梁富琳，陳遠明，邱守強，王冬姣

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

燃油是船舶航行過程中的動力來源，因此船舶動力裝置的油耗是一個非常重要的性能指標(biāo)，同時也是航運企業(yè)最主要成本之一，所以，對船舶航行過程中油耗的監(jiān)測管理顯得十分重要。在燃油監(jiān)測和管理方面，雖然國內(nèi)外很多企業(yè)正在逐步研發(fā)遠程燃油監(jiān)測系統(tǒng)，由于通信技術(shù)，系統(tǒng)本身的復(fù)雜度等因素制約，造成目前尚沒有一套比較完善、成熟、低成本的監(jiān)測系統(tǒng)。因此燃油監(jiān)測系統(tǒng)還沒有大面積推廣使用，尤其是中小規(guī)模船型。

本文將針對目前燃油監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)過程中的制約因素提出一種超遠程、可靠通信、成本較低的系統(tǒng)方案設(shè)計及實現(xiàn)。

1 燃油監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)總體分為三個部分組成：1）數(shù)據(jù)采樣；2）遠程通信；3）終端軟件。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采樣

數(shù)據(jù)采樣是燃油監(jiān)測系統(tǒng)的前級部分，是指對被監(jiān)測的物理量進行采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，這里主要是指船舶主機、發(fā)電機系統(tǒng)的燃油流量，可以通過流量傳感器來完成。流量傳感器是工業(yè)和生活中最常見的一種傳感器，分為測量氣體和液體兩大方面；按測量物理量可分為體積流量和質(zhì)量流量；按工作原理又可分為接觸式和非接觸式。

考慮到船舶機艙機構(gòu)的復(fù)雜性，為了便于安裝使用，本文設(shè)計的系統(tǒng)采用基于超聲波的非接觸式流量傳感器，又稱為超聲波流量傳感器。另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性將采用PLC作為數(shù)據(jù)采樣處理單元，因為PLC在船舶惡劣的電氣環(huán)境中具有優(yōu)秀抗干擾能力及很高的穩(wěn)定性。

1.2 遠程通信

遠程通信部分在船舶燃油監(jiān)測系統(tǒng)中是最為關(guān)鍵的部分，采集到的大量數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)竭h程陸地上的船舶營運企業(yè)才有實質(zhì)性的意義，尤其是遠洋船舶。因此，通信設(shè)備必須能實現(xiàn)超遠程距離傳輸，與陸地上的通信方式不一樣的是船舶航行到遠海時并不能像陸地通信那樣能直接使用諸如GPRS基站、以太網(wǎng)等設(shè)備，因此，要實現(xiàn)船岸通信最終必須依靠衛(wèi)星信號。

船舶在建造時出于海上遇險與安全通信考慮都會安裝海事衛(wèi)星接收終端Inmarsat-C系統(tǒng)（簡稱C站）與海事衛(wèi)星保持通信用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)報文、遇險呼叫、數(shù)據(jù)報告等。因此可以利用C站完成燃油數(shù)據(jù)報的遠程傳輸，同時可大大降低系統(tǒng)的設(shè)計成本。

1.3 終端處理軟件

本監(jiān)測系統(tǒng)中的終端軟件分為兩部分：1）船上原始數(shù)據(jù)記錄及發(fā)送軟件；2）岸上數(shù)據(jù)接收及管理軟件。

船上軟件主要是運行在船上的PC機系統(tǒng)用于接收從PLC傳輸過來的原始燃油數(shù)據(jù)，并實時將數(shù)據(jù)記錄在本地硬盤中便于船舶航行結(jié)束后提取出來分析；同時將燃油數(shù)據(jù)進行定時分組、打包等處理，然后傳輸?shù)紺站由其轉(zhuǎn)發(fā)到岸上接收系統(tǒng)。岸上數(shù)據(jù)接收及管理軟件則主要是用于接收船上傳輸過來的燃油數(shù)據(jù)，并且進行解析、繪制曲線，制作報表等。為了縮短系統(tǒng)開發(fā)周期、盡量減少代碼編寫過程中出現(xiàn)的BUG，本監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計使用LabVIEW平臺實現(xiàn)。

2 燃油監(jiān)測系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)

1）流量傳感器的安裝，為了便于安裝本系統(tǒng)采用外夾式超聲波流量傳感器，同時為了確保測量精度則選用流量計而非直接使用流量傳感器，這樣既可以減小自行計算的誤差，也降低對PLC處理單位元的要求，從而簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，外夾式流量傳感器的安裝如圖2所示。

圖2 流量計安裝

根據(jù)流量計的工作原理可知，對于一個管段流量的測量必須使用兩個超聲波探頭才能完成，如圖2所示。因此，要完整測量一臺主機的油耗則需要在主機的進油管和回油管上分別安裝一個流量計共4個超聲波探頭。假設(shè)進油管處測量到的入口流量為L1，經(jīng)主機燃燒后回路流量為L2，那么主機的實時油耗為： 。

流量計往往已經(jīng)設(shè)計為智能儀表，因此只要根據(jù)實際管徑尺寸設(shè)定好流量計的參數(shù)即可直觀地在流量計上觀察到油管實時流量，同時，為了系統(tǒng)設(shè)計更為簡便，可以選用數(shù)字輸出的流量計，如通過RS485接口就能獲得流量計輸出的燃油流速、瞬時流量等數(shù)據(jù)。

2）PLC采樣處理單元設(shè)計，由于選用的流量計具有RS485接口輸出，那么對于多點測量則可以非常簡便地實現(xiàn)，一臺主機油耗測量的完整系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 燃油流量監(jiān)測流程

由圖3可見，在主機的燃油入口管上安裝一個流量計1，主機回油管上安裝一個流量計2，同時對入口流量、回油流量檢測，分別得到主機入口、回路的瞬時流量L1、L2并通過RS485總線輸出到PLC再統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)收集及打包處理，然后通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)酱蠈Ｓ糜嬎銠C。以此類推，對于船上其他主機及發(fā)電機組的油耗監(jiān)測可使用同樣的安裝方法，最后所有流量計的數(shù)據(jù)全部通過RS485總線傳輸?shù)絇LC即可。為了降低對PLC性能的要求，PLC并不進行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，只完成數(shù)據(jù)的打包及轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.2 通信系統(tǒng)

由于通信部分是船舶燃油監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的部分，因此，只有很好的實現(xiàn)遠程通信功能才能使得整個燃油監(jiān)測系統(tǒng)具有實質(zhì)性意義。鑒于海上通信環(huán)境的特殊情況，為了能實現(xiàn)可靠的超遠程通信，本監(jiān)測系統(tǒng)采用海事衛(wèi)星C站作為通信設(shè)備。

海事衛(wèi)星C站又稱Inmarsat-C是用于接收國際海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)的終端設(shè)備。C站根據(jù)不同的生產(chǎn)廠家有很多不同的型號，價格也差別較大，其中相對便宜的是Mini-C，但搭載功能也相對簡單。而普遍使用較多的可算為Felcom15，此款C站的功能較為完善，而且價格相對合理。

利用C站作為船舶燃油監(jiān)測的通信設(shè)備進行數(shù)據(jù)遠程傳輸，使用方法也相對簡單。由Felcom15的技術(shù)參數(shù)可知，該C站具有郵件收發(fā)功能，由于遠程燃油監(jiān)測對油耗的實時性要求不高，而且出于節(jié)省C站服務(wù)費用的考慮，使用郵件服務(wù)進行數(shù)據(jù)傳輸成本最低。Felcom15具有兩個以太網(wǎng)接口，那么可以使用其中一個以太網(wǎng)接口與船上專用計算機進行通信，如圖4所示。

圖4 Inmarsat-C連接方式

根據(jù)Felcom15的使用手冊可知，只需將其IP地址設(shè)置為與計算機同一個IP段就可以完成正常的TCP/IP通信。最后，在使用C站郵件服務(wù)前需要向海事衛(wèi)星組織注冊一個郵件服務(wù)賬號作為轉(zhuǎn)發(fā)郵件使用（會按照流量收取服務(wù)費）。

2.3 數(shù)據(jù)記錄軟件設(shè)計

1）船上數(shù)據(jù)記錄軟件

該軟件運行于船上專用計算機,其主要是完成對下位機PLC的數(shù)據(jù)進行收集、存儲到本地硬盤、打包處理等，本文采用LabVIEW平臺進行設(shè)計。為了能提高通信可靠性、傳輸速度，計算機與PLC之間使用以太網(wǎng)接口，利用TCP/IP協(xié)議通信，計算機作為TCP服務(wù)器，PLC為TCP客戶端。利用LabVIEW進行TCP通信程序設(shè)計相當(dāng)簡便，主要用到的子VI有：

（1）打開TCP連接 (函數(shù))

圖5 打開TCP連接 (函數(shù))

該VI的功能是建立由地址和遠程端口或服務(wù)名稱指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接。

地址：PLC的IP地址，需要與計算機配置的IP在同一個段內(nèi)。

遠程端口：PLC上的TCP客戶端端口號。

只需指定以上兩個參數(shù)該VI就是自動創(chuàng)建一個TCP連接。

（2）讀取TCP數(shù)據(jù) (函數(shù))

圖6 讀取TCP數(shù)據(jù) (函數(shù))

該VI是從TCP網(wǎng)絡(luò)連接讀取字節(jié)并通過數(shù)據(jù)輸出返回結(jié)果。

語文需要聽、說、讀、寫。誦讀古詩詞可以讓我們的心靈得以安頓，情感變得豐富，精神變得高貴，從而激發(fā)對傳統(tǒng)文化的熱愛。老師都知道誦讀的重要性，老師要多多學(xué)習(xí)，努力搜集一些優(yōu)秀的誦讀視頻、音頻資料，讓學(xué)生多聽聽，模仿其形進而體味其神。老師要掌握最基本的字音、節(jié)奏和基調(diào)，能夠聲情并茂地頌讀，并指導(dǎo)學(xué)生讀詩做到語調(diào)語速適當(dāng)，富有感情。要如余映潮所說：“朗讀，品味感受的閱讀活動；朗讀，充滿詩意的文學(xué)活動；朗讀，豐富細膩的情感活動，沒有朗讀的語文課只是課，他不是美的語文課。而只是讓學(xué)生讀而沒有朗讀指導(dǎo)的課，沒有力度，更沒有美感?！?/p>

模式：表明讀取操作的動作分為Standard,Buffered, CRLF, Immediate.通常選擇Immediate模式，即在函數(shù)接收到讀取字節(jié)中所指定的字節(jié)前一直等待，以便按照用戶定義的格式讀取數(shù)據(jù)。

讀取的字節(jié)：每次讀取的字節(jié)數(shù)量。

（3）截取字符串 (函數(shù))。

圖7 截取字符串 (函數(shù))

因為從PLC傳輸過來的數(shù)據(jù)包含若干個流量計的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按照一定格式封裝的，所以需要利用截取字符串VI將不同的流量計數(shù)據(jù)分別截取出來。完成TCP通信的主要LabVIEW程序如圖5所示。

圖8 TCP應(yīng)用程序

由圖5可見，將截取字符串VI的輸出結(jié)果進行字符串->數(shù)值轉(zhuǎn)換就可以獲得流量數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，編程非常簡便。

2）流量數(shù)據(jù)處理。

圖9 流量數(shù)據(jù)處理

3）電子郵件發(fā)送。

利用LabVIEW進行電子郵件發(fā)送程序設(shè)計也是相當(dāng)簡便的，由于監(jiān)測系統(tǒng)的實時性要求不高，以天為單位向遠程回傳一次數(shù)據(jù)已經(jīng)有足夠的意義，同時也可以減少通信流量的服務(wù)費用。LabVIEW發(fā)電子郵件主要用到的子VI有：

（1）SMTP服務(wù)器初始化VI

圖10 SMTP服務(wù)器初始化VI

（2）SMTP服務(wù)器登錄VI

圖11 SMTP服務(wù)器登錄VI

（3）SMTP命令VI

圖12 SMTP命令VI

（4）SMTP數(shù)據(jù)發(fā)送VI

圖13 SMTP數(shù)據(jù)發(fā)送VI

由于每小時進行一次數(shù)據(jù)記錄，那么一天就有24組數(shù)據(jù)，為了減少郵件發(fā)送的流量，在發(fā)送前先將各組數(shù)據(jù)合并、轉(zhuǎn)為字符串等處理，以單封郵件形式發(fā)送到C站再轉(zhuǎn)發(fā)到陸地，該部分程序設(shè)計如圖7所示。

2.4 終端數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計

圖14 電子郵件發(fā)送程序框圖

圖15 船用軟件面板

數(shù)據(jù)管理軟件是運行于陸地計算機的終端軟件，主要是用于接收從船舶回傳的電子郵件，并進行數(shù)據(jù)解析，繪制曲線，打印報表，數(shù)據(jù)存盤等。軟件設(shè)計仍然是使用LabVIEW作為開發(fā)平臺，與船上數(shù)據(jù)記錄軟件對應(yīng)，接收郵件部分則使用LabVIEW電子郵件接收子VI。

1）連接POP郵件服務(wù)器VI

圖16 連接POP郵件服務(wù)器VI

Password：POP服務(wù)器登錄密碼(郵箱密碼)。Username：接收郵件的郵箱名稱。

POP server name：POP服務(wù)器域名(如pop.xxx.com)。2）查詢郵件VI

圖17 查詢郵件VI

3）讀取郵件消息VI

圖18 讀取郵件消息VI

電子郵件接收LabVIEW程序如圖19所示。

圖19 電子郵件接收程序

4）數(shù)據(jù)處理及界面設(shè)計

數(shù)據(jù)處理主要是指繪制過去一天內(nèi)每個被測對象每小時的入口平均流量、回油平均流量、每小時耗油量曲線、一天總共耗油量等具有參考價值的燃油的數(shù)據(jù)處理。

由于回傳的郵件是過去一天內(nèi)每小時的燃油使用情況，所以需要進一步進行處理計算出每小時耗油量、一天總耗油量,并且制作報表、存盤等。根據(jù)燃油監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，最終提供給用戶的數(shù)據(jù)主要有每小時油管平均流量、每小時油耗、一天內(nèi)總油耗等。為了能盡量人性化設(shè)計軟件界面，根據(jù)各個數(shù)據(jù)意義的不同以曲線或者數(shù)值形式顯示，總體界面設(shè)計如圖10所示。

3 結(jié)束語

本文研究的系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于部分遠洋船舶上，經(jīng)實際的使用結(jié)果（如圖20所示）表明，充分利用船舶上現(xiàn)有的通信設(shè)備海事衛(wèi)星C站，并結(jié)合非接觸式流量計、PLC、LabVIEW圖形化編程進行系統(tǒng)開發(fā)具有安裝調(diào)試方便、開發(fā)周期短，軟件模塊封裝良好，界面友好，穩(wěn)定性高等優(yōu)點；而且總體成本相對較低，費用主要用在傳感器選型上。系統(tǒng)不僅適合遠洋船舶、而且適合近海及內(nèi)河船舶，為船舶營運企業(yè)提供了一種非常有效的船舶燃油管理方法。

圖20 數(shù)據(jù)管理軟件界面

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