船艇動力設備遠程監測與報警系統的設計

江 濤,段黎明,鄧子輝

(1.重慶大學ICT研究中心，重慶 400030; 2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400030)

船艇動力設備遠程監測與報警系統的設計

江 濤1,2,段黎明1,鄧子輝1,2

(1.重慶大學ICT研究中心，重慶 400030; 2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400030)

針對國內傳統儀器監測信號和現場監測在功能和顯示方面的不足，采用VB可視化建模、數據庫、傳感器、無線網絡通信等技術，設計開發了船艇動力設備遠程監測與報警系統。該系統采用模塊化的設計方法，分別進行硬件和軟件設計，主要對船艇的主推進機組和柴油發電機機組的運行狀態進行綜合監測與報警。試驗結果表明，該系統不僅可以滿足對船艇動力設備的實時監測與報警的要求，而且為后續故障預測與診斷提供了充分的數據信息，具有實際應用價值。

船艇；動力設備；遠程監測與報警

0 引 言

確保船艇隨時處于適航狀態對保障船員的生命安全和支持國家經濟建設具有重要的意義，而船艇動力設備的穩定運行是保證船艇正常工作的前提。盡管船艇工作人員在解決故障方面有一定的經驗，但遠不能滿足使船艇時刻處于正常工作狀態要求。隨著科學技術的發展，船艇動力設備監測與報警技術越來越受到人們的關注，國外和國內的許多科研工作人員都開始對這一領域進行深入的研究。

國外對于船艇動力設備監測與報警系統的研究起步較早[1-4]，也較為先進，目前國內對此領域的研究與國外相比仍有相當大的差距[5-9]，主要表現在：監測方法單一，監測對象簡單，報警功能不足，無法進行全面監測與綜合診斷。然而，我國船舶事業的飛速發展給船艇監測自動化方向提出了新的要求。因此，開展船艇動力設備監測與報警系統的研究具有十分重要的意義。

本文以長江航道局某航道維護船艇為研究對象，設計開發了船艇動力設備遠程監測與報警系統，對其主推進機組和柴油發電機組進行實時監測與及時報警，不僅有利于船員與岸上指揮人員掌握船艇的當前運行狀態，而且為后續的故障預測與診斷提供重要的數據信息。

1 系統的總體結構與工作原理

船艇動力設備遠程監測與報警系統的目的是反映船艇動力設備各項運行數據，對異常的設備狀態信息進行及時報警，存儲相應的運行數據與報警信息，并且將船艇的運行數據實時發送至遠程監測中心，供遠程工作人員對其進行指揮和操作。圖1為船艇動力設備遠程監測與報警系統的總體設計方案。

圖1 系統總體設計方案Fig.1 Overall system design

船艇動力設備遠程監測與報警系統主要由信號源、信號采集、信號預處理、數據處理與分析、數據無線傳輸、遠程接收與處理等6部分組成。其工作原理主要分為2個流程：1)通過安裝在機械設備監測點上的傳感器進行信號采集，將采集到的數據信息傳輸到工業控制模塊中預處理后，輸入工控機中由軟件系統對信號進行分析，實時顯示與存儲，并根據給定的報警閥值進行相應的報警。2)將現場監測軟件系統處理過的數據信息進行打包，通過GPRS無線網絡發送至遠程監測計算機，由遠程監測軟件系統對數據進行解析、顯示與存儲。

2 系統監測對象和參數分析

2.1 系統監測對象

船艇動力設備遠程監測與報警系統的監測對象為長江航道局的某航道維護船艇。其主要的動力設備分為以下2個部分：

1)主推進機組為VOLVO發動機有限公司生產的D7AT型柴油機，如圖2所示。

2)柴油發電機組為美國奧南動力公司生產的MDKBR-7230758型柴油發電機，如圖3所示。

圖2 左主推進機組Fig.2 Left main propulsion unit

圖3 柴油發電機組Fig.3 Diesel generator set

2.2 系統參數分析

船艇動力設備遠程監測與報警系統的監測參數主要包括左右主推進機組和柴油發電機組的常規熱力學參數，如柴油機的瞬時轉速、滑油溫度、滑油壓力、冷卻水溫以及運行與報警信號等。該系統的詳細監測參數如表1所示。實時采集上述參數，并將其引入船舶動力設備遠程監測與報警系統中處理分析，實時顯示設備當前狀態。

表1 系統詳細監測參數

3 硬件系統設計

圖4 系統硬件組成圖Fig.4 Composition diagram of the system hardware

船艇動力設備遠程監測與報警系統的硬件系統主要由以下4部分組成(見圖4)。

1)傳感器

根據測量對象的特點、測量環境以及傳感器的使用條件，轉速傳感器選擇選用磁電式轉速傳感變送器，壓力傳感變送器選用壓電式傳感變送器，溫度測量選用熱敏電阻傳感變送器。這3種傳感器均安裝在左右推進機組與柴油發電機組機體的預留接口上，能夠獲得準確的瞬時轉速、溫度與壓力信號，為后面的狀態監測與報警奠定基礎。

2)數據采集與處理系統

本系統中，數據采集分為監控室采集和機艙現場終端采集2部分。

監控室中主要是對集控臺中的運行信號進行采集，該信號主要為開關量信號，選用的是研華ADAM-4051，該模塊提供16路隔離數字量輸入通道，并且輸入支持干接點和濕接點。

機艙現場終端的模擬量輸入模塊、測頻模塊和485/232轉換模塊分別選用研華ADAM-4117、研華ADAM-4080、研華ADAM-4520。ADAM-4117帶Modubs的8路差分輸入通道，傳輸距離1 200 m，采用RS485，2線數字接口。ADAM-4080計數器/頻率輸入模塊有2個32位計數器，其中的嵌入式可編程定時器用于頻率測量。ADAM-4520是有源的RS232 到RS422/485 的轉換器、自動識別信號流向實現485和232的雙向轉換，且信號端具有3000VDC 隔離保護。

3)工控機

工控機選用的是研華IPC-6606系列。該工控機具有抗震性，散熱性能強，能夠在比較惡劣的環境下工作。另外，在工控機中，可以進行數據的實時顯示、保存以及對監測點提取特征信號等，完成系統監測和診斷。

4)無線傳輸系統

無線傳輸系統選用GPRS無線網絡，其接口框圖如圖5所示。

圖5 數據采集終端硬件組成圖Fig.5 Data collection terminal hardware components diagram

無線傳輸模塊選用成都眾山科技有限公司生產的ZSD31系列GPRS DTU。它基于移動通信網絡，針對工業監測、交通管理和金融等行業的數據通信的應用而開發。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復雜網絡協議和SOCKET插口標準，提供全透明數據傳輸和用戶自由控制傳輸2種模式。同時支持點對點、點對多點、設備間、設備與中心間等各種不同的通訊模式。

4 軟件系統設計

船艇動力設備遠程監測與報警系統軟件系統采用模塊化的設計思想，是在VB編程語言平臺下進行開發設計的，由主推進機組和柴油發電機組兩大主要系統，信號采集與處理、數據的實時存儲、查詢與打印、主推進機組與柴油發電機組的監測、數據的遠程傳輸等4大模塊組成。系統的軟件結構如圖6所示。

圖6 系統軟件框圖Fig.6 The block diagram of the system software

軟件系統根據4大模塊相應的功能設計成當前數據監測、報警值設定、數據查詢打印、數據走勢顯示、船舶動態數據、機務管理系統等6個顯示界面。其中當前數據監測界面包括左右主推進機組和柴油發電機組的所有運行參數和運行報警指示，數據查詢打印界面具有查詢和打印歷史運行記錄等功能，數據走勢顯示界面能夠顯示一段時間之內左右主推進機組與柴油發電機組的全部熱力參數走勢曲線，報警值設定界面用于設定相關報警的閥值。

4.1 信號采集與處理模塊

工控機與數據采集模塊之間使用標準的RS232口進行數據的傳輸，利用VB提供的MSComm控件進行串口設置，對信號采集模塊寫入讀數據命令，從而接收來自由信號調理模塊預處理過后的設備運行參數。從串口接收到的數據信息根據傳感器的線性關系進行換算過后，得到當前設備的運行參數，顯示在軟件的界面中。

4.2 數據的實時存儲、查詢與打印模塊

數據的存儲與查詢功能需要用到數據庫技術。首先，需進行數據庫的選擇，系統數據庫采用的是目前主流的MySQL數據庫，該數據庫屬于輕量型數據庫，方便輕小，容量較小，但是仍能完成絕大多數的應用場合是程序設計階段最好的試驗型數據庫；其次，建立系統數據庫，并在系統數據庫中創建6張表，分別用于存儲左右主推進機組和柴油發電機組的實時運行數據與報警記錄；最后，連接數據庫，對數據庫進行寫入、讀取與打印操作。

4.3 主推進機組與柴油發電機組的監測

主推進機組與柴油發電機組的實時狀態的顯示。主要對主推進機組的常規熱力參數進行實時監測與報警指示，柴油發電機組除常規熱力參數外，還對輸出電壓與電流進行數字顯示。

4.4 數據的遠程傳輸

無線通信網絡選擇GPRS網絡，該網絡具有傳輸信息量大、速度快、實時性強等特點[10-14]。通過GPRS無線網絡與監控中心計算機建立無線網絡連接，選用ADSL數據通信作為監控中心的接入方式。監控中心計算機直接與互聯網相連，采用TCP/IP通信協議，安全可靠準確性高，能夠及時獲知傳輸的成功與失敗，并且具有斷點續傳功能。其實施圖如圖7所示。

圖7 遠程數據傳輸實施圖Fig.7 Implementation of remote data transmission diagram

5 系統的試用測試與結果

船艇動力設備遠程監測與報警系統已在長江航道局某航標船試用，圖8為該船的某瞬時監測數據。圖中顯示的當前監測數據包括了左右主推進機組與柴油發電機組的瞬時轉速、常規熱力參數以及運行報警指示等，將監測系統所得數據與船艇儀器所測數據對比，可以看出系統所測數據準確可靠，且界面生動形象。圖9為歷史記錄的查詢與打印界面，可以查詢數據庫存儲的歷史數據，方便工作人員查看船艇的歷史運行狀態。圖10為某瞬時船艇左右主推進機組與柴油發電機組的瞬時轉速與熱力參數的數據走勢，該走勢為1 min之內的數據走勢狀況，數據走勢圖更好的為工作人員判斷動力設備故障發生的時間與位置。

圖8 某瞬時當前數據監測Fig.8 A transient current data monitoring

圖9 某瞬時歷史記錄查詢Fig.9 A transient history query

圖10 某瞬時數據走勢顯示Fig.10 An instantaneous data trend shows

6 結 語

船艇動力設備遠程監測與報警系統利用現代監測技術對船艇動力設備的各項參數進行全面監測，使用無線通信技術將設備運行狀況及時發送至遠程監測中心，清晰地展現了設備的實時運行狀態。采用數據庫技術存儲監測數據，方便歷史數據的查詢，經試用測試后表明，系統的人機界面友好，監測對象全面，具有實時性好，穩定性、可靠性與擴展性強，開發成本低等特點，本文所展示的技術方案很好的實現了船艇的現場監測與遠程監測，對船艇航行的安全起到了重要的作用。

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A design of remote monitoring and alarm system for power equipment of ship

JIANG Tao1,2,DUAN Li-ming1, DENG Zi-hui1,2

(1.ICT Research Center,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

Against to the lack of features and display for the domestic traditional instrument to monitor signals and on-site monitoring，using VB visual modeling, databases, sensors, wireless network communication technology, design and development of a the boats power equipment remote monitoring and alarm system. The system uses a modular design method，then designing a system of hardware and software respectively. The system mainly comprehensive monitor and alarm the running state of main propulsion units and diesel generator sets of ship. The test results show that the system not only to meet the requirements of real-time monitoring and alarming the power equipment of ship，but also can provide sufficient data for the subsequent failure prediction and diagnosis. The system has a practical application.

ship;power equipment;remote monitoring and alarm

2013-03-01；

2013-04-09

江濤(1988-)男，碩士研究生，主要從事智能監測與計算機協同監控，設備故障診斷等方面的研究。

TP271

A

1672-7649(2014)07-0119-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.025