基于IoT的船舶電能質量監測系統的開發

摘要：電力推進船舶系統具有環保節能、動力系統容量大、系統復雜等特點。如果能夠利用物聯網技術為船舶電力推進系統設計一個良好的遠程電能質量監測系統，對提高船舶航行安全具有重要意義。該設計基于物聯網監測裝置，可實現船舶電力推進系統的電力參數監測和電能質量檢測分析，并實現故障報警。

關鍵詞：物聯網;電能質量;監視系統

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0038-02

隨著國際海事組織（IMO）對船舶排放標準越來越嚴格以及石油資源的逐漸枯竭，內燃機將逐漸退出歷史舞臺，綠色電力推進系統將成為未來船舶動力發展的方向。船舶電力推進是現代船舶發展的趨勢，其監控系統在船舶綜合管理系統中尤為重要。

然而，傳統的監控裝置無法反映船舶電力系統復雜多樣的運行狀態。電力故障的復雜性、隨機性和不可預測性要求監控系統實時捕捉電力參數的變化并有效傳遞預警信息。其次，傳統的船舶監控設備全部是有線電纜傳輸，從位置獲取電力參數受環境限制，一旦傳輸電纜出現故障，故障排除比較麻煩。另外，傳統船舶只能在駕駛室中獲取實時參數，無法防止因引航員失職和現場儀表設備故障獲取實時參數信息失敗而引發的事故，導致有不幸的人員傷亡和巨大的財產損失。

該系統可在大船內部固定范圍內鋪設WiFi中繼器，可實現全船無線網絡覆蓋，隨時隨地實現船內電力參數信息采集。使用的WiFi路由器是一款抗干擾能力強、丟包率低的強信號路由器，可以實現實時準確的遠程數據傳輸。本設計可實現電能質量參數的實時有效采集、記錄和分析，可有效提高操作人員的工作效率，降低能耗，減少故障的發生，對船舶安全運行具有重要意義。

1 系統設計

本產品采用兩臺智能電力參數表和PLC，可實現對整個系統內電能質量和電力可靠性的集中連續監測，反映諧波含量、電壓閃變和擾動、頻率偏差、不平衡、功率因數等實時多種形式，并進行相關評估分析，并可實現超限報警功能。系統同時記錄相關數據，顯示趨勢圖并生成報告。

電力推進系統監控裝置現場監控層采用RS-485串口通訊，系統管理層采用基于tcp/ip的工業以太網通訊。測量儀具有RS-485通訊接口，可與網關連接。數據采集??完成后，通過網關進行數據接收、數據傳輸和狀態判斷。經過網關轉換，通過Modbus tcp/ip協議與交換機連接，將數據和狀態上傳到管理層。通過現場總線技術和以太網技術可以實現系統三層設備之間的實時通信和數據共享，實現對整個系統運行狀態的實時監控。將無線路由器連接到交換機，外接工控電腦和數據掌上電腦可以通過連接無線WiFi讀取電源參數，通過鋪設無線中繼器，可以實現全船無線覆蓋。

Matlab軟件用于設計開發用戶圖形界面，分為啟動界面、電網側界面和負載側界面。電網側界面和負載側界面顯示儀表寄存器中記錄的幾乎所有重要參數，如電壓、電流、不平衡度、thd、基波幅頻和相角、最大值/最小值等，主要實時顯示這些帶有數字標簽的參數，有的還設置有上下限顏色識別。當超過限值時，故障報警框顯示為紅色，方便監控人員在畫面中獲取整個系統的重要參數信息。

無線手持終端的設計開發可以通過連接船舶內部的WiFi中繼器，隨時隨地讀取PLC寄存器內部參數，可實時檢測電壓、電流、不平衡、thd、基波幅頻、相角等重要參數，可使用SD卡保存歷史數據記錄，在工控機終端打開fault.csv文件查看。發生重大故障時，蜂鳴器發出警告聲，LED燈閃爍報警，并可根據不同類型的故障發出不同的聲光報警。

2 系統實現

2.1 系統總體構架

電力推進船舶電能質量監測裝置監測系統由觸摸屏、戴爾工控機、網關、交換機、Modicon m340 PLC、pm850電力參數測量儀、ion7650電能質量監測裝置、ATV61變頻器等組成。系統使用電動機為電力驅動裝置。模擬儀表、pm850電參數測量儀和ion7650監測裝置用于獲取和顯示電力系統電網側和負荷側的各種參數。采用PLC和變頻器控制電機慢啟動、變頻調速、控制模式無干擾切換等功能，工控上位機采用MATLAB軟件繪制用戶圖形界面，對電能質量進行監測和分析整個系統的實時信息。LCD手持終端采用STM32F103開發板顯示和記錄重要參數并發出聲光報警。

2.2 感知層技術

該裝置的傳感層主要采用pm850和ion7650兩款智能電力參數測量儀，分別帶有電壓傳感器和電流互感器，分別測量船網側和負載的參數。

Pm850是一款基于真有效值的測量儀器，可精確測量高度非線性負載和63次諧波的真有效值。Pm850 支持同時監測多達 50 個測量值并隨時更新最新值。Pm850具有RS-485串行通訊接口，可集成到船舶電力推進監控系統中。Pm850具有實時測量、功率分析、功率讀數等功能。系統采用pm850實現以下功能：監控電網側常規電力參數; 電網側電力系統故障監測; 對電網側電能質量進行評估。

Ion7650可以非常準確地記錄數據，包括電壓、電流、功率和千瓦時的有效測量值。它還具有先進的電能質量測量和電能質量標準驗證功能。就本設計的監測裝置的應用而言，ion7650和pm850的區別在于pm850只能監測50Hz或60Hz的系統，而ion7650沒有這種限制，所以使用ion7650監測逆變器的輸出端Ion7650不僅具有瞬時測量和電能讀數功能，還具有突降/突升和瞬態捕捉功能。系統采用Ion7650實現以下功能：監控負載側常規電力參數、負載側電力系統故障監測、評估負載側電能質量。

2.3 傳輸層技術

在現場監控層，pm850和ion7650采用RS-485串口通訊，通過網關轉換通訊協議。上層設備網關、PLC和RJ-45端口可通過普通網線實現以太網通訊。路由器與交換機相連，工控機與手持終端通過連接WiFi即可實現無線網絡通訊。

該設備采用基于Modbus協議的分布式現場總線監控系統，定義了一個獨立于基本通信層的簡單協議數據單元（PDU）。特定總線或網絡上的 Modbus 協議映射可以將一些附加字段引入應用程序數據單元 （ADU）。

M340 PLC作為主站通過ADDM和read_Var實現從從站讀取數據。ADDM 的作用是將從設備的地址格式轉換成六個單精度整數的數組，作為數據讀取功能塊read_Var 地址輸入。

Atk-esp8266 是一款高性能 UART WiFi 模塊。它使用LVTTL與MCU（或其他串口設備）通信，并內置TCP/IP協議棧，可以實現串口和WiFi之間的轉換。通過atk-esp8266模塊，傳統的串口設備只需要簡單的串口配置，就可以通過網絡（WiFi）傳輸自己的數據。該模塊作為無線WiFi STA，用于連接無線網絡，實現串口與其他設備之間的無線（WiFi）數據轉換和相互傳輸。

2.4 軟件開發技術

為了通過網絡在PC機上實現對船舶電力系統電能質量的遠程監控、分析和報警，本系統采用MATLAB軟件設計了用戶圖形界面，可以在現場儀表上更加清晰直觀地獲取電力參數。

系統通過調用matlab函數“TCP/IP”配置IP地址和端口號，實現上位機與現場設備PLC的通訊。數據通過Modbus TCP/IP通訊協議讀取，數據按照Modbus數據幀格式傳輸。獲取參數值后，對需要的參數進行處理，通過Matlab GUI繪制所需的顯示變量名、數據顯示框和圖形等屬性，實現數據顯示框和圖形需要配置變量地址，編輯變量處理m文件程序。

主界面可以配置路由器連接的現場層設備的PLC的IP地址，配置通信端口502，完成上位機與現場設備的通信配置。歡迎界面有網絡側或負載側實時數據選項。用戶可根據當前需求選擇參數界面進行觀察。

電網側集中數據監控界面顯示pm850儀表寄存器中記錄的所有重要參數，如電壓、電流、不平衡度、thd、基波幅頻和相角、最大值/最小值等，這些參數主要實時顯示時間通過數字標簽，有的設置有上下限顏色標識，超過正常范圍報警。同時，折線圖能顯示電壓電流，直方圖能顯示諧波畸變率，是否反映數據變化趨勢方便監控人員在同屏中獲取全網側各種重要參數信息。與電網側數據采集界面相同，負載側數據采集界面顯示了ion7650表寄存器中記錄的所有重要參數，可以及時反映負載側實時功率參數的變化。

stm32f1系列是ST公司生產的低端32位ARM微控制器，核心為Cortex-M3。手持終端監控裝置是基于準點原子艦V3開發板設計開發的。

LCD手持終端采用TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）。它在LCD的每個像素上設置了一個薄膜晶體管（TFT），可以有效克服不選通時的串擾，使LCD的靜態特性與掃描線數無關。因此，圖像質量大大提高。與工控機用戶圖形界面類似，本設備開發的手持顯示器主要分為主界面、網絡側界面和負載界面。該程序不僅可以顯示重要的電氣參數，還可以顯示折線圖和條形圖。幫助分析當前電能質量、查看歷史數據并預測未來趨勢。當出現故障時，界面可彈出紅色警告框并顯示故障類型，提醒操作人員及時處理故障。

FATFS是一個完全免費開源的FAT文件系統模塊，專為小型嵌入式系統設計。它完全采用標準C語言編寫，具有良好的硬件平臺獨立性。FATFS 的這些特點，再加上自由開源的原則，使得FATFS得到了廣泛的應用。FATFS模塊層次結構的頂層是應用層，用戶無須關注FATFS的內部結構和復雜的FAT協議，它們只需要調用FATFS模塊提供的一系列應用接口函數，如f_open、f_read、f_write和f_close等，就可以像在PC上讀寫文件一樣簡單。中間層FATFS模塊實現了FAT文件的讀/寫協議。 FATFS模塊提供 ff.c和ff.h。除非有必要，用戶一般不需要修改，使用時，可以直接包含頭文件。

手持終端的數據集中顯示分為三個界面：主界面、網絡側界面和加載界面。系統主要采用波形圖、相位圖和直方圖顯示實時功率參數，方便直觀觀察數據趨勢。當系統檢測到任何故障時，會在任何界面發出報警，報警框為紅色，手持終端使用SD卡保存故障歷史，電腦終端可以查看歷史故障記錄。

IPC數據集中顯示界面主要由負載側和網絡側組成。進入界面前，有一個歡迎界面，可以配置IP地址，選擇要查看的界面數據，可分別顯示船舶電力系統負載側和電網側電力參數監控界面和基于IPC的船舶電力系統故障監測界面。

3 結束語

系統采用WiFi路由器接入交換機，配合中繼器收發WiFi信號，實現數據遠距離無線傳輸。上位機可以通過連接中繼器讀取PLC 寄存器的數據。在MATLAB軟件中編輯GUI界面程序，可實現工控計算機實時讀取電能質量數據。此外，為了提高觀測參數和船舶安全系數的便利性，系統采用STM32F103處理芯片制作帶有WiFi模塊的便攜式手持終端，方便船舶工作人員隨時隨地獲取船舶功率相關數據，并且可以在發生故障時立即進行聲光報警。該設計還充分結合了以往的研究成果和創新成果，將科技應用于特定場合，具有較高的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 李敏.基于物聯網的監控系統研究與應用[D].荊州：長江大學，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染監測系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能車系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2020，16（8）：179-180.

【通聯編輯：代影】

收稿日期：2021-06-26

.作者簡介：包子建（1975—），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯網和信息服務方面的教學和研究。