姚 斌 龐之洋 梁述海
海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院,湖北武漢430033
基于Web的機(jī)艙遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
姚 斌 龐之洋 梁述海
海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院,湖北武漢430033
使用基于Web的監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理是當(dāng)前船舶自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)。本文把基于Web的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到船舶機(jī)艙設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷領(lǐng)域,提出了利用LabVIEW的Web發(fā)布工具實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)方案,給出了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、功能、硬件組成和利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)Web發(fā)布的具體方法。遠(yuǎn)程用戶通過(guò)Web瀏覽器可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)發(fā)出監(jiān)控指令,獲取機(jī)艙設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)本船無(wú)法判別時(shí),可通過(guò)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷。
遠(yuǎn)程監(jiān)控;遠(yuǎn)程故障診斷;LabVIEW;Web
隨著現(xiàn)代船舶制造業(yè)的快速發(fā)展,機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜化,出于對(duì)船舶安全可靠運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的考慮,及時(shí)準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)地掌握船舶系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)故障趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)存在的潛在故障以及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)船岸一體化,提高船舶的安全性、可靠性和最大經(jīng)濟(jì)效益,這也是目前艦船集成平臺(tái)管理系統(tǒng)(IPMS)中對(duì)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)研究的重要方面[1]。由于船員的故障維修能力有限,面對(duì)一些突發(fā)復(fù)雜故障,由于缺乏故障專(zhuān)家及時(shí)指導(dǎo)而造成故障進(jìn)一步發(fā)展,尤其是一些具有特殊任務(wù)的船舶和一些遠(yuǎn)洋航運(yùn)船舶對(duì)安全可靠性、時(shí)效性有更高的要求。而建立基于Web的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能有效地解決這些問(wèn)題[2]:通過(guò)海事衛(wèi)星或微波通信技術(shù)將船舶設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),以及有關(guān)的設(shè)備圖片實(shí)時(shí)地傳回岸上公司,利用公司的專(zhuān)家或?qū)<蚁到y(tǒng)軟件做出故障預(yù)測(cè)、判斷和排除對(duì)策,并及時(shí)地傳回船舶供船員參考,有利于及時(shí)有效地采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。
LabVIEW作為一個(gè)優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),為構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng),提供了多種功能強(qiáng)大的工具和方便靈活的方法。LabVIEW是一個(gè)圖形化編程工具[3],它提供了一種全新的程序編寫(xiě)方法,使用這種G語(yǔ)言編程時(shí),基本上不用編寫(xiě)程序代碼,取而代之的是程序流程圖。LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能主要建立在DataSocket技術(shù) (數(shù)據(jù)套接技術(shù))、Web服務(wù)器和TCP/IP協(xié)議這三個(gè)方面的基礎(chǔ)上。本文采用LabVIEW的Web發(fā)布功能來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效的傳輸。
本系統(tǒng)由船上部分和岸上部分組成。船舶內(nèi)部物理環(huán)境惡劣,高濕度、高溫度、高振動(dòng)和高噪音等,且其它干擾因素多,為保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)可靠運(yùn)行,采用有線網(wǎng)絡(luò)組成局域網(wǎng),組網(wǎng)方式為Ethernet方式;岸上部分也組成一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控局域網(wǎng),并和Internet相連,可供遠(yuǎn)程端客戶查看、分析和調(diào)整參數(shù)等。船上部分和岸上部分通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連。系統(tǒng)組成如圖1所示。
系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、web服務(wù)器、客戶端瀏覽器等組成。數(shù)據(jù)采集處理模塊,一方面與分布在船上各設(shè)備部件上的傳感器相連,采集各種工作參數(shù),另一方面與需要調(diào)整的參數(shù)控制接口相連,可對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整設(shè)定。對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理、轉(zhuǎn)換后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信,進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,交由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器管理。
圖1 基于Web遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)的操作是以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、預(yù)警和報(bào)警信息、趨勢(shì)查詢(xún)、故障診斷等信息的記錄功能。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理,主要包括日常數(shù)據(jù)庫(kù),報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)、故障診斷庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)參照庫(kù),運(yùn)行閾值庫(kù)和值班考勤庫(kù)。每隔一定時(shí)間,機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)將自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,各數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)機(jī)艙設(shè)備的各類(lèi)工作參數(shù)及報(bào)警信息,并允許從客戶端瀏覽器進(jìn)行查詢(xún)、打印等。數(shù)據(jù)庫(kù)與和模塊間的關(guān)系如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)與各模塊間的關(guān)系圖
本系統(tǒng)硬件由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集處理模塊和專(zhuān)家體系模塊組成。服務(wù)器及客戶機(jī)選用可靠性高的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),可適應(yīng)船舶在運(yùn)行中存在的嚴(yán)重干擾和惡劣的工作環(huán)境。船舶內(nèi)部Ethernet通過(guò)TP-LINK公司的8端口10 M/100 M交換機(jī)實(shí)現(xiàn)連接,數(shù)據(jù)采集模塊采用研華公司的ADAM-5000/TCP系列[4],該系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備特別適合于網(wǎng)絡(luò)連接,局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)可以直接通過(guò)該設(shè)備上的以太網(wǎng)接口訪問(wèn)采集到的數(shù)據(jù),而無(wú)需在網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備中間另外加上其它的轉(zhuǎn)換器。
對(duì)于內(nèi)河船舶與碼頭之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信是通過(guò)D-LINK公司的RG-1000無(wú)線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)連接,其內(nèi)置的V.90Moden無(wú)線網(wǎng)卡可以同時(shí)支持多個(gè)無(wú)線設(shè)備的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。在該網(wǎng)絡(luò)硬件中采用雙網(wǎng)卡系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和冗余性。正常工作時(shí),通過(guò)默認(rèn)網(wǎng)卡通路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送,另一路備用;當(dāng)網(wǎng)路出現(xiàn)故障時(shí)將自動(dòng)轉(zhuǎn)化到備用通路繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。另外,對(duì)于遠(yuǎn)海船舶與岸臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸,可考慮海事衛(wèi)星通信Inmarsat系統(tǒng)[5],該系統(tǒng)是國(guó)際海事衛(wèi)星組織對(duì)海上航行船舶提供全球范圍內(nèi)移動(dòng)通信服務(wù)的系統(tǒng),可以提供各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),其衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是目前運(yùn)行最為穩(wěn)定的全球覆蓋、全天候衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),可以滿足對(duì)水上的移動(dòng)衛(wèi)星通信終端(遠(yuǎn)洋船舶)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并提供視頻、語(yǔ)音、傳真、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)。
傳感器設(shè)備是各種測(cè)量和整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵[6],本系統(tǒng)根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同,支持多種傳感器,其中包括測(cè)量電壓、電流、頻率、功率以及各種氣壓、油壓等傳感器,它們所提供的4~20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào);另外還包括采集各種溫度、轉(zhuǎn)速、熱電阻、熱電耦、振動(dòng)傳感器等。這些傳感器所輸出的模擬量經(jīng)過(guò)32位的A/D轉(zhuǎn)換寫(xiě)入特定寄存器中,局域網(wǎng)中的工控機(jī)可以通過(guò)調(diào)用模塊所提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)程序訪問(wèn)模塊的接口,按一定順序讀取所需數(shù)據(jù)。對(duì)于開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù),本模塊支持開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出,數(shù)據(jù)的讀取與輸出同樣可以通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)程序?qū)崿F(xiàn)。
基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理單元、實(shí)時(shí)監(jiān)控單元、本地故障診斷系統(tǒng)單元及遠(yuǎn)程故障診斷單元4部分組成。基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)通過(guò)采用客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Sever)體系結(jié)構(gòu),設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)可以互為服務(wù)器,本文將遠(yuǎn)程診斷中心設(shè)為服務(wù)器,設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采集系統(tǒng)為客戶機(jī),那么設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的工作人員將對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳,遠(yuǎn)程診斷中心得到數(shù)據(jù)后對(duì)設(shè)備的故障分析評(píng)估后,提出修理意見(jiàn)和方案,并將診斷結(jié)果反饋給現(xiàn)場(chǎng)。
考慮船舶機(jī)艙設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際情況,利用基于LabVIEW的Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的C/S體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。遠(yuǎn)程故障診斷中心是由各相關(guān)模塊組成,各個(gè)模塊獨(dú)立分布,功能單元封裝,便于管理和維修。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集方屬客戶機(jī)方 (用于船舶機(jī)艙設(shè)備監(jiān)控主機(jī)),將監(jiān)測(cè)所得各類(lèi)數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)描述、工況參數(shù)及一些相關(guān)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程故障診斷中心 (科研院所等)服務(wù)器,以便專(zhuān)家和各類(lèi)工程人員進(jìn)行故障分析、問(wèn)題求解、信息查詢(xún)、技術(shù)查詢(xún)等服務(wù)。
5.1LabVIEW的Web功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控
使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控概括起來(lái)有3種方法:使用DataSocket技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)發(fā)布監(jiān)控程序的網(wǎng)頁(yè)(Web發(fā)布),異地使用瀏覽器(如Internet Explore,Netscape Communicator等)進(jìn)行監(jiān)控;使用底層傳輸協(xié)議(TCP/IP,UDP,DDE或PPC)編程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
圖3 基于Internet/Ethernet的遠(yuǎn)程故障診斷
使用DataSocket技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,其優(yōu)點(diǎn)是DataSocket定義了一個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議,它摒除了較為復(fù)雜的TCP/IP底層編程,克服了傳輸速率較慢的缺點(diǎn),大大簡(jiǎn)化了Internet網(wǎng)上監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交換的編程。從而利用這種方法可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸效率,實(shí)時(shí)性能相當(dāng)好。缺點(diǎn)是必須在客戶端和服務(wù)器都安裝LabVIEW程序,并需要單獨(dú)編寫(xiě)各自的收、發(fā)端應(yīng)用程序,所以客戶端的控制功能太弱。若服務(wù)器端的程序進(jìn)行了修改調(diào)整,所有的遠(yuǎn)程客戶端也必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整才能正常使用。
利用LabVIEW進(jìn)行Web發(fā)布就是把VI(虛擬儀器)的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁(yè)中,而且還可以自動(dòng)更新。優(yōu)點(diǎn)是只在服務(wù)器端運(yùn)行VI程序,客戶端不需要單獨(dú)編寫(xiě)接收端程序,并且可在未安裝LabVIEW的客戶端通過(guò)Web服務(wù)器直接打開(kāi)發(fā)布的Web網(wǎng)頁(yè)看到服務(wù)器端運(yùn)行的VI.,也就是說(shuō)在遠(yuǎn)程客戶端看到的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)畫(huà)面,就像是該VI運(yùn)行在客戶端一樣,而且,客戶端獲得授權(quán)后還可以對(duì)前面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
由于LabVIEW內(nèi)嵌了Web服務(wù)器的功能,所以不必再開(kāi)發(fā)Web服務(wù)應(yīng)用程序,只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以將原來(lái)單機(jī)式的監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)為基于Web的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),大大降低了開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的難度,減少了開(kāi)發(fā)的工作量,縮短了開(kāi)發(fā)周期。
鑒于此,本系統(tǒng)利用LabVIEW內(nèi)嵌的Web服務(wù)器功能,將需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的任意VI進(jìn)行Web發(fā)布,從而也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙主要參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
5.2 使用Web功能發(fā)布遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)
在將程序發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上前要做好程序的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,包括Web服務(wù)器、瀏覽器訪問(wèn)設(shè)置、程序顯現(xiàn)設(shè)置等。Web服務(wù)器設(shè)置主要是對(duì)根目錄、HTTP端口及超時(shí)等設(shè)置;瀏覽器訪問(wèn)設(shè)置用來(lái)設(shè)置允許或不允許訪問(wèn)Web服務(wù)器的計(jì)算機(jī)IP地址及其查看和控制的權(quán)限,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性;程序顯現(xiàn)設(shè)置是用來(lái)設(shè)置允許用戶通過(guò)Web瀏覽的VI。
例如,將如圖4所示的利用LabVIEW編寫(xiě)的“機(jī)艙主要參數(shù)監(jiān)控界面.vi”進(jìn)行Web發(fā)布的對(duì)話框如圖5所示。按“下一步”進(jìn)行“選擇HTML輸出”(文檔標(biāo)題、頁(yè)眉、頁(yè)腳)的設(shè)定。繼續(xù)“下一步”保存新發(fā)布的Web網(wǎng)頁(yè)(包括保存根目錄、文件名和URL建立)。
在服務(wù)器(192.168.0.2)上運(yùn)行“機(jī)艙監(jiān)控界面設(shè)計(jì).vi”,在接入網(wǎng)絡(luò)中的另一客戶機(jī)上運(yùn)行瀏覽器 IE進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,打開(kāi)網(wǎng)址 http://192.168.0.2/機(jī)艙主要參數(shù)監(jiān)控界面.html,實(shí)時(shí)網(wǎng)頁(yè)如圖6所示。這樣就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端多用戶同時(shí)登陸監(jiān)控頁(yè)面,對(duì)同一設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,但每次只能有一個(gè)用戶對(duì)VI進(jìn)行控制,當(dāng)服務(wù)器段交出控制權(quán)時(shí),按申請(qǐng)控制權(quán)的先后次序進(jìn)行控制,服務(wù)器端可以隨時(shí)收回控制權(quán)。
圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面
本系統(tǒng)采用可視化的LabVIEW圖形編程方法,避免了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的繁瑣要求,具有直觀、形象、開(kāi)發(fā)周期短的效果。本文主要討論了利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)基于Web的機(jī)艙遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。利用LabVIEW的Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議中較為復(fù)雜的TCP/IP底層編程,避免為服務(wù)器端和客戶端編寫(xiě)?yīng)毩⒌氖?、發(fā)端VI程序,只需要將服務(wù)器端的VI進(jìn)行Web發(fā)布,就可方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,而且大大簡(jiǎn)化了基于Web的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控程序的編程。本系統(tǒng)具有操作直觀簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、易于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的特點(diǎn),將大大提高我國(guó)船舶機(jī)艙設(shè)備基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)艙設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控水平和遠(yuǎn)程故障診斷水平,具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖5 Web發(fā)布工具對(duì)話框
圖6 使用Web瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)
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Design of Remote Monitoring System of Ship's Engine Room Based on Web
Yao Bin Pang Zhi-yang Liang Shu-h(huán)ai
College of Naval Architecture and Power,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China
The trend of development of marine automation is to integrate the Web-based remote monitoring system and management of the instruments and equipments in ship's engine room.This paper applies the web technology to monitor and diagnosis the equipments in the ship's engine room,uses the Lab-VIEW-"Web Publishing Tool"-for system development as well as describes the system architecture,functions,hardware,and the details to achieve the goal.The remote client,through an internet navigator,can send a command to the monitoring computer on site and acquire the running data of the equipments.In case the abnormal data appears that the shipman cannot handle it,the system can take place to diagnosis the remote fault online.
remote monitoring;remote faults diagnosis;LabVIEW;Web
TP273.5
A
1673-3185(2009)03-66-04
2008-12-22
姚 斌(1982-),男,碩士研究生。研究方向:機(jī)艙自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)仿真。E-mail:yaobinyao@126.com
龐之洋(1963-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:艦船動(dòng)力裝置。E-mail:pzy@m(xù)ailme.cn