江 濤,段黎明,鄧子輝

(1.重慶大學ICT研究中心，重慶 400030; 2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400030)

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設計

江 濤1,2,段黎明1,鄧子輝1,2

(1.重慶大學ICT研究中心，重慶 400030; 2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400030)

針對國內(nèi)傳統(tǒng)儀器監(jiān)測信號和現(xiàn)場監(jiān)測在功能和顯示方面的不足，采用VB可視化建模、數(shù)據(jù)庫、傳感器、無線網(wǎng)絡通信等技術(shù)，設計開發(fā)了船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化的設計方法，分別進行硬件和軟件設計，主要對船艇的主推進機組和柴油發(fā)電機機組的運行狀態(tài)進行綜合監(jiān)測與報警。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可以滿足對船艇動力設備的實時監(jiān)測與報警的要求，而且為后續(xù)故障預測與診斷提供了充分的數(shù)據(jù)信息，具有實際應用價值。

船艇；動力設備；遠程監(jiān)測與報警

0 引 言

確保船艇隨時處于適航狀態(tài)對保障船員的生命安全和支持國家經(jīng)濟建設具有重要的意義，而船艇動力設備的穩(wěn)定運行是保證船艇正常工作的前提。盡管船艇工作人員在解決故障方面有一定的經(jīng)驗，但遠不能滿足使船艇時刻處于正常工作狀態(tài)要求。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，船艇動力設備監(jiān)測與報警技術(shù)越來越受到人們的關注，國外和國內(nèi)的許多科研工作人員都開始對這一領域進行深入的研究。

國外對于船艇動力設備監(jiān)測與報警系統(tǒng)的研究起步較早[1-4]，也較為先進，目前國內(nèi)對此領域的研究與國外相比仍有相當大的差距[5-9]，主要表現(xiàn)在：監(jiān)測方法單一，監(jiān)測對象簡單，報警功能不足，無法進行全面監(jiān)測與綜合診斷。然而，我國船舶事業(yè)的飛速發(fā)展給船艇監(jiān)測自動化方向提出了新的要求。因此，開展船艇動力設備監(jiān)測與報警系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。

本文以長江航道局某航道維護船艇為研究對象，設計開發(fā)了船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)，對其主推進機組和柴油發(fā)電機組進行實時監(jiān)測與及時報警，不僅有利于船員與岸上指揮人員掌握船艇的當前運行狀態(tài)，而且為后續(xù)的故障預測與診斷提供重要的數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)的目的是反映船艇動力設備各項運行數(shù)據(jù)，對異常的設備狀態(tài)信息進行及時報警，存儲相應的運行數(shù)據(jù)與報警信息，并且將船艇的運行數(shù)據(jù)實時發(fā)送至遠程監(jiān)測中心，供遠程工作人員對其進行指揮和操作。圖1為船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)的總體設計方案。

圖1 系統(tǒng)總體設計方案Fig.1 Overall system design

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)主要由信號源、信號采集、信號預處理、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)無線傳輸、遠程接收與處理等6部分組成。其工作原理主要分為2個流程：1)通過安裝在機械設備監(jiān)測點上的傳感器進行信號采集，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦I(yè)控制模塊中預處理后，輸入工控機中由軟件系統(tǒng)對信號進行分析，實時顯示與存儲，并根據(jù)給定的報警閥值進行相應的報警。2)將現(xiàn)場監(jiān)測軟件系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)信息進行打包，通過GPRS無線網(wǎng)絡發(fā)送至遠程監(jiān)測計算機，由遠程監(jiān)測軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行解析、顯示與存儲。

2 系統(tǒng)監(jiān)測對象和參數(shù)分析

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測對象

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)的監(jiān)測對象為長江航道局的某航道維護船艇。其主要的動力設備分為以下2個部分：

1)主推進機組為VOLVO發(fā)動機有限公司生產(chǎn)的D7AT型柴油機，如圖2所示。

2)柴油發(fā)電機組為美國奧南動力公司生產(chǎn)的MDKBR-7230758型柴油發(fā)電機，如圖3所示。

圖2 左主推進機組Fig.2 Left main propulsion unit

圖3 柴油發(fā)電機組Fig.3 Diesel generator set

2.2 系統(tǒng)參數(shù)分析

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)主要包括左右主推進機組和柴油發(fā)電機組的常規(guī)熱力學參數(shù)，如柴油機的瞬時轉(zhuǎn)速、滑油溫度、滑油壓力、冷卻水溫以及運行與報警信號等。該系統(tǒng)的詳細監(jiān)測參數(shù)如表1所示。實時采集上述參數(shù)，并將其引入船舶動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)中處理分析，實時顯示設備當前狀態(tài)。

表1 系統(tǒng)詳細監(jiān)測參數(shù)

3 硬件系統(tǒng)設計

圖4 系統(tǒng)硬件組成圖Fig.4 Composition diagram of the system hardware

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由以下4部分組成(見圖4)。

1)傳感器

根據(jù)測量對象的特點、測量環(huán)境以及傳感器的使用條件，轉(zhuǎn)速傳感器選擇選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感變送器，壓力傳感變送器選用壓電式傳感變送器，溫度測量選用熱敏電阻傳感變送器。這3種傳感器均安裝在左右推進機組與柴油發(fā)電機組機體的預留接口上，能夠獲得準確的瞬時轉(zhuǎn)速、溫度與壓力信號，為后面的狀態(tài)監(jiān)測與報警奠定基礎。

2)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集分為監(jiān)控室采集和機艙現(xiàn)場終端采集2部分。

監(jiān)控室中主要是對集控臺中的運行信號進行采集，該信號主要為開關量信號，選用的是研華ADAM-4051，該模塊提供16路隔離數(shù)字量輸入通道，并且輸入支持干接點和濕接點。

機艙現(xiàn)場終端的模擬量輸入模塊、測頻模塊和485/232轉(zhuǎn)換模塊分別選用研華ADAM-4117、研華ADAM-4080、研華ADAM-4520。ADAM-4117帶Modubs的8路差分輸入通道，傳輸距離1 200 m，采用RS485，2線數(shù)字接口。ADAM-4080計數(shù)器/頻率輸入模塊有2個32位計數(shù)器，其中的嵌入式可編程定時器用于頻率測量。ADAM-4520是有源的RS232 到RS422/485 的轉(zhuǎn)換器、自動識別信號流向?qū)崿F(xiàn)485和232的雙向轉(zhuǎn)換，且信號端具有3000VDC 隔離保護。

3)工控機

工控機選用的是研華IPC-6606系列。該工控機具有抗震性，散熱性能強，能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作。另外，在工控機中，可以進行數(shù)據(jù)的實時顯示、保存以及對監(jiān)測點提取特征信號等，完成系統(tǒng)監(jiān)測和診斷。

4)無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)選用GPRS無線網(wǎng)絡，其接口框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集終端硬件組成圖Fig.5 Data collection terminal hardware components diagram

無線傳輸模塊選用成都眾山科技有限公司生產(chǎn)的ZSD31系列GPRS DTU。它基于移動通信網(wǎng)絡，針對工業(yè)監(jiān)測、交通管理和金融等行業(yè)的數(shù)據(jù)通信的應用而開發(fā)。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復雜網(wǎng)絡協(xié)議和SOCKET插口標準，提供全透明數(shù)據(jù)傳輸和用戶自由控制傳輸2種模式。同時支持點對點、點對多點、設備間、設備與中心間等各種不同的通訊模式。

4 軟件系統(tǒng)設計

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)軟件系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，是在VB編程語言平臺下進行開發(fā)設計的，由主推進機組和柴油發(fā)電機組兩大主要系統(tǒng)，信號采集與處理、數(shù)據(jù)的實時存儲、查詢與打印、主推進機組與柴油發(fā)電機組的監(jiān)測、數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)?大模塊組成。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖Fig.6 The block diagram of the system software

軟件系統(tǒng)根據(jù)4大模塊相應的功能設計成當前數(shù)據(jù)監(jiān)測、報警值設定、數(shù)據(jù)查詢打印、數(shù)據(jù)走勢顯示、船舶動態(tài)數(shù)據(jù)、機務管理系統(tǒng)等6個顯示界面。其中當前數(shù)據(jù)監(jiān)測界面包括左右主推進機組和柴油發(fā)電機組的所有運行參數(shù)和運行報警指示，數(shù)據(jù)查詢打印界面具有查詢和打印歷史運行記錄等功能，數(shù)據(jù)走勢顯示界面能夠顯示一段時間之內(nèi)左右主推進機組與柴油發(fā)電機組的全部熱力參數(shù)走勢曲線，報警值設定界面用于設定相關報警的閥值。

4.1 信號采集與處理模塊

工控機與數(shù)據(jù)采集模塊之間使用標準的RS232口進行數(shù)據(jù)的傳輸，利用VB提供的MSComm控件進行串口設置，對信號采集模塊寫入讀數(shù)據(jù)命令，從而接收來自由信號調(diào)理模塊預處理過后的設備運行參數(shù)。從串口接收到的數(shù)據(jù)信息根據(jù)傳感器的線性關系進行換算過后，得到當前設備的運行參數(shù)，顯示在軟件的界面中。

4.2 數(shù)據(jù)的實時存儲、查詢與打印模塊

數(shù)據(jù)的存儲與查詢功能需要用到數(shù)據(jù)庫技術(shù)。首先，需進行數(shù)據(jù)庫的選擇，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用的是目前主流的MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫屬于輕量型數(shù)據(jù)庫，方便輕小，容量較小，但是仍能完成絕大多數(shù)的應用場合是程序設計階段最好的試驗型數(shù)據(jù)庫；其次，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建6張表，分別用于存儲左右主推進機組和柴油發(fā)電機組的實時運行數(shù)據(jù)與報警記錄；最后，連接數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫進行寫入、讀取與打印操作。

4.3 主推進機組與柴油發(fā)電機組的監(jiān)測

主推進機組與柴油發(fā)電機組的實時狀態(tài)的顯示。主要對主推進機組的常規(guī)熱力參數(shù)進行實時監(jiān)測與報警指示，柴油發(fā)電機組除常規(guī)熱力參數(shù)外，還對輸出電壓與電流進行數(shù)字顯示。

4.4 數(shù)據(jù)的遠程傳輸

無線通信網(wǎng)絡選擇GPRS網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡具有傳輸信息量大、速度快、實時性強等特點[10-14]。通過GPRS無線網(wǎng)絡與監(jiān)控中心計算機建立無線網(wǎng)絡連接，選用ADSL數(shù)據(jù)通信作為監(jiān)控中心的接入方式。監(jiān)控中心計算機直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，采用TCP/IP通信協(xié)議，安全可靠準確性高，能夠及時獲知傳輸?shù)某晒εc失敗，并且具有斷點續(xù)傳功能。其實施圖如圖7所示。

圖7 遠程數(shù)據(jù)傳輸實施圖Fig.7 Implementation of remote data transmission diagram

5 系統(tǒng)的試用測試與結(jié)果

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)已在長江航道局某航標船試用，圖8為該船的某瞬時監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖中顯示的當前監(jiān)測數(shù)據(jù)包括了左右主推進機組與柴油發(fā)電機組的瞬時轉(zhuǎn)速、常規(guī)熱力參數(shù)以及運行報警指示等，將監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)與船艇儀器所測數(shù)據(jù)對比，可以看出系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)準確可靠，且界面生動形象。圖9為歷史記錄的查詢與打印界面，可以查詢數(shù)據(jù)庫存儲的歷史數(shù)據(jù)，方便工作人員查看船艇的歷史運行狀態(tài)。圖10為某瞬時船艇左右主推進機組與柴油發(fā)電機組的瞬時轉(zhuǎn)速與熱力參數(shù)的數(shù)據(jù)走勢，該走勢為1 min之內(nèi)的數(shù)據(jù)走勢狀況，數(shù)據(jù)走勢圖更好的為工作人員判斷動力設備故障發(fā)生的時間與位置。

圖8 某瞬時當前數(shù)據(jù)監(jiān)測Fig.8 A transient current data monitoring

圖9 某瞬時歷史記錄查詢Fig.9 A transient history query

圖10 某瞬時數(shù)據(jù)走勢顯示Fig.10 An instantaneous data trend shows

6 結(jié) 語

船艇動力設備遠程監(jiān)測與報警系統(tǒng)利用現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)對船艇動力設備的各項參數(shù)進行全面監(jiān)測，使用無線通信技術(shù)將設備運行狀況及時發(fā)送至遠程監(jiān)測中心，清晰地展現(xiàn)了設備的實時運行狀態(tài)。采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便歷史數(shù)據(jù)的查詢，經(jīng)試用測試后表明，系統(tǒng)的人機界面友好，監(jiān)測對象全面，具有實時性好，穩(wěn)定性、可靠性與擴展性強，開發(fā)成本低等特點，本文所展示的技術(shù)方案很好的實現(xiàn)了船艇的現(xiàn)場監(jiān)測與遠程監(jiān)測，對船艇航行的安全起到了重要的作用。

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A design of remote monitoring and alarm system for power equipment of ship

JIANG Tao1,2,DUAN Li-ming1, DENG Zi-hui1,2

(1.ICT Research Center,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

Against to the lack of features and display for the domestic traditional instrument to monitor signals and on-site monitoring，using VB visual modeling, databases, sensors, wireless network communication technology, design and development of a the boats power equipment remote monitoring and alarm system. The system uses a modular design method，then designing a system of hardware and software respectively. The system mainly comprehensive monitor and alarm the running state of main propulsion units and diesel generator sets of ship. The test results show that the system not only to meet the requirements of real-time monitoring and alarming the power equipment of ship，but also can provide sufficient data for the subsequent failure prediction and diagnosis. The system has a practical application.

ship;power equipment;remote monitoring and alarm

2013-03-01；

2013-04-09

江濤(1988-)男，碩士研究生，主要從事智能監(jiān)測與計算機協(xié)同監(jiān)控，設備故障診斷等方面的研究。

TP271

A

1672-7649(2014)07-0119-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.025