張浩，姜尚潔，王儐，郝祝，辛克梁

(1．齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100；2．青島中烏特種船舶研究設計院有限公司，山東 青島 266100；3. 青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266100)

船舶燃油消耗是航運公司最主要的成本之一，為了追求企業(yè)的最大經(jīng)濟效益，船東及租船人越來越關(guān)注燃油費用。但是船舶耗油量由人為測定，既不能保證數(shù)據(jù)的實時性，也不能確保數(shù)據(jù)的精確性[1]。因此，船舶油量信息不能只局限于船舶自身對現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)測和控制，還需要向岸基提供燃油信息。

船舶內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸可以通過局域網(wǎng)進行，采用有線網(wǎng)絡可以很好地完成監(jiān)控[2]。目前國內(nèi)外大多船舶的智能燃油測量裝置只是布置在柴油機上，現(xiàn)場采集柴油機各項參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、累計用油量等，然后通過信號采集箱將采集到的數(shù)據(jù)傳到集控室的機艙自動化系統(tǒng)，但不具備遠程監(jiān)測功能[3]，船舶與岸基上的數(shù)據(jù)通信必須通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)。一些船舶設備廠家已設計出岸基遠程船舶油耗監(jiān)控系統(tǒng)，比如斯藍盾公司的遠程船舶油耗監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示和記錄發(fā)動機所使用的各種燃油總消耗、結(jié)存量、以及不同狀態(tài)下的燃油平均消耗等數(shù)據(jù)信息，然而由于數(shù)據(jù)量大，其遠程數(shù)據(jù)傳輸方式只能采用衛(wèi)星通信，但是衛(wèi)星通信花費較高[4]，在船舶上應用并不廣泛。此外，單純的監(jiān)控發(fā)動機用油量并不能避免偷漏油情況的發(fā)生。為了解決以上問題，本文設計的燃油遠程監(jiān)控系統(tǒng)從燃油加裝源頭開始測量，采集小流量數(shù)據(jù)，傳輸選擇成本低的GPRS或GSM無線通訊方式[5]。一般燃油加裝都在港口進行，能夠保證無線網(wǎng)絡的覆蓋，可以達到安全使用要求。若在沒有GPRS或GSM無線網(wǎng)絡覆蓋的遠洋區(qū)域應急補給時采用船舶F站衛(wèi)星通信，本文只介紹采用GPRS或GSM無線網(wǎng)絡通信方式。此方式既保證了數(shù)據(jù)的精確性和實時性，又能降低成本。

本文設計的燃油加裝計量遠程監(jiān)控系統(tǒng)以ZigBee無線網(wǎng)絡、RTU(remote terminal unit)控制終端和GPRS DTU(data terminal unit)模塊為核心，輔以橢圓齒輪流量計、顯示終端等設備，實現(xiàn)了燃油加裝計量的在線遠程監(jiān)控。

1 燃油加裝計量遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

本文以遠洋船舶燃油整體消耗狀況為監(jiān)測目標，設計了一個基于流量采集、RTU遠傳終端和GPRS DTU技術(shù)的燃油整體消耗的監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)在燃油加裝處計量監(jiān)測，并實時地將小流量數(shù)據(jù)遠傳到岸基平臺上，既保證了油耗信息的準確性，又能降低成本。

圖1 燃油加裝計量系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of refueling measurement system

如圖1所示，系統(tǒng)總共分為三大模塊：

(1)數(shù)據(jù)采集模塊：首先利用橢圓齒輪流量計將采集到的數(shù)據(jù)通過采集模塊以RS485通信的方式傳給ZigBee無線網(wǎng)絡。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊：數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程控制終端(RTU)，RTU對流量進行積算，對定量進行控制，工業(yè)顯示屏現(xiàn)場顯示數(shù)據(jù)和修改參數(shù)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸及顯示模塊：經(jīng)RTU處理后的數(shù)據(jù)再次轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS DTU模塊，通過GPRS網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)以2G無線方式或GSM短信的方式發(fā)送到岸上的船舶管理公司相關(guān)人員的手機上，及時上報船舶燃油加裝狀況，實現(xiàn)輪船燃油加裝自動測量和遠程監(jiān)控。

2 硬件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)適用于已經(jīng)運營的船舶，可直接安裝在加油口處，具體的輪船燃油加裝自動測量和遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Fundamental diagram of system hardware

首先，流量傳感器將采集到的流量信號以脈沖的方式輸出，溫度傳感器和壓力傳感器將采集的溫度和壓力信號以4～20 mA電流形式輸出，經(jīng)采集模塊由ZigBee無線通信傳輸?shù)絉TU，可避免電纜鋪設的麻煩；RTU對數(shù)據(jù)進行加工處理，可以得到瞬時流量、累計流量、本次總加裝量等船東關(guān)注的關(guān)鍵信息，最后通過GPRS DTU模塊將最終數(shù)據(jù)遠傳到岸基管理人員手中。

船舶燃油具有粘度較大、溫度較高、流速較慢、回油有脈動等特點，本文依照遠洋船舶的環(huán)境特點，選用鑄鋼橢圓齒輪流量計，精度等級為0.5級，特別適用于燃油的計量，在船舶環(huán)境條件下工作穩(wěn)定[6]。流量計輸出電脈沖信號，采用RS485串口傳輸，可與計算機和其他智能儀表聯(lián)機工作。流量計在安裝之前應配套過濾器，且過濾器的出口緊接流量計的入口，兩者指向應與液體流量一致。

3 軟件系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集主要是利用傳感器采集管路中的信息，并把采集的信息利用ZigBee傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊主要對現(xiàn)場信號進行監(jiān)測和控制，達到用戶的要求。GPRS DTU模塊負責將最終數(shù)據(jù)遠傳到用戶手中。ZigBee數(shù)據(jù)短距離無線傳輸、RTU數(shù)據(jù)處理和GPRS DTU模塊的軟件設計如下。

3.1 ZigBee模塊

此系統(tǒng)利用F8913D ZigBee模塊傳輸傳感器數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)簡單的無線傳感器網(wǎng)絡[7]。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[8]。作為一種無線連接，ZigBee克服了Bluetooth傳輸距離的限制和抗干擾能力差的問題，并且與Wi-Fi相比，功耗更低。ZigBee可以工作在2.14 G全球通用的頻段上，首先通過RS485串口方式采集傳感器數(shù)據(jù)，將其看做終端。然后，另一個ZigeBee作為協(xié)調(diào)器與單片機或電腦通信，接收終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。ZigBee之間以串口透傳方式傳輸，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻發(fā)送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)分組都必須等待接收方的確認消息，并進行確認信息回復，若沒有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了沖突，將重傳一次。采用這種方法，可以提高系統(tǒng)信息傳送的可靠性。在本系統(tǒng)中ZigBee收發(fā)數(shù)字信號，實現(xiàn)現(xiàn)場與工控箱的近距離無線傳輸。

3.2 RTU數(shù)據(jù)處理與通信

RTU主要用于室外惡劣環(huán)境中，比如在一些無人值守的站點，本文采用的RTU為BH系列。RTU遠程終端控制系統(tǒng)通過監(jiān)視和測量安裝在現(xiàn)場的傳感器和設備，實現(xiàn)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設備的監(jiān)測和控制[9]。流量計采集到的數(shù)據(jù)通過RS485通信的方式，經(jīng)由ZigeBee無線網(wǎng)絡傳送到遠程控制終端(RTU)，RTU首先將這些信號轉(zhuǎn)換為可以在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式，同時還將從中央計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對設備的功能控制，并給出預警信息[10]。

具體的方法為：當RTU接收到RS485信號后，完成現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集和預處理，調(diào)用子程序?qū)α髁繑?shù)據(jù)進行濾波；當管路堵塞壓力超出閾值、溫度過高超出閾值時進行聲光報警；發(fā)送中斷服務，利用串口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS DTU模塊；當GPRS DTU檢測到有數(shù)據(jù)輸入時，監(jiān)控指示燈亮，同時觸發(fā)上線，與RTU建立連接；當GPRS有信號時則通過接收中斷服務，把信號指令回傳到RTU，RTU將數(shù)據(jù)傳輸給GPRS DTU模塊，并完成數(shù)據(jù)上報；若GPRS沒有信號，RTU保存數(shù)據(jù)到本地，直到接收到信號回傳指令。另外，當DTU設備連接上數(shù)據(jù)中心，若在一定的時間里沒有來自串口的數(shù)據(jù)，DTU會自動下線，直到有來自串口端的數(shù)據(jù)后再觸發(fā)上線。其中，RTU處理流量數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

圖3 RTU數(shù)據(jù)處理子程序流程圖Fig.3 Flow chart of RTU data processing subprogram

3.3 GPRS DTU遠傳模塊

本文采用的GPRS DTU無線數(shù)傳模塊為DATA-6123，能夠在無人值守的情況下長期保持數(shù)據(jù)可靠傳輸，內(nèi)部集成了PPP和TCP/IP協(xié)議棧，可以很容易地實現(xiàn)串口設備的遠程通信功能[11]。

該模塊與RTU之間通過RS485串行口通信，通信速率最快可以達到115 200 bit/s。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，并將配置好的參數(shù)保存到內(nèi)部的永久存儲器內(nèi)[12]。RTU與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號，如DTR、DCD等,DCD信號可以檢測GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是AT命令傳送狀態(tài),DTR信號用來通知GPRS模塊傳送工作已經(jīng)結(jié)束。

軟件上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為串口驅(qū)動層、GPRS模塊驅(qū)動層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層和應用層。上層函數(shù)的實現(xiàn)需要應用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務就是為上層函數(shù)提供服務[13]。圖4描述了RTU與GPRS之間通信的流程。

GPRS DTU與數(shù)據(jù)中心之間的通信過程可以描述為：GPRS DTU上電后，首先讀取永久儲存器中保存的工作參數(shù)；然后登陸GSM網(wǎng)絡，進行GPRS PPP撥號；撥號成功后，GPRS DTU將獲得一個由移動隨機分配的內(nèi)部IP地址，通過移動網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)與外部Internet公網(wǎng)的通信[14]。

圖4 RTU向GPRS DTU傳送數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of data transmission from RTU to GPRSS DTU

4 測試結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的準確性，本文以行駛在無限航區(qū)9 500噸多用途貨船為例，比較每次燃油艙燃油增加量和監(jiān)控系統(tǒng)遠傳回來的燃油加裝總量。此貨船燃油艙容量為 501.86 m3，燃油艙燃油總量為艙容量的90%，以防止溢油。

由GPRS DTU模塊遠傳回來的數(shù)據(jù)通過組態(tài)王顯示到屏幕上，圖5給出了某次燃油加裝完成后的燃油數(shù)據(jù)界面。為了節(jié)約成本，瞬時流量、溫度和壓力值每半小時更新一次。圖6為燃油艙注油量與遠傳回來的燃油加裝總量四次比較曲線，從圖中可以看出，每次比較的燃油艙注油量和燃油加裝總量遠傳數(shù)據(jù)基本一致。

圖5 燃油數(shù)據(jù)界面Fig.5 Interface of fuel data

圖6 燃油艙注油量與燃油加裝總量遠傳數(shù)據(jù)比較曲線Fig.6 Comparison curve of fuel tank increments and refueling remote data

5 結(jié)論

本文設計的遠洋船舶燃油加裝計量遠程監(jiān)控系統(tǒng)，從燃油加裝源頭開始計量監(jiān)控，確保了燃油數(shù)據(jù)的準確性。利用ZigBee短距離無線傳輸傳感器數(shù)據(jù)，避免了電纜鋪設的麻煩；采用RTU遠傳控制終端對采集數(shù)據(jù)進行加工處理，實現(xiàn)了對現(xiàn)場信號的控制；GPRS DTU將得到的燃油加裝信息遠傳到船東手中，保證了數(shù)據(jù)的實時性。

本系統(tǒng)還存在不足之處，流量計安裝在無人值守的站點，輸出的脈沖信號會受到船舶上一些復雜情況的干擾，出現(xiàn)一定的失真。另外，燃油總流量的計算只是從燃油開始加裝到結(jié)束加裝，沒有計算每個艙的加裝量。為了更好地適應要求，系統(tǒng)將來應采用更先進的抗干擾措施，提高系統(tǒng)的可靠性；與閥門遙控相結(jié)合計算每個燃油艙加裝的流量，使比較結(jié)果更加明確。

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