Објаснување на протоколот NMEA 2000: Како морските мрежи споделуваат податоци

Прошетајте по пристаништата на која било модерна марина и ќе најдете бродови каде што картплотерот ги прикажува податоците за моторот, автопилотот го чита сензорот за ветер, а батеријата ја пријавува својата состојба на полнење на екранот на кормилото - сето тоа преку еден кабел што поминува низ трупот. Технологијата зад таа интеграција е NMEA 2000®, комуникацискиот протокол што стана вообичаен јазик на морската електроника.

Ова упатство објаснува како всушност функционира протоколот NMEA 2000: мрежата на која работи, системот за пораки што го користи, како уредите се приклучуваат на мрежата и што е потребно за да учествува систем на литиумски батерии. Без разлика дали планирате реновирање на електроника или специфицирате комуникациски барања за проект за OEM батерии, разбирањето на протоколот е првиот чекор кон систем каде што сè комуницира со сè друго.

Што е NMEA 2000?

NMEA 2000 е стандардизиран комуникациски протокол кој им овозможува на поморските електронски уреди - дисплеи, сензори, мотори и системи на батерии - да споделуваат податоци преку една мрежа. Развиен од Националното здружение за поморска електроника, тој е изграден на технологијата CAN bus (Controller Area Network - мрежа на контролери) и им овозможува на опремата од различни производители да разменуваат информации без прилагодено поврзување помеѓу секој пар уреди.

NMEA 2000® е регистрирана трговска марка на Националното здружение за морска електроника (NMEA), тело со седиште во САД кое развива и одржува стандарди за морска електроника. Протоколот дефинира нискобуџетна, двонасочна мрежа со повеќе предаватели и повеќе приемници: секој сертифициран уред може да испраќа и прима податоци, мрежата се конфигурира сама и нема централен контролер од кој зависи сè.

Последната поента е поважна отколку што звучи. На NMEA 2000 мрежа, ако еден уред откаже, останатите продолжуваат да комуницираат. Споредете го тоа со постарото поврзување од точка до точка, каде што еден инструмент често се наоѓал во средината на синџирот на податоци - и кога тој инструмент откажувал, секој уред, во зависност од неговите податоци, се исклучувал.

Во пракса, сопствениците на чамци и градителите го користат NMEA 2000 за да ги стават податоците за навигација, параметрите на моторот, нивоата на резервоарот, сензорите за животната средина и - сè повеќе - податоците за батеријата на една заедничка мрежа, видлива од кој било компатибилен екран на бродот.

NMEA 2000 наспроти NMEA 0183: Што се промени

Пред NMEA 2000, морската електроника се користеше преку NMEA 0183, сериски протокол воведен во раните 1980-ти. NMEA 0183 сè уште се наоѓа на многу бродови, а разбирањето на разликата објаснува зошто индустријата продолжила понатаму.

NMEA 0183 е сериски протокол од точка до точка. Еден уред - „зборувачот“ - пренесува ASCII текстуални реченици со 4.800 бауди (варијанта со голема брзина од 38.400 бауди беше додадена подоцна, главно за податоци за следење на AIS бродови) до еден или повеќе „слушатели“. Слушачот може да прима само од еден зборувач, па затоа поврзувањето на многу инструменти значеше мултиплексери, бафери и дијаграми за поврзување што стануваа сè потешки со секој додаден уред.

NMEA 2000 го замени тој модел со вистинска мрежа:

Функција	НМЕА 0183	НМЕА 2000
Архитектура	Точка-до-точка, еден говорник → слушатели	Мрежа со повеќекратни прекини, сите уреди зборуваат и слушаат
Физички слој	Сериски (сигнализација во стилот на RS-422/RS-232)	CAN магистрала, диференцијален извиткан пар
Брзина	4.800 бауди (варијанта со голема брзина од 38.400)	250 kbit/s
Формат на податоци	ASCII текстуални реченици (максимум 82 знаци)	Компактни бинарни рамки
Меѓународен стандард	IEC 61162-1	IEC 61162-3
Додавање уред	Ново поврзување, можен мултиплексер	Спуштете го кабелот до мрежната мрежа
Однесување кон неуспех	Неуспехот на зборувачот го прекинува синџирот	Мрежата продолжува без неуспешниот јазол

Двата стандарди не се компатибилни. Инструмент NMEA 0183 не може директно да се приклучи на мрежа NMEA 2000; мешаните инсталации бараат уред за премин кој преведува помеѓу двата. За нови конструкции и реновирања, NMEA 2000 е стандардниот избор - поради што системите за батерии дизајнирани за поморска употреба сè повеќе треба да го зборуваат.

Како функционира протоколот: CAN магистрала и PGN

Под хаубата, NMEA 2000 е изграден на Controller Area Network (CAN) - истата технологија на магистрала докажана со децении во автомобилските и индустриските системи - која работи со брзина од 250 kbit/s. Она што NMEA 2000 го додава покрај суровиот CAN е стандардизиран слој на апликацијата, силно под влијание на SAE J1939 (семејството на комуникациски протоколи што се користи во камиони и тешки возила): споделен речник што му кажува на секој уред што всушност значат бајтите на жицата.

Тој вокабулар е организиран воБроеви на групи на параметри (PGN)Секој PGN е дефиниран тип на порака: еден PGN ја носи GPS позицијата, друг ја носи вртежите на моторот, а друг ја носи длабочината на водата. Пораките патуваат како CAN рамки користејќи 29-битен идентификатор и 8-бајтно поле за податоци; поголемите пораки се поделени на повеќе рамки и повторно се составуваат од страна на приемникот. Бидејќи секој сертифициран уред ги толкува PGN-ите на ист начин, дисплејот Garmin може да чита податоци од портал за мотор на Yamaha и сензор за резервоар од трета страна без ниту еден од тие производители да се координира едни со други.

За батериски системи, одредена група на PGN ја извршува работата:

• PGN 127508 – Статус на батеријата: напон, струја и температура за инстанца на батерија
• PGN 127506 – Детален статус на DC: состојба на полнење, здравствена состојба и преостанато време
• PGN 127513 – Статус на конфигурација на батеријата: номинален напон, хемија и информации за капацитет

Алармните и предупредувачките услови се пренесуваат одделно, преку стандардизираните пораки за предупредување на мрежата (PGN 126983) - на тој начин дефектот на батеријата станува видливо, звучно предупредување на кормилото, наместо тивко знаме во пакетот.

Кога систем за управување со батерии (BMS) или батериски портал ги пренесува овие PGN на мрежата, секој дисплеј на плочата што ги поддржува овие PGN може да го прикаже напонот на пакетот, потрошувачката на струја и состојбата на полнење - без додавање посебен екран за следење на батеријата на кормилото. На секоја батерија ѝ е доделен број на инстанца, по што мрежата ја разликува домашната батерија од почетната батерија и ги прикажува одделно.

Овој PGN слој е точната точка каде што електрониката на литиумските батерии се среќава со морската електроника и таму проектите за интеграција успеваат или застојуваат. BMS кој мери сè, но не пренесува ништо, става прецизни податоци на место каде што никој не може да ги види; BMS кој ги имплементира PGN на батериите ги прави тие податоци дел од бродот.

NMEA 2000 мрежна архитектура

Физички, NMEA 2000 мрежата следи едноставна и ригидна топологија - а ригидноста е карактеристика бидејќи ги прави мрежите предвидливи.

[ОРИГИНАЛЕН ДИЈАГРАМ ТУКА — мрежна топологија што ги прикажува мрежните мрежи, терминаторите, каблите за одвод и уредите, вклучувајќи MFD, портал за моторот, сензори и литиумска батерија со BMS. Алтернативен текст: „NMEA 2000 мрежен дијаграм со систем на батерии поврзан преку кабел за одвод“]

Мрежата е изградена од четири елементи:

'Рбетоте главниот кабел што поминува низ бродот. Секој уред се поврзува со него; ниеден уред не се поврзува директно со друг уред.

Терминални отпорницикапак на двата краја од мрежниот столб. Сигнализација на CAN магистралата бара завршување на секој крај од мрежниот столб за да се спречат рефлексии на сигналот - недостасувачки или двоен терминатор е честа причина за неправилно работење на мрежата.

Кабли за спуштањеповрзете го секој уред со мрежниот столб преку Т-конектори. Стандардот ги дефинира максималните должини и за мрежниот столб и за поединечните падови, што го одржува времето на сигналот во рамките на спецификацијата како што мрежите растат.

Мрежна моќностсе испорачува преку самата мрежа. Каблирањето NMEA 2000 носи сопствено напојување за мрежните интерфејси на поврзаните уреди, одвоено од главните DC оптоварувања на бродот.

Уредите користат стандардизирани 5-пински конектори (најчесто Micro-C) на заштитен кабел со изопачени парици, користејќи диференцијална сигнализација за имунитет на бучава - значајна предност во средина полна со алтернатори, инвертори и радио предаватели.

За инсталација на батерии, оваа архитектура има една практична импликација што вреди да се планира рано: комуникацискиот интерфејс на батеријата има потреба од кабелска рута до ‘рбетниот столб, а мрежите со повеќе батерии имаат потреба од конфигурирани броеви на инстанци така што секоја банка се појавува како посебен извор на дисплеите.

Кои уреди се поврзуваат со NMEA 2000 мрежа

Речиси секоја категорија на морска електроника сега се испорачува со NMEA 2000 конекција:

Мултифункционални дисплеи (MFD)се потрошувачи на мрежни податоци — картплотерите и инструменталните дисплеи од главните брендови за морска електроника ги читаат PGN-ите и ги презентираат на операторот. На повеќето бродови, MFD е местото каде што податоците за батеријата на крајот се гледаат.

Портали на моторотпреведувајте ги сопственичките податоци за моторот на мрежата, ставајќи ги вртежите во минута, протокот на гориво и алармите на моторот на истите дисплеи како и сè друго.

Сензори— длабочина, ветер, GPS, температура, ниво на резервоар, проток на гориво — се производители на податоци на мрежата, при што секој од нив пренесува свој PGN сет.

Автопилоти и радио уредии двата трошат навигациски податоци и, во случај на VHF радио станици со DSC (дигитално селективно повикување), користат мрежни GPS податоци за повици за помош.

Батерија и уреди за напојувањесе најбрзо растечката категорија. Мониторите за батерии, шантовите, мерачите за енергија со еднонасочна струја и системите за литиумски батерии со BMS електроника способна за комуникација ја пренесуваат групата PGN на батериите опишана погоре, претворајќи го екранот на кормилото во екран за управување со енергија. Како морските екрани ги читаат и толкуваат податоците од литиумските батерии е доволно длабока тема за да ја опфатиме во посебен водич.Како морската електроника ги чита податоците од литиумските батерии →

Доколку оценувате литиумска батерија за брод, комуникациските можности спаѓаат во листата за проверка заедно со капацитетот и оценките за празнење - нашиот водич за избор на морски литиумски батерии опфаќа како да се спореди со остатокот од спецификацијата.Водич за избор на морски литиумски батерии →

Сертификација и усогласеност

Еден аспект на NMEA 2000 што ги изненадува многу купувачи: не е отворен протокол „користи го како и да е“. NMEA 2000 е лиценциран стандард и сите производи што читаат или пренесуваат податоци од NMEA 2000 мора да бидат сертифицирани според Договорот за лиценца на NMEA 2000 (извор:НМЕА). Тестирањето за сертификација може да го изврши производителот користејќи ги алатките за сертификација на NMEA или од трета страна, а надоместоците за лиценцирање на стандардот се поделени по индустрија.

Сертификацијата постои од практична причина: таа е она што го прави реално ветувањето за интероперабилност „секој уред, секоја марка“. Сертифициран уред покажа дека правилно ги пренесува задолжителните пораки, правилно реагира на барањата за управување со мрежата и не го прекинува сообраќајот за сите други.

За градителите на OEM и системските интегратори, ова има последица од планирањето. Кога систем на батерии способен за комуникација е дизајниран во брод, сертификацијата е дефиниран чекор во патот на производот - со документирани барања за тестирање на хардвер и софтвер - а не дополнителна мисла. Кој што сертифицира и на кое ниво од готовиот производ, е прашање што треба да се реши рано во проектот. Во нашиот водич за OEM интеграција, ќе разгледаме како OEM тимовите обично се справуваат со комуникациската интеграција и патот на сертификација.Како производителите на оригинална опрема (OEM) ја интегрираат комуникацијата NMEA 2000 →

NMEA 2000 и системи со литиумски батерии

Литиумските железен фосфатни батерии (LiFePO4) го променија она што можат да го прават морските електрични системи - поголем употреблив капацитет, побрзо полнење и - преку електрониката за управување со батериите што ја носат - многу повеќе податоци на бродот. Но, тие податоци создаваат вредност само кога ќе стигнат до операторот, а на брод со мрежна електроника, најдиректниот пат до операторот е мрежата NMEA 2000.

Системот на литиумски батерии учествува во мрежата преку својот BMS или преку комуникациска порта што ги преведува BMS податоците во стандардните PGN на батериите. Откако ќе се поврзете на мрежата, состојбата на полнење се појавува на картплотерот, условите со низок напон активираат аларми на кормилото, наместо тивко во преградата за батерии, а повеќе банки може да се следат една до друга преку нивните броеви на инстанци.

За проекти за батерии по нарачка и OEM, комуникациските барања заслужуваат иста строгост како и електричните барања. Прашањата што го одредуваат успехот на интеграцијата се специфични: Кои PGN мора да ги пренесе системот? Колку инстанци на батерии ќе работи бродот? Дали проектот бара нативна мрежна конекција или архитектура на портал? Дали сертификацијата се обработува на ниво на батерија или на ниво на систем на брод?

Инженерскиот тим на DALY поддржува интеграција на комуникација NMEA 2000 за проекти за морски батерии, со достапно прилагодување на протоколот според барањата на проектот. Доколку планирате проект за литиумски батерии по нарачка, споделете го типот на вашиот брод, конфигурацијата на батеријата и податоците што вашите дисплеи треба да ги прикажат во фазата на RFQ (барање за понуда) - нашиот инженерски тим ќе одговори со препорака за шема за комуникација и понуда. Дефинирањето на PGN множеството, конфигурацијата на инстанцата и патеката за сертификација рано е разликата помеѓу интеграција што се поставува и онаа што се редизајнира при морско тестирање.

Често поставувани прашања

Q1На што се базира протоколот NMEA 2000?

NMEA 2000 е изграден на CAN (Controller Area Network) технологијата на магистралата, со стандардизиран слој за морски апликации под влијание на SAE J1939. CAN основата ја обезбедува физичката мрежа и справувањето со грешки; слојот NMEA 2000 дефинира што значат пораките.

Q2Дали NMEA 2000 е исто што и CAN bus?

Не. CAN магистралата е основната мрежна технологија; NMEA 2000 е комплетен протоколски стандард изграден врз неа. Два уреди можат да користат CAN, а сепак да не можат да се разберат еден со друг - дефинициите на PGN пораките на NMEA 2000 се она што создава интероперабилност помеѓу морските уреди.

Q3Со која брзина работи NMEA 2000?

NMEA 2000 работи со 250 kbit/s - приближно педесет пати побрзо од стандардниот NMEA 0183 од 4.800 бауди и доволно брз за да пренесува податоци за навигација, мотор и батерија за типичен брод на една мрежа.

Q4Дали литиумските батерии можат да се поврзат со NMEA 2000 мрежа?

Да. Систем на литиумски батерии се приклучува на мрежата преку BMS или портал што ги пренесува стандардните PGN на батериите - 127508 (Статус на батеријата), 127506 (Детален статус на DC) и 127513 (Статус на конфигурацијата на батеријата) - дозволувајќи им на компатибилните дисплеи да прикажуваат напон, струја и состојба на полнење. Пристапот за имплементација (матичен интерфејс или портал) е дефиниран по проект.

• Е-пошта:dalybms@dalyelec.com

Страница на производот Smart BMS:https://www.dalybms.com/smart-bms/