基于SCADA的船舶電站遠程監控系統的設計研究

王 勇，陳庭勛，童佳俊，季小剛

（浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316000）

基于SCADA的船舶電站遠程監控系統的設計研究

王 勇，陳庭勛，童佳俊，季小剛

（浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316000）

船舶電站遠程監控系統是一種保證船舶供電安全和穩定的重要控制系統。論文設計的是結合工業以太網通信技術并且基于數據采集與監視控制系統（SACDA）的船舶電站遠程監控系統，運用先進的科學技術，實現船舶電站全天候、精準的監控，該系統還具有故障報警、數據采集、設備控制等功能。

船舶電站；遠程監控系統；SCADA

0 引言

隨著科學技術的發展，信息技術、控制技術以及自動化技術與船舶電站聯系的更加緊密，在這種背景下，船舶電站遠程監控發展迅速。而目前 SCADA系統在國內，尤其在船舶電站遠程監控系統中的應用還不夠廣泛，我國的高校、科研院所對 SCADA系統技術的研究與應用尚處于起步階段，導致 SCADA系統的技術在船舶應用上很少，應用與開發的技術并不成熟，在認識和經驗上相對薄弱，在這方面的研究和實踐還需要不斷努力。本文基于 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）設計了一種船舶電站遠程監控系統。

1 SCADA概述

SCADA[1]系統，即數據采集與監視控制系統，通常與控制設備PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器）組合使用，也可以接智能表、板卡等來使用。SCADA系統兼容性強，早期通常運行在DOS、UNIX、VMS系統中，現在多數運行在Windows操作系統中，只有少部分是運行在 Linux系統中。SCADA系統功能強大，它可以對現場運行的設備進行數據采集、控制及各類信號報警等。目前，很多行業都采用了 SCADA系統進行監控，比如電力、食品、科研、化工、醫藥等領域，尤其在電力行業，SCADA系統技術的應用最為成熟、廣泛。當前對船舶電站監控的要求是可靠性高、安全性強、經濟效益好，同時還要符合自動化與現代化要求，針對這些要求，SCADA系統對有著不可代替的作用。

2 船舶電站的組成

船舶電站系統包括電源裝置、配電裝置、電網和負載四部分[2]。

1）電源裝置。電源裝置是一種提供電能的裝置，柴油機組和蓄電池組是船舶上比較常用的兩種電源裝置[3]。

2）配電裝置。配電裝置是對電源和負荷進行計量和控制的裝置，通常配電裝置設在發電廠或者變配電所處[3]。

3）電網。電網是全船電纜電線的總稱，其作用是輸送電能、分配電能[3]。

4）負載。負載主要包括船舶上的各種機械設備、電氣設備、廚房用電設備以及其他用電設備[3]。

3 船舶電站遠程監控系統的硬件設計

可編程控制器（PLC）是一種先進的控制設備，具有功能強、可靠性高、易操作等優點，在工業領域被廣泛應用。論文船舶電站遠程監控系統中采用的是服務器與工作站的形式。

工作站中采用的是某公司的AIMC-2100-00A1E工控機，如圖1所示，每個工作站都有一個唯一的IP地址，除了工控機之外，還包括服務器、GPS、交換機、打印機，服務器使用的是戴爾Power Edge系列。

圖1 系統診斷圖

控制設備采用某公司的AC500PLC[4]，在硬件設備連接方式上 SCADA系統一般采用的是點到點方式連接到服務器上，或者采用總線方式。點到點方式的連接是通過串口（RS232）連接到服務器上，總線方式是通過RS485或以太網等方式連接到服務器上，最終實現服務器、控制器還有其他設備的連接。典型的硬件配置如圖2所示。

船舶電站中用來閉合或開斷電路的設備，一般工作在電壓等級比較高的環境下，為保護船舶電站的正常工作，則需要電力開關作保護。此系統需要用到的電力開關包括斷路器、隔離開關以及接地開關。斷路器[5]在電力系統中常常被用到，它是一種隔離高電壓大電流短路保護的開關。隔離開關是用來隔離帶電裝置或電源的一種開關電器，通常與斷路器配合使用，在實際操作時它必須要先于斷路器合閘，后于斷路器分閘。接地開關也是一種重要的保護裝置，它的作用是承載非正常條件下的電流，例如，短路電流。但是在電路正常工作的情況下不需要承載。上述提到的電力開關器件如圖 3所示，這三種設備是起到保護所在回路正常使用及安全的作用。

圖2 SCADA系統典型的硬件配置

以備用發電機監控界面為例，當船舶電站向電氣設備供電時，B1盤和B4盤上的斷路器、隔離開關及接地開關會相繼開通，為電氣設備供電。每個盤上都有電表和檢測設備，實時監控硬件設備的數據信息。在各個監控界面上可對船舶電站上相應的硬件設備進行遠程監控，實時的觀察硬件設備的數據信息，當設備運行不正常，可以很清晰的在監控界面上看到故障的位置及報警的信息。當設備重新正常穩定的工作，監控界面將會正常顯示。

圖3 備用發電機監控界面

4 船舶電站遠程監控系統的軟件設計

1）圖形界面工具

監控界面軟件采用 SCADA設計。在工具箱里運行畫面編輯器對界面進行編輯，圖形界面中每個對象作為獨立的單元，都有各自的狀態，可以通過對象的屬性進行設置。根據 SCADA系統需要實現的具體功能，此設計實現了系統診斷圖、一號和二號發電機、備用發電機監控界面、開關跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監控的功能。例如，用畫面編輯器對一號發電機和二號發電機監控界面進行編輯，所得的圖形如圖4所示。界面的最下面是系統的各個不同監控界面，點擊即可進入相應的界面。從圖中可以看到電氣設備的電流和功率參數，點擊進入即可查看更詳細的數據。考慮到船舶航行的復雜性，當一號和二號發電機出現故障，系統將調用備用發電機，備用發電機的監控界面圖如圖 3所示。其功能與兩臺常用發電機一樣，供電以帶動電動機、照明設備和其他用電設備，多余的電能儲存在蓄電池中。

圖4 一號和二號發電機監控界面

2）數據庫系統

數據庫系統[6]包括實時數據庫和歷史數據庫。

SCADA系統內部的實時數據庫不受現場設備的制約，它能夠記錄實時過程的歷史數據，在系統運行時將過程存檔，并能夠查詢歷史數據，還能夠對產生的事故進行分析等。SCADA系統的歷史數據庫工作原理是將實時數據庫中的內容以某種方式轉成歷史記錄，在查看歷史數據時則需要通過數據庫處理獲得，例如此設計中開關跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監視四個子界面中的數據信息。

3）事件及報警

為了提高整個系統的安全性，系統對各盤的溫度進行了監控，當電氣設備的溫度過高時將會報警。報警模塊能夠提供實時、準確的報警信息提示操作人員，報警模塊從實時數據庫讀取數據，將處理的結果以事件方式寫入歷史報警記錄。例如溫度監視界面如圖5所示。

圖5 溫度監視圖

事件處理功能可以記錄系統中各種狀態的變化和其他活動情況，例如用戶登陸、注銷、站點啟動、參數修改等。

監控界面包括 9個子界面，分別是系統診斷圖、一號發電機、二號發電機、備用發電機、開關跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監視。點擊按鈕即可進入相應的界面，當點擊開關跳脫記錄按鈕，即可查看相應的開關通斷情況。開關跳脫記錄界面如圖6所示。

圖6 開關跳脫記錄

5 總結

論文對 SCADA系統進行了詳細的介紹，包括SCADA系統的技術應用背景、概述、船舶電站結構組成，系統硬件和軟件設計。重點介紹了SCADA系統的監控界面，整個界面由系統診斷圖、一號發電機、二號發電機、備用發電機、開關跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監視組成。SCADA系統在電站監控中具有獨特的優勢，其數據采集范圍的距離很遠；數據采集站點數量多；實時性高；硬件介質兼容能力強；現場模塊（RTU）靈活，且適用于惡劣環境。綜合考慮多方面的因素，論文設計的SCADA系統對船舶電站供電的安全性、可靠性及穩定性具有很好的實際應用效果。

[1] 顏志斌. 基于 SCADA的宿遷中油運河油庫罐區監控系統設計[D]. 四川: 電子科技大學, 2011.

[2] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監控系統的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2009.

[3] 劉國平. 船舶電氣與通信[M]. 北京: 海洋出版社,2010.

[4] 袁任光. 可編程控制器選用手冊[M]. 北京: 機械出版社, 2002.

[5] 電力開關的職能和分類[OL]. 成套電氣論壇,www.59ct.cn, 2013.

[6] 宋新航. SCADA系統設計與實現[D]. 天津: 天津大學, 2007.

Design of the Remote Monitoring of Marine Power Station Based on SCADA

WANG Yong, CHEN Ting-xun, TONG Jia-jun, JI Xiao-gang
(Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhejiang Zhoushan 316000,China)

The remote monitoring system of marine power station is an important system that it is to keep the security and stability. The thesis has designed a marine power automation system based on supervisory control and data acquisition (SCADA) that combining Ethernet network-communication.Using advanced science technology, the system is not only to monitor and control the work of marine power station on real-time and accurately, but also to have such functions as fault alarm, data acquisition, device control and so on.

marine power station; remote monitoring system; SCADA

U665.12

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.022

王勇（1990-），男，碩士研究生在讀，從事船舶電氣與自動化研究。