船舶壓載水處理裝置遠程監測系統設計與開發

滕建斌 王智磊

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，青島 202168）

1 研究背景

隨著人類活動的頻繁，海洋生態環境日益受到破壞。船舶壓載水處理裝置旨在杜絕大型船舶壓載水排放給海洋環境造成污染、生物入侵等海洋生態問題[1]。船舶壓載水裝置作為大型遠洋船舶的關鍵性設備，由于遠洋船舶的航行性質，對船舶壓載水裝置的日常維護、更新及維修提出了更高要求。

針對壓載水處理裝置遠程監測的實際需求，需開發壓載水設備的遠程監測系統。船舶壓載水裝置控制系統建立在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工控系統的基礎上[2]，需要實時獲取壓載水裝置各關鍵部件的參數、歷史數據及報警信息等，并能夠通過網絡與壓載水處理裝置的PLC建立實時連接，將實時采集的數據回收至數據中心，方便工程師進行遠程檢測、程序更新以及在出現故障時第一時間定位故障點[3]。

2 系統設計

2.1 硬件設計

結合現場需求，開發船舶壓載水裝置遠程監測系統。系統硬件端由遠程監測智能網關、網絡交換機以及壓載水控制系統組成。網絡交換機與PLC系統、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）以及遠程監測智能網關相連，網關通過以太網線實時獲取PLC系統數據，通過4G無線網絡或有線網絡將實時監測數據傳送至云端，并經由云端傳送至本地數據中心，具體系統流程見圖1。

智能網關及交換機安裝于壓載水系統控制柜，由直流電源供電，且滿足船用環境要求，外接通信天線，方便搜索網絡信號。當網絡狀態不穩定時，數據可存儲于內部存儲器，支持斷點續傳功能。當網絡穩定時，已存儲數據可繼續上傳至云端[4]。

擬選用ECU-1251網關，其主要硬件性能如表1所示。

表1 主要硬件性能

2.2 軟件設計

系統軟件部分主要分為數據獲取模塊、云端存儲模塊、可視監測模塊與虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）遠程模塊。數據獲取模塊實時回收采集的數據，經由網絡發送至云端存儲模塊。云端存儲模塊將數據發送至可視化監測模塊，經過個性化配置，最終通過可視化看板展示數據。VPN遠程模塊通過云存儲模塊中的VPN服務器實現與壓載水控制系統的數據交互。軟件系統拓撲結構見圖2。

數據獲取模塊依托于智能網關，在使用前需要具體設置智能網關。為了實現數據交互，需要將智能網關的網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址設置成與壓載水系統PLC為同一網段。智能網關根據不同PLC系統可設置多種通信協議。以本系統所用的三菱Q系列PLC為例，按傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）開放供智能網關進行通信的端口，智能網關通過該端口實時獲取采集數據。以典型超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）船為例，羅列需要監測的壓載水裝置關鍵數據（數據列表見表2），并在智能網關中配置這些數據關聯的PLC變量。配置完成后網關可以通過端口實時獲取數據，并將其發送至云端[5]。

云端存儲模塊作為數據中心，連接數據獲取模塊與可視監測模塊，起到存儲實時數據并作為可視化網頁端數據后臺的作用。

現階段云端存儲模塊采取租用公有云服務的方式，設計依據如下。

（1）實現租賃資源的彈性伸縮，即前期可使用小容量的云服務器，后期隨著應用項目的增加，可在幾分鐘內實現云服務的快速擴容，不影響已部署軟件的使用。

（2）可實現跨區域數據的云同步，實現國內/國外多節點部署。

（3）保證服務器的高可用性，減少服務器的運營維護成本，且后期可根據數據量和安全性需求，搭建本地服務器數據庫。用于存儲實時觀測數據。充分的數據支持將提供數據挖掘、大數據分析等數據分析方法，有利于構建更完善、功能更加系統的壓載水處理裝置。

可視化監測模塊基于云端存儲模塊，在Web端搭建可視化遠程監測網頁。用戶可登錄網頁，實現對壓載水設備的實時監測。可視化監測模塊采用InsightAPM.M2I設備聯網解決方案，具體流程見圖3。通過M2I平臺可以管理云端數據，包括數據的連接協議轉換、遠程設置以及多租戶管理等，并根據不同數據類型選擇不同的可視化儀表盤，可進行實施監控、歷史查詢、報警推送以及3D組態畫面。M2I的核心功能是利用各種模板，其中設備模板和可視化模板最重要。

設備模板根據壓載水裝置采集的數據進行定制化設計，主要包含總覽、報警信息、設備監控、設備信息和報表信息5個頁面。其中，總覽頁面只有最高權限的管理員用戶才能查看。可視化模板根據搭載的遠程監測系統的船舶進行區分，并根據具體需求選擇設備模板中的不同界面。可視化看板集成多種可視化控件，可根據采集的數據類型進行定制化頁面設計。

VPN客戶端通常用來連接VPN服務器，以安全通過公共網絡訪問私有資源。VPN遠程模塊用于遠程連接壓載水系統PLC，完成日常的程序維護升級和發生故障時遠程監測程序，快速定位故障點。本模塊使用的是OpenVPN協議，可以自動生成一個帶有驗證密鑰的.ovpn文件。將文件提供給所有連接到.ovpn服務器的用戶，也可以更改OpenVPN服務器的默認設置，為特定的連接類型提供一個自定義.ovpn文件。構建一個虛擬專用網絡需要構建服務器端和客戶端，客戶端包括智能網關和個人計算機（Personal Computer，PC）端。智能網關可以通過設置OpenVPN使其作為客戶端通過虛擬專用通道與VPN服務器相連，個人計算機端安裝VPN軟件并完成相關配置即可。

3 系統實驗與結果分析

在青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司的壓載水培訓平臺進行車間測試，壓載水培訓平臺配備一套完整的壓載水處理裝置，包括主管路過濾器、電解單元、加藥單元、中和單元、TRO檢測模塊以及整流器等完整的壓載水處理裝置，可以根據不同需求模擬各種壓載水處理場景，驗證網頁端數據能否及時顯示和具體的實現效果。

（1）測試過程中，智能網關采用4G無線網絡進行云上傳，數據包上傳周期為1 min。通過智能網關軟件實時監測網關，監測數據經過測算在不通過網關進行監測的過程中每次傳輸消耗流量約為8 kB，在連接網關在線監測軟件時每次傳輸消耗流量約為61 kB，網絡延遲穩定在100 ms以內。測試結果顯示，網絡連接情況良好，通信延遲小，能夠實時、穩定、準確地接收數據。

（2）利用網關遠程連接PLC進行程序實時監測和程序的上傳下載時，監測過程能夠做到無延遲。在進行程序更新時，由于帶寬限制會出現一定的延遲。經測算，延遲時間平均為10 s，程序更新時并不影響系統其他功能的運行，且沒有嚴格的時效要求。在當前網絡環境下，該延遲在可允許范圍內。后期將通過改變網絡通信方式和擴大帶寬來進一步縮小延遲。壓載水設備僅在船舶進港壓載排載時間斷運行，且遠程監測系統并不需要一直啟動。經測算，一套遠程監測系統全年的預估數據量應為200 MB以內。

（3）在測試過程中，啟動壓載水設備并模擬實船運行時壓載水的壓載、加藥、中和以及排載等工序，并實時監測網頁端各參數顯示情況，根據數據上傳周期將網頁刷新頻率設置為1 min。如圖4所示，在壓載過程中，溫度、鹽度以及槽壓均已顯示具體數值，電解槽進口流量、主管路流量、整流器電流以及過濾器壓差以折線圖的形式顯示，方便觀察在壓載過程中參數隨時間的變化情況。經過測試，系統運行過程中網頁端各控件均可正常顯示，設備各參數數據和報警信息能夠做到及時更新，界面整潔美觀，能夠滿足工程師及時了解現場設備運行情況的要求。

4 結語

此種船舶壓載水裝置的遠程監測系統具備關鍵數據遠程監測、系統程序的遠程運維以及網頁端顯示等功能，能夠實現對壓載水設備的定期系統檢查、故障排查、軟件程序的遠程更新，減少了對壓載水設備定期維護所消耗的人力和物力成本，并能夠結合大數據收集壓載水裝置運行數據，有利于系統深度挖掘數據，并進一步提升壓載水裝置性能。