkitektúrs? Er vottun meðhöndluð á rafhlöðustigi eða kerfisstigi skipsins?

Verkfræðiteymi DALY styður NMEA 2000 samskiptasamþættingu fyrir rafgeymaverkefni í skipum, með aðlögun samskiptareglna í boði eftir kröfum verkefnisins. Ef þú ert að skipuleggja sérsniðið litíumrafhlöðuverkefni, deildu gerð skipsins, rafhlöðustillingu og gögnum sem skjáirnir þurfa að sýna á tilboðsstigi (RFQ - request for quotation) — verkfræðiteymi okkar mun svara með tillögu að samskiptaáætlun og tilboði. Að skilgreina PGN-settið, tilviksstillingar og vottunarleið snemma er munurinn á samþættingu sem fellur á sinn stað og þeirri sem er endurhönnuð við sjópróf.

Algengar spurningar

Q1Á hverju byggist NMEA 2000 samskiptareglan?

NMEA 2000 er byggt á CAN (Controller Area Network) strætótækni, með stöðluðu notkunarlagi fyrir sjóflutninga sem er undir áhrifum frá SAE J1939. CAN grunnurinn sér um efnislegt net og villumeðhöndlun; NMEA 2000 lagið skilgreinir hvað skilaboðin þýða.

Q2Er NMEA 2000 það sama og CAN-busi?

Nei. CAN-rútan er undirliggjandi nettækni; NMEA 2000 er heill samskiptastaðall sem byggður er ofan á hana. Tvö tæki geta bæði notað CAN og samt ekki skilið hvort annað — PGN skilaboðaskilgreiningar NMEA 2000 eru það sem skapar samvirkni milli sjávartækja.

Q3Á hvaða hraða keyrir NMEA 2000?

NMEA 2000 starfar á 250 kbit/s — um það bil fimmtíu sinnum hraðara en staðlað 4.800-baud NMEA 0183, og nógu hratt til að flytja leiðsögu-, vélar- og rafhlöðugögn fyrir dæmigert skip á einni baknetslínu.

Q4Geta litíumrafhlöður tengst NMEA 2000 neti?

Já. Lithium rafhlöðukerfi tengist netinu í gegnum BMS eða gátt sem sendir staðlaðar PGN-tölur rafhlöðunnar — 127508 (Staða rafhlöðu), 127506 (Ítarleg staða jafnstraums) og 127513 (Staða rafhlöðustillingar) — sem gerir samhæfum skjám kleift að sýna spennu, straum og hleðslustöðu. Útfærsluaðferðin (innbyggt viðmót eða gátt) er skilgreind fyrir hvert verkefni.

• Netfang:dalybms@dalyelec.com

Vörusíða fyrir snjallt BMS:https://www.dalybms.com/smart-bms/