王 勇，陳庭勛，童佳俊，季小剛

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

基于SCADA的船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究

王 勇，陳庭勛，童佳俊，季小剛

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是一種保證船舶供電安全和穩(wěn)定的重要控制系統(tǒng)。論文設(shè)計的是結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)并且基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SACDA）的船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)船舶電站全天候、精準(zhǔn)的監(jiān)控，該系統(tǒng)還具有故障報警、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等功能。

船舶電站；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；SCADA

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)、控制技術(shù)以及自動化技術(shù)與船舶電站聯(lián)系的更加緊密，在這種背景下，船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展迅速。而目前 SCADA系統(tǒng)在國內(nèi)，尤其在船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用還不夠廣泛，我國的高校、科研院所對 SCADA系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，導(dǎo)致 SCADA系統(tǒng)的技術(shù)在船舶應(yīng)用上很少，應(yīng)用與開發(fā)的技術(shù)并不成熟，在認(rèn)識和經(jīng)驗上相對薄弱，在這方面的研究和實踐還需要不斷努力。本文基于 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）設(shè)計了一種船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 SCADA概述

SCADA[1]系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，通常與控制設(shè)備PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器）組合使用，也可以接智能表、板卡等來使用。SCADA系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，早期通常運(yùn)行在DOS、UNIX、VMS系統(tǒng)中，現(xiàn)在多數(shù)運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)中，只有少部分是運(yùn)行在 Linux系統(tǒng)中。SCADA系統(tǒng)功能強(qiáng)大，它可以對現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制及各類信號報警等。目前，很多行業(yè)都采用了 SCADA系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，比如電力、食品、科研、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，尤其在電力行業(yè)，SCADA系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用最為成熟、廣泛。當(dāng)前對船舶電站監(jiān)控的要求是可靠性高、安全性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好，同時還要符合自動化與現(xiàn)代化要求，針對這些要求，SCADA系統(tǒng)對有著不可代替的作用。

2 船舶電站的組成

船舶電站系統(tǒng)包括電源裝置、配電裝置、電網(wǎng)和負(fù)載四部分[2]。

1）電源裝置。電源裝置是一種提供電能的裝置，柴油機(jī)組和蓄電池組是船舶上比較常用的兩種電源裝置[3]。

2）配電裝置。配電裝置是對電源和負(fù)荷進(jìn)行計量和控制的裝置，通常配電裝置設(shè)在發(fā)電廠或者變配電所處[3]。

3）電網(wǎng)。電網(wǎng)是全船電纜電線的總稱，其作用是輸送電能、分配電能[3]。

4）負(fù)載。負(fù)載主要包括船舶上的各種機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、廚房用電設(shè)備以及其他用電設(shè)備[3]。

3 船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

可編程控制器（PLC）是一種先進(jìn)的控制設(shè)備，具有功能強(qiáng)、可靠性高、易操作等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。論文船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中采用的是服務(wù)器與工作站的形式。

工作站中采用的是某公司的AIMC-2100-00A1E工控機(jī)，如圖1所示，每個工作站都有一個唯一的IP地址，除了工控機(jī)之外，還包括服務(wù)器、GPS、交換機(jī)、打印機(jī)，服務(wù)器使用的是戴爾Power Edge系列。

圖1 系統(tǒng)診斷圖

控制設(shè)備采用某公司的AC500PLC[4]，在硬件設(shè)備連接方式上 SCADA系統(tǒng)一般采用的是點到點方式連接到服務(wù)器上，或者采用總線方式。點到點方式的連接是通過串口（RS232）連接到服務(wù)器上，總線方式是通過RS485或以太網(wǎng)等方式連接到服務(wù)器上，最終實現(xiàn)服務(wù)器、控制器還有其他設(shè)備的連接。典型的硬件配置如圖2所示。

船舶電站中用來閉合或開斷電路的設(shè)備，一般工作在電壓等級比較高的環(huán)境下，為保護(hù)船舶電站的正常工作，則需要電力開關(guān)作保護(hù)。此系統(tǒng)需要用到的電力開關(guān)包括斷路器、隔離開關(guān)以及接地開關(guān)。斷路器[5]在電力系統(tǒng)中常常被用到，它是一種隔離高電壓大電流短路保護(hù)的開關(guān)。隔離開關(guān)是用來隔離帶電裝置或電源的一種開關(guān)電器，通常與斷路器配合使用，在實際操作時它必須要先于斷路器合閘，后于斷路器分閘。接地開關(guān)也是一種重要的保護(hù)裝置，它的作用是承載非正常條件下的電流，例如，短路電流。但是在電路正常工作的情況下不需要承載。上述提到的電力開關(guān)器件如圖 3所示，這三種設(shè)備是起到保護(hù)所在回路正常使用及安全的作用。

圖2 SCADA系統(tǒng)典型的硬件配置

以備用發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面為例，當(dāng)船舶電站向電氣設(shè)備供電時，B1盤和B4盤上的斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)會相繼開通，為電氣設(shè)備供電。每個盤上都有電表和檢測設(shè)備，實時監(jiān)控硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。在各個監(jiān)控界面上可對船舶電站上相應(yīng)的硬件設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實時的觀察硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行不正常，可以很清晰的在監(jiān)控界面上看到故障的位置及報警的信息。當(dāng)設(shè)備重新正常穩(wěn)定的工作，監(jiān)控界面將會正常顯示。

圖3 備用發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面

4 船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1）圖形界面工具

監(jiān)控界面軟件采用 SCADA設(shè)計。在工具箱里運(yùn)行畫面編輯器對界面進(jìn)行編輯，圖形界面中每個對象作為獨(dú)立的單元，都有各自的狀態(tài)，可以通過對象的屬性進(jìn)行設(shè)置。根據(jù) SCADA系統(tǒng)需要實現(xiàn)的具體功能，此設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)診斷圖、一號和二號發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面、開關(guān)跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監(jiān)控的功能。例如，用畫面編輯器對一號發(fā)電機(jī)和二號發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行編輯，所得的圖形如圖4所示。界面的最下面是系統(tǒng)的各個不同監(jiān)控界面，點擊即可進(jìn)入相應(yīng)的界面。從圖中可以看到電氣設(shè)備的電流和功率參數(shù)，點擊進(jìn)入即可查看更詳細(xì)的數(shù)據(jù)?？紤]到船舶航行的復(fù)雜性，當(dāng)一號和二號發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將調(diào)用備用發(fā)電機(jī)，備用發(fā)電機(jī)的監(jiān)控界面圖如圖 3所示。其功能與兩臺常用發(fā)電機(jī)一樣，供電以帶動電動機(jī)、照明設(shè)備和其他用電設(shè)備，多余的電能儲存在蓄電池中。

圖4 一號和二號發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面

2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[6]包括實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。

SCADA系統(tǒng)內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)庫不受現(xiàn)場設(shè)備的制約，它能夠記錄實時過程的歷史數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)運(yùn)行時將過程存檔，并能夠查詢歷史數(shù)據(jù)，還能夠?qū)Ξa(chǎn)生的事故進(jìn)行分析等。SCADA系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫工作原理是將實時數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容以某種方式轉(zhuǎn)成歷史記錄，在查看歷史數(shù)據(jù)時則需要通過數(shù)據(jù)庫處理獲得，例如此設(shè)計中開關(guān)跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監(jiān)視四個子界面中的數(shù)據(jù)信息。

3）事件及報警

為了提高整個系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)對各盤的溫度進(jìn)行了監(jiān)控，當(dāng)電氣設(shè)備的溫度過高時將會報警。報警模塊能夠提供實時、準(zhǔn)確的報警信息提示操作人員，報警模塊從實時數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，將處理的結(jié)果以事件方式寫入歷史報警記錄。例如溫度監(jiān)視界面如圖5所示。

圖5 溫度監(jiān)視圖

事件處理功能可以記錄系統(tǒng)中各種狀態(tài)的變化和其他活動情況，例如用戶登陸、注銷、站點啟動、參數(shù)修改等。

監(jiān)控界面包括 9個子界面，分別是系統(tǒng)診斷圖、一號發(fā)電機(jī)、二號發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)、開關(guān)跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監(jiān)視。點擊按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)的界面，當(dāng)點擊開關(guān)跳脫記錄按鈕，即可查看相應(yīng)的開關(guān)通斷情況。開關(guān)跳脫記錄界面如圖6所示。

圖6 開關(guān)跳脫記錄

5 總結(jié)

論文對 SCADA系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括SCADA系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用背景、概述、船舶電站結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。重點介紹了SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控界面，整個界面由系統(tǒng)診斷圖、一號發(fā)電機(jī)、二號發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)、開關(guān)跳脫記錄、報表、趨勢圖和溫度監(jiān)視組成。SCADA系統(tǒng)在電站監(jiān)控中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)采集范圍的距離很遠(yuǎn)；數(shù)據(jù)采集站點數(shù)量多；實時性高；硬件介質(zhì)兼容能力強(qiáng)；現(xiàn)場模塊（RTU）靈活，且適用于惡劣環(huán)境。綜合考慮多方面的因素，論文設(shè)計的SCADA系統(tǒng)對船舶電站供電的安全性、可靠性及穩(wěn)定性具有很好的實際應(yīng)用效果。

[1] 顏志斌. 基于 SCADA的宿遷中油運(yùn)河油庫罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D]. 四川: 電子科技大學(xué), 2011.

[2] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2009.

[3] 劉國平. 船舶電氣與通信[M]. 北京: 海洋出版社,2010.

[4] 袁任光. 可編程控制器選用手冊[M]. 北京: 機(jī)械出版社, 2002.

[5] 電力開關(guān)的職能和分類[OL]. 成套電氣論壇,www.59ct.cn, 2013.

[6] 宋新航. SCADA系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

Design of the Remote Monitoring of Marine Power Station Based on SCADA

WANG Yong, CHEN Ting-xun, TONG Jia-jun, JI Xiao-gang
(Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhejiang Zhoushan 316000,China)

The remote monitoring system of marine power station is an important system that it is to keep the security and stability. The thesis has designed a marine power automation system based on supervisory control and data acquisition (SCADA) that combining Ethernet network-communication.Using advanced science technology, the system is not only to monitor and control the work of marine power station on real-time and accurately, but also to have such functions as fault alarm, data acquisition, device control and so on.

marine power station; remote monitoring system; SCADA

U665.12

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.022

王勇（1990-），男，碩士研究生在讀，從事船舶電氣與自動化研究。