葉高文

(廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門361100)

當前，國內(nèi)在大型的集裝箱等船舶方面的自動化合信息化程度較高，發(fā)展較快。但對于漁輪來說，自動化程度和信息化的發(fā)展還是比較慢，尤其是對漁輪的機艙自動化監(jiān)控而言，還基本是個空白。由于漁輪機艙容積小、溫度高、噪音污染嚴重、工作條件差，容易引發(fā)耳聾、高血壓等疾病。為改善船員工作環(huán)境，使船員能在集控室或機艙控制室及時獲取設備運行情況，亟需一套可靠度高、實時性強且成本適宜的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。

目前，船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于現(xiàn)場總線技術，如LonWorks、Profibus、CAN 總線等[2]。但隨著無線通信技術（Wi-Fi、GPRS、藍牙、Zigbee 等）的發(fā)展，無線監(jiān)控系統(tǒng)具有特有的優(yōu)點，如：1）無需布線或布線很少；2)功耗低；3)擴展方便等[3-5]，使得無線監(jiān)控技術越來越多地應用于船舶監(jiān)控領域[6]。鑒于GPRS 技術傳送距離遠等特點[7]，以及漁輪機艙監(jiān)控系統(tǒng)要求能承受船舶上的各種電源波動、環(huán)境溫度變化、振動、腐蝕及電磁干擾條件[8]，本項目監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS 無線通信技術和云技術進行設計。

1 整體系統(tǒng)設計

漁輪機艙監(jiān)控主要包括電控系統(tǒng)中的發(fā)電機、柴油艙以及輔助設備機艙通風機、淡海水壓力裝置、油水分離器、輔助日用油柜、各類泵組、海底閥箱等，以及不同機組中所監(jiān)測的內(nèi)容，所需監(jiān)測信息可以分為開關量和模擬量兩大類。本文因篇幅有限，主要以機艙主機冷卻水溫度（模擬量）監(jiān)控為對象進行設計，其余諸如壓力、液位、油液粘度等參數(shù)，只要增加傳感器接入即可。

整個系統(tǒng)結構見圖1，包括現(xiàn)場溫度等傳感器、GPRS 無線數(shù)傳終端F2114DTU、云服務器、S7-200PLC 及監(jiān)控觸摸屏等。其中，GPRS 無線數(shù)傳終端DTU 把采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡傳到云服務器，然后在云服務器里使用VC_demo（數(shù)據(jù)轉發(fā)）軟件發(fā)送給PLC 端的DTU, 本端DTU 數(shù)據(jù)透傳給PLC 設備，后通過串口發(fā)給上位機觸摸屏，完成數(shù)據(jù)上傳，下發(fā)則沿著相反路徑進行，最后將數(shù)據(jù)發(fā)給遠端DTU。

圖1 無線監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

2 GPRS 無線傳輸通信系統(tǒng)

2.1 GPRS 無線數(shù)傳模塊DTU

無線通信數(shù)據(jù)傳輸模塊采用廈門四信通信科技有限公司的F2114GPRS 模塊。F2114GPRS 模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用蜂窩網(wǎng)絡為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級32 位通信處理器和工業(yè)級無線模塊， 以嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，同時提供RS232 和RS485（或RS422）接口，可直接連接串口設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能；低功耗設計；提供5 路I/O，可實現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計數(shù)等功能。本模塊支持EGSM900/GSM1800MHz 雙頻， 可選GSM850/900/1800/1900MHz 四頻， 支持GSM phase 2/2+， 支持GPRS class 10，可選class 12。以下為表述方便，將現(xiàn)場傳感器端的F2114GPRS 模塊定義為DTU1，將本地監(jiān)控室PLC 端的F2114GPRS 模塊定義為DTU2。

2.2 DTU 無線數(shù)傳模塊與傳感器硬件連接

SBWZ 熱電阻溫度變送器是現(xiàn)場安裝式溫度變送單元。它采用二線傳送方式（兩根導線作為電源輸入， 信號輸出的公用傳輸線）， 將熱電阻信號變換成與輸入電信號或被測溫度成線性的4～20 mA 的輸出信號， 變送器可以安裝于熱電阻的接線盒內(nèi)與之形成一體化結構。本溫度傳感器將0～200 ℃轉換成線性的4～20 mA 的電流輸出信號。

現(xiàn)場前端的溫度傳感器為2芯接線，電壓12～24 V，與傳感器端無線通信數(shù)據(jù)傳輸模塊F2114DTU ( 即 DTU1) （ID：00000001）接線，如圖2。DTU1 與溫度傳感器共用24 V 電壓，溫度傳感器通過把溫度值轉換成4～20 mA 的電流值， 輸出到DTU1的模擬量端口IO4/IO5 上， 當設備接收到采集指令時，會將IO 口的數(shù)據(jù)，通過運營商網(wǎng)絡，上傳到云服務器。云服務器內(nèi)部開啟demo 軟件，監(jiān)聽任意端口，來接收DTU1 的數(shù)據(jù)，并且通過內(nèi)部的轉發(fā)規(guī)則，把接收的數(shù)據(jù)發(fā)往遠端的DTU2 上，通過RS485/RS232 透傳到PLC，完成采集數(shù)據(jù)的回傳。

圖2 F2114GPRS 模塊(DTU1)與溫度傳感器接線圖

2.3 騰訊云服務器配置

云服務器 （Cloud Virtual Machine，CVM） 為用戶提供安全可靠的彈性計算服務。只需幾分鐘，用戶就可以在云端獲取和啟用CVM，來實現(xiàn)個性化的計算需求。隨著業(yè)務需求的變化，用戶可以實時擴展或縮減計算資源。CVM 支持按實際使用的資源計費，可以為用戶節(jié)約計算成本。使用CVM可以極大降低開發(fā)的軟硬件采購成本，簡化IT 運維工作。

騰訊云CVM 提供了在云中的可擴展的虛擬計算資源，允許用戶選擇多種操作系統(tǒng)來啟動CVM實例，并加載到用戶自定義的應用環(huán)境。后續(xù)隨著業(yè)務量的變化，用戶還可以隨時調(diào)整自己的CVM規(guī)格。用戶可以使用控制臺、命令行或SDK 等多種管理工具來啟動、監(jiān)控或終止自己的實例。

本項目騰訊云服務器主要配置如下：

1）主機名稱為u672au547du540d；

2）服務器ID 為92129176-3e3c-4307-871a-4cd377b781e1；

3）實例規(guī)格為標準型S2?|?S2.SMALL1；

4）服務器硬件配置（操作系統(tǒng)為Windows Server 2008 R2 企業(yè)版SP1 64 位，1 核CPU,1G 內(nèi)存，公網(wǎng)帶寬1Mbps）；

5）所屬網(wǎng)絡為vpc-2yj8subn?(Default-VPC?| 172.16.0.0/16)；

6）公網(wǎng)IP 為203.195.242.148；私網(wǎng)IP：172.16.0.7。

在本系統(tǒng)里，云服務器的主要作用是提供公網(wǎng)IP 地址，讓DTU 可以通過運營商網(wǎng)絡，找到云服務器的地址，從而連接到本地的demo 軟件。本地的demo 軟件是用來接收DTU 的數(shù)據(jù)，根據(jù)transfer文檔里面的轉發(fā)規(guī)則，對相應的DTU 做數(shù)據(jù)互傳。

2.4 DTU 無線數(shù)傳模塊系統(tǒng)配置

用戶必須到移動營運商為每個DTU 申請SIM 大卡，開通無線數(shù)據(jù)傳輸服務，將SIM 大卡插入DTU，DTU 方能接入GPRS 網(wǎng)絡。

DTU 模塊使用IP MODEM 軟件方能進行參數(shù)配置。DTU 通過RS232 串口線或RS232-485 轉換線把IP MODEM 和PC 連接。本項目以溫度傳感器為例，對DTU1（傳感器端，ID:00000001）和DTU2（PLC 端，ID:00000002）的參數(shù)進行配置。

1）DTU1 的參數(shù)配置。（1）中心服務器：主中心服務器公網(wǎng)IP 為203.195.242.148；端口為9030，備份中心服務器IP 和端口與主中心服務器一樣。（2） 工作參數(shù)： 工作模式為PROT 模式， 波特率9600bps，設備SIM 號碼15710666956，設備ID 為00000001。（3）MODBUS 設置：啟用設備MODBUS網(wǎng)絡RTU 功能，設定該DTU 的設備地址為1。（4）接口設置：模擬量端口均設置為一次性采集，數(shù)字量工作模式設置為輸出模式。

2）DTU2 的參數(shù)配置。（1）中心服務器：主中心服務器公網(wǎng)IP 為203.195.242.148；端口為9030，備份中心服務器IP 和端口與主中心服務器一樣。（2）工作參數(shù)：工作模式為PROT 模式，波特率9 600 bp·s-1，設備SIM 號碼15710607632，設備ID00000002。（3）MODBUS 設置：不啟用設備MODBUS，設定該DTU 的設備地址為1。（4）接口設置：模擬量端口均設置為一次性采集，數(shù)字量工作模式設置為輸出模式。

參數(shù)設置好后，下載到DTU 后，重新上電即可。

3 PLC 控制系統(tǒng)設計

3.1 PLC 與DTU 硬件連接

考慮漁輪比較惡劣的工況，PLC 采用西 門 子S7-200PLC (CPU224XP)[9]， DTU2（00000002） 通過RS485/RS232 與西門子S7-200PLC 的Port0 連接如圖3。DTU2 由西門子S7-200 上面直接供電，輸入電壓為24 V， 上位機觸摸屏通過RS485/RS232 與PLC 通信。當設備DTU2 連接上云服務器后，在demo 軟件里，將相應的采集指令通過內(nèi)部中轉， 轉發(fā)到DTU1上，實現(xiàn)采集指令的下發(fā)。

3.2 DTU 與MODBUS 協(xié)議

DTU 無線數(shù)傳模塊支持MODBUS 協(xié)議。其中模擬量輸入MODBUS 通信格式見表1。

其數(shù)字量輸出高電平MODBUS 通信格式見表2。

圖3 F2114 模塊（DTU2）與PLC 連接圖

表1 模擬量輸入MODBUS 通信格式

表2 數(shù)字量輸出MODBUS 通信格式

PLC 根據(jù)此協(xié)議使用MODBUS 通信指令進行讀寫數(shù)據(jù)。

3.3 PLC 程序設計

以主機冷卻水溫度采集為例，PLC 程序控制流程圖如圖4。

PLC 使用MBUS_CTRL 指令初始化，使用MBUS_MSG 指令進行數(shù)據(jù)讀寫。

DTU 采集上來的溫度等數(shù)據(jù)必須進行數(shù)據(jù)轉換處理。DTU 的采集值和電流關系為：

實際電流=(3.3/1 023)* 采集值/150*1 000

傳感器溫度與電流的線性關系：0～200℃對應4～20 mA， 由此可得上位機溫度與采集值的關系。

PLC 修正程序采用模糊智能控制系統(tǒng)。將冷卻水溫度偏差和溫度偏差變化率先模糊化等級為七級，即{NB NM NS ZO PS PM PB}。采用三角隸屬函數(shù)，通過借鑒經(jīng)驗知識，確定一套模糊推理規(guī)則，最后解模糊，輸出控制量， 通過DTU 無線終端及云服務器， 下發(fā)給遠程現(xiàn)場DTU， 進而控制現(xiàn)場PLC，對冷卻泵進行控制。現(xiàn)場水溫傳感器通過反向渠道，反饋回遠程PLC，形成閉環(huán)控制。

圖4 冷卻水溫度控制流程圖

4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

考慮到漁輪等小型船舶的參數(shù)量，本項目監(jiān)控系統(tǒng)人機界面采用北京昆侖通態(tài)的TPC7062KX 觸摸屏，組態(tài)軟件采用MCGS7.7 嵌入版。因篇幅限制，以主機冷卻水溫度采集為例，實際測試監(jiān)控界面如圖5。

圖5 主機冷卻水監(jiān)控界面

此外，MSGS 監(jiān)控界面可以根據(jù)用戶需求，很方便地增加諸如報警和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

5 結語

本系統(tǒng)經(jīng)過輪機實訓室現(xiàn)場實測， 完全可以實現(xiàn)將機艙的溫度等傳感器數(shù)據(jù)采集到遠端的觸摸屏上位機，也可以實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場DTU 的下發(fā)數(shù)據(jù)控制，達到課題預期目的。本項目系統(tǒng)的上位機如果采用組態(tài)王7.5sp1 組態(tài)軟件的話，就可以和用戶手機APP 進行通信，用戶可以很方便的在手機上看到系統(tǒng)相關的參數(shù)。該技術有望應用于我國近海及遠洋漁輪的機艙遠程監(jiān)控，也可應用于國內(nèi)江河中小型船舶的機艙監(jiān)控。未來可通過增加與駕駛等相關系統(tǒng)的通信模塊，就可以構建一個漁輪的綜合遠程監(jiān)控系統(tǒng)。對提高我國漁輪的自動化作業(yè)水平具有一定的推動作用。