張建平，庹艾莉，辛宇

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

大型船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張建平，庹艾莉，辛宇

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

著重介紹了大型船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以及分區(qū)設(shè)計(jì)的思想。遵循設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的可靠、適用和先進(jìn)原則，討論現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、傳感器等的選型及設(shè)計(jì)。利用可視化編程工具，編制便于操作人員迅速掌握操作要領(lǐng)的人機(jī)操作界面。為滿足系統(tǒng)的采集、監(jiān)測、控制與報(bào)警等功能，對其網(wǎng)絡(luò)組成、體系架構(gòu)、傳感器選配、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和軟件構(gòu)架等進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，利用聯(lián)調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證以及適應(yīng)性改進(jìn)，確保最終產(chǎn)品的成功。介紹研制過程中出現(xiàn)的問題及解決方法?，F(xiàn)場設(shè)備采用分區(qū)布置設(shè)計(jì)，并選用現(xiàn)場總線Profinet網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用人機(jī)界面LabVIEW編程軟件。上位網(wǎng)借用平臺主干網(wǎng)搭建。由于利用了平臺資源及其堅(jiān)固性和可靠性，不僅能提高本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯ㄐ拍芰?，還可減少投資，避免因單獨(dú)組網(wǎng)而造成的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本增加。

大型船舶；燃油輸送；監(jiān)控；現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)；Profinet總線

0 引 言

燃油輸送系統(tǒng)是大型船舶動力輔助系統(tǒng)的重要組成部分之一，其主要作用是將燃油儲存艙的燃油轉(zhuǎn)注到日用燃油艙內(nèi)，供主動力裝置使用。為實(shí)現(xiàn)船舶姿態(tài)的調(diào)整或便于油艙的檢修，燃油輸送系統(tǒng)還可以將燃油在儲存艙之間轉(zhuǎn)注，并能根據(jù)需要將燃油向岸上卸載。

大型船舶的燃油儲存艙眾多，分布在全船底艙；燃油輸送管路上配置的閥件較多，也是全船分布；配置的燃油輸送泵也有多臺。因此，迫切需要開展相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)各相關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

目前在大型船舶燃油輸送監(jiān)控技術(shù)方面，未見專門研究，相似的研究有大型油輪油艙和液化氣運(yùn)輸船液艙監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［1-2］，但僅實(shí)現(xiàn)了液位、溫度等參數(shù)的遙測和集中顯示，閥件開/關(guān)的操作仍以人工為主，監(jiān)控主機(jī)以單機(jī)模式為主，其網(wǎng)絡(luò)化、自動化程度不高。據(jù)相關(guān)資料顯示，其測點(diǎn)規(guī)模較?。y點(diǎn)只有20多個），基本處于監(jiān)測顯示階段，未實(shí)現(xiàn)監(jiān)、控一體化。

而本文所研究的測控點(diǎn)規(guī)模大（達(dá)到上千個），并將利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)及模塊化數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的液位、溫度和壓力的在線監(jiān)測，以及對泵、閥等設(shè)備的自動控制。

1 功能需求分析

燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)主要功能如下：

1）采集、顯示燃油艙的液位、溫度等狀態(tài)信息，并有超限報(bào)警功能。

2）監(jiān)測、控制燃油輸送系統(tǒng)（泵、閥等）的運(yùn)行工況。

應(yīng)能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，在遙控模式下，燃油輸送泵可在燃油輸送監(jiān)控臺上進(jìn)行遙控啟、停，并能監(jiān)測顯示泵的運(yùn)行狀態(tài)、泵前管路內(nèi)燃油的溫度、泵出口的壓力、泵吸入口的真空度和泵故障指示；液動蝶閥可在燃油輸送監(jiān)控臺上遙控開關(guān)，并能顯示蝶閥關(guān)閉或開啟的狀態(tài)。

在監(jiān)控主站和監(jiān)控分站間借助平臺主干網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。按要求為其它系統(tǒng)提供OPC服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)信息共享，并保證為其它系統(tǒng)提供的實(shí)時數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)時數(shù)據(jù)同步［3］。

2 方案研究

2.1 通訊網(wǎng)絡(luò)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)選型

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，用于現(xiàn)場智能設(shè)備互聯(lián)的總線網(wǎng)絡(luò)有40多種［4］，但常用于艦船監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主要有CAN總線、485總線、Profibus總線和Profinet總線。

CAN總線的數(shù)據(jù)通訊采用CAN協(xié)議，物理接口為CAN接口，具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。但其不能直接與Internet互聯(lián)，若要聯(lián)網(wǎng)，則需要專用的接口卡和特定的網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸速率最低為1 Mb/s時其傳輸距離約40 m［5］。

485總線主要采用Modbus通訊協(xié)議，物理接口為RS-485串行接口，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，適合小型監(jiān)控系統(tǒng)，它允許的最大速率為10 Mb/s（傳輸距離 15 m）［6］。

Profibus總線速度較快（最大12 Mb/s），組態(tài)配置靈活，可以實(shí)現(xiàn)總線供電。但Profibus的參數(shù)不容易設(shè)定，在網(wǎng)絡(luò)增加、刪除節(jié)點(diǎn)時需要進(jìn)行邏輯環(huán)重構(gòu)［7］。

Profinet總線是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信解決方案。一種總線多種協(xié)議并存，硬件實(shí)時通訊部分（S7通訊協(xié)議）和軟件實(shí)時通訊部分（標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議）經(jīng)過優(yōu)化后可以同時在一條總線上運(yùn)行，這樣既保證了通訊的可靠性，同時也滿足了通訊的快速性，其節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)、減均十分方便，具有很大的靈活性［8］。Profinet是基于ASIC專用芯片的硬件實(shí)時通訊的現(xiàn)場總線，由于其通訊速率達(dá)100 Mb/s，在寬帶范圍內(nèi)，Profinet的通訊性能甚至要優(yōu)于ProfibusDP，而其可靠性則要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通工業(yè)以太網(wǎng)［9］，是未來監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的方向［10］。

根據(jù)上述分析、對比，結(jié)合大型船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)測控點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)，確定選用Profinet總線做為其現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的原理

1）系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流向。

監(jiān)控裝置主要由機(jī)電集控室2臺中央控制站微機(jī)、1臺數(shù)據(jù)處理微機(jī)、6臺分站和遠(yuǎn)程I/O處理模塊等組成。數(shù)據(jù)流向（圖1）如下：

（1）各分站采集各自所屬的遠(yuǎn)程I/O信號，處理后將信息分別發(fā)送到3臺監(jiān)控微機(jī)。

（2）各監(jiān)控微機(jī)分別向各分站發(fā)送控制指令。

（3）各監(jiān)控微機(jī)之間相互交換部位切換和授權(quán)等信息。

圖1 通訊系統(tǒng)信息流向圖Fig.1 Data flow in the communication system

2）數(shù)據(jù)流量及帶寬要求。

（1）測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：總點(diǎn)數(shù)約為1 000點(diǎn)。

（2）帶寬需求計(jì)算。

分站與監(jiān)控微機(jī)之間的通訊協(xié)議為基于TCP/IP的S7協(xié)議，可初步估算傳送幀所需的字節(jié)數(shù)：根據(jù)各個分站的測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，一個分站與一臺監(jiān)控微機(jī)之間傳送的信息量平均為200點(diǎn)參數(shù)（含監(jiān)測、控制和報(bào)警信息）；根據(jù)基于TCP/IP的S7協(xié)議規(guī)定，1次需傳送完200點(diǎn)參數(shù)信息，因此，傳送幀的帶寬約為2 kb。

為滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)1～2 s內(nèi)刷新一次的要求，6個分站應(yīng)在500 ms內(nèi)完成1次與1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送；又由于基于TCP/IP的S7協(xié)議中加入了令牌機(jī)制，所有分站不能同時傳送數(shù)據(jù)，因此6個分站只能依次獲取令牌與1臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；所以，若要滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時性要求，1個分站應(yīng)在1/12 s內(nèi)完成1次與1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，交換頻率為每秒12次?；赥CP/IP的S7協(xié)議是面向連接的（connection-oriented），即分站要分別與2臺機(jī)電集控室燃油輸送監(jiān)控微機(jī)和1臺數(shù)據(jù)處理微機(jī)共建立3個連接，同樣的數(shù)據(jù)幀要求每臺監(jiān)控微機(jī)傳送1次，共計(jì)3次。

集控室燃油監(jiān)控微機(jī)與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)交互的信息為檢測信息190點(diǎn)，報(bào)警信息30點(diǎn)，傳送幀的帶寬約為3 kb。為滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)1～2 s內(nèi)刷新一次的要求，燃油監(jiān)控微機(jī)應(yīng)在500 ms內(nèi)完成1次與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。因此，要滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時性要求，監(jiān)控微機(jī)就應(yīng)在1/2 s內(nèi)完成1次與1臺平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，交換頻率為每秒2次。由于是與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)1臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，因此連接數(shù)為1。

2.2 體系架構(gòu)

燃油輸送移注監(jiān)控裝置采用網(wǎng)絡(luò)化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合平臺主干網(wǎng)強(qiáng)大的通訊保障能力，以及成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，將傳感器、控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場采集處理模塊、監(jiān)控分站和各級監(jiān)控主站等設(shè)備集成為一個適合燃油輸送系統(tǒng)的扁平化3級架構(gòu)的監(jiān)控裝置?；驹砣鐖D2所示。

2.3 傳感器選型

2.3.1 連續(xù)液位傳感器

傳感器的選型要滿足環(huán)境條件的需求，包括溫度、大氣壓力、振動、電磁干擾、灰塵、雨水和煙霧等，而船用傳感器則首先應(yīng)滿足船舶環(huán)境要求：高溫、高濕（有凝露）、煙霧、霉菌，以及傾斜搖擺。

2.3.2 點(diǎn)式液位傳感器

圖2 系統(tǒng)組成基本原理圖Fig.2 System architecture

針對油料特性，點(diǎn)式液位傳感器選取了音叉式液位開關(guān)。振動元件（音叉）通過壓電供能，在壓電陶瓷的驅(qū)動下以1 200 Hz的機(jī)械諧振頻率振動。壓電陶瓷因受到機(jī)械固定，不易受溫度驟變的影響。一旦振動元件接觸到被測介質(zhì)，振動頻率就會改變，然后應(yīng)用一體式電子部件檢測該振動頻率的變化，并轉(zhuǎn)換成開關(guān)命令。

2.3.3 溫度傳感器

油艙及管路溫度傳感器使用傳統(tǒng)熱電阻式傳感器配以溫變模塊，選型中，需根據(jù)油艙高度及傳感器安裝位置選擇溫度傳感器的桿長。電氣接口為二線制，24 V DC輸入，輸出4～20 mA電流信號。

2.4 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

2.4.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊的功能：

1）采集油艙和泵組的信息（包括液位、溫度、泵組、閥門監(jiān)控等）；

2）通過Profinet現(xiàn)場總線，將信息發(fā)送到對應(yīng)的監(jiān)控分站；

3）按監(jiān)控分站指令信息，控制驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行單元（泵、閥）。

數(shù)據(jù)采集處理模塊原理：利用系統(tǒng)現(xiàn)場分布式I/O，進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，把指令數(shù)據(jù)通訊信號轉(zhuǎn)為電壓、電流驅(qū)動信號，控制對應(yīng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)（泵、閥），采集處理液位、油溫、閥位等信號，并發(fā)送到監(jiān)控分站。

2.4.2 監(jiān)控分站

燃油輸送監(jiān)控分站的功能：

1）收集所屬分區(qū)內(nèi)所有現(xiàn)場采集單元的監(jiān)控信息。

2）通過平臺主干網(wǎng)，傳送監(jiān)控信息到各監(jiān)控主站。

3）根據(jù)中央控制臺發(fā)送到分站的控制指令，對相對應(yīng)的泵和閥進(jìn)行開關(guān)控制。

4）向數(shù)據(jù)采集處理模塊提供24 V DC電源。

5）分站數(shù)據(jù)采集濾波功能：每個循環(huán)分站對遠(yuǎn)程I/O端口進(jìn)行一次掃描，并進(jìn)行濾波。

6）分站報(bào)警處理功能：對每次處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警設(shè)置，并把處理結(jié)果發(fā)給中央監(jiān)控臺進(jìn)行報(bào)警顯示。

燃油輸送監(jiān)控分站工作原理：利用分站的PLC主機(jī)和網(wǎng)卡向上接入全艦平臺主干網(wǎng)和控制主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向下接Profinet現(xiàn)場總線和分區(qū)內(nèi)的各個數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，對上位的控制指令和下位的監(jiān)測信息進(jìn)行上傳下達(dá)。

2.4.3 監(jiān)控主站

1）監(jiān)測原理及功能。

監(jiān)控主站實(shí)時監(jiān)測燃油液位、溫度、液位高低位及燃油輸送泵運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，現(xiàn)場信號經(jīng)采集變換后，通過Profinet總線傳輸至分站，分站與上層加固微機(jī)通過建立在平臺主干網(wǎng)上的虛擬以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在中央監(jiān)控臺上主要實(shí)現(xiàn)如下監(jiān)測功能：（1）參數(shù)顯示功能：對所有監(jiān)測的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時顯示。

（2）報(bào)警功能：對各超限參數(shù)可進(jìn)行實(shí)時聲光報(bào)警。

（3）數(shù)據(jù)共享功能：通過OPC服務(wù)器向管理部門提供油艙的液位和油量等數(shù)據(jù)。

2）控制原理及功能。

控制的主要原理為：在遙控狀態(tài)下監(jiān)控主站程序，檢查、檢驗(yàn)油艙聯(lián)鎖條件，控制燃油泵的遙控啟/停，以及燃油艙和輸送管路的液動蝶閥開關(guān)，將燃油輸送泵、閥的控制等指令傳送到監(jiān)測分站，然后由監(jiān)測分站通過Profinet總線傳送到相關(guān)閥件和燃油輸送泵的控制箱，最后由燃油輸送泵控制箱實(shí)現(xiàn)泵的遙控。

2.5 軟件開發(fā)研究

軟件的編制采用Windows XP環(huán)境下的LabVIEW編程［11］，通過數(shù)據(jù)采集、人機(jī)對話、參數(shù)顯示、報(bào)警記錄和圖形顯示等來實(shí)現(xiàn)對燃油系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的記錄和監(jiān)測，并對一些泵和閥進(jìn)行控制。人機(jī)界面截圖如圖3所示。

圖3 人機(jī)界面的截圖Fig.3 Screenshot of the human-machine interface

主程序框圖如圖4所示，數(shù)據(jù)采集處理模塊程序框圖如圖5所示。

3 測試與交驗(yàn)

3.1 聯(lián)調(diào)測試

試驗(yàn)?zāi)康模簷z查裝置內(nèi)、外部接口的正確性和協(xié)調(diào)性；檢查裝置功能的正確性和完整性。

主要進(jìn)行了如下測試：

1）系統(tǒng)監(jiān)測控制功能調(diào)試；

2）系統(tǒng)與傳感器的匹配調(diào)試；

3）模擬實(shí)船布置的系統(tǒng)功能測試等。

圖4 主程序框圖Fig.4 Block diagram of the main program

圖5 數(shù)據(jù)采集處理模塊程序框圖Fig.5 Program flow chart of data collection modules

其中，模擬實(shí)船布置是指將監(jiān)控分站與監(jiān)測模塊之間的供電和通訊電纜的距離按照實(shí)船最大的供電和通訊電纜長度進(jìn)行敷設(shè)測試。

在模擬實(shí)船布置的系統(tǒng)功能測試中，出現(xiàn)了當(dāng)布置在監(jiān)控分站以下的數(shù)據(jù)采集處理模塊超過4級時其配置的液位傳感器不能正常啟動的故障。原因分析：監(jiān)控分站以下數(shù)據(jù)采集處理模塊的供電及通訊電纜的連接方式為串式拓?fù)?，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)供電模式為長距離直流供電，為保證數(shù)據(jù)采集處理模塊的電壓處于規(guī)定范圍內(nèi)，每個模塊內(nèi)部均設(shè)置了開關(guān)電源模塊用以升壓穩(wěn)壓。模塊使用的電源為監(jiān)控分站內(nèi)從西門子SITOP電源AC 380 V轉(zhuǎn)換來的DC 24 V。由于同一條線纜上的開關(guān)電源模塊數(shù)量過多，放大了DC 24 V上的7次諧波［12-14］，而西門子SITOP電源抑制諧波能力有限，串接至5級時在末端造成直流供電DC 24 V出現(xiàn)了約±2 V的紋波；另高精度的導(dǎo)波液位傳感器對紋波敏感，超過±1 V即無法開機(jī)。查找到原因后，修改了設(shè)計(jì)，從監(jiān)控分站中引出多路供電電源，確保每條直流供電線供電的數(shù)據(jù)處理模塊不超過2個。經(jīng)測試，在2級時，紋波降低至±0.3 V，液位傳感器能正常使用。

通過陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，解決了裝船設(shè)計(jì)問題。

3.2 實(shí)船測試

主要進(jìn)行傳感器測試、單機(jī)恢復(fù)試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和功能效用試驗(yàn)等。試驗(yàn)方法有模擬法或效用法。連續(xù)液位傳感器的調(diào)試需要借助測深尺進(jìn)行零位校核。測量精度檢查，是采用注入或抽出相應(yīng)液體的方法增加或減少艙容，每個液艙抽驗(yàn)不少于3點(diǎn)（低位、中位、高位），用經(jīng)檢驗(yàn)合格的測深尺將測得的讀數(shù)與液位測量裝置測量的讀數(shù)進(jìn)行比較，判斷其誤差大小，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。對于泵和閥的遙控，先進(jìn)行空載試驗(yàn)，成功后再進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。

所有單機(jī)檢測完成后，進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和功能效用試驗(yàn)，重點(diǎn)檢查測試監(jiān)控軟件的正確性和可靠性，以及網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時性，最終完成全部試驗(yàn)，交付用戶。

4 結(jié) 語

由于在設(shè)計(jì)前對技術(shù)體制進(jìn)行了反復(fù)論證，開展設(shè)計(jì)后經(jīng)過了樣機(jī)驗(yàn)證，制造完畢交付前又經(jīng)過了陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，因而解決了原理驗(yàn)證和裝船設(shè)計(jì)問題，保證了系統(tǒng)研制的成功。經(jīng)過船上調(diào)試，最終解決了適配性問題和功能問題。

本系統(tǒng)的成功研制，提高了同類船舶燃油輸送系統(tǒng)的自動化水平。

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Research and Design of the Fuel Transfer Monitoring System on Ships

ZHANG Jianping，TUO Aili，XIN Yu

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The monitoring system of fuel transfer system（MSFTS）used in large ships is studied in this paper，with its divisional design philosophy introduced.To guarantee the advancement，reliability，and applicability of equipment，the design of field bus network and the selection of sensors are particularly discussed，and a straightforward human-machine interface is programmed into the MSFTS.Also，the monitoring management function，the components of network，and the data processing unit are studied in detail.For optimization，a debug test has been conducted，with some typical problems being identified.Finally，the host net is built based on the system's main network，whose robustness and reliability greatly enhance the communication and data transfer capacity of MSFTS and eliminate the risk and cost of using individual networking.

large ship；fuel transfer；monitoring；field network；Profinet bus

U664.5

A

1673－3185（2014）02－111－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.020

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.020.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－08－14 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-3-31 16:33

張建平（1964－），男，高級工程師。研究方向：船舶動力裝置。E-mail：zjp7011＠163.com

庹艾莉（1980－），女，碩士，工程師。研究方向：船舶動力裝置

張建平

［責(zé)任編輯：喻 菁］