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        基于北斗的船舶設(shè)備數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)計

        2019-07-08 00:32:26海,楊
        船電技術(shù) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:北斗通訊總線

        李 海,楊 超

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        基于北斗的船舶設(shè)備數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)計

        李 海,楊 超

        (渤海造船廠集團有限公司,遼寧葫蘆島 125000)

        在造船領(lǐng)域,航運公司需要能夠?qū)崿F(xiàn)船岸一體化的船舶來滿足船東需求。本文基于衛(wèi)星通訊技術(shù)研究了能夠?qū)Υ霸O(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和管理的系統(tǒng),詳細(xì)介紹了需要采集的船舶數(shù)據(jù)對象,并設(shè)計了硬軟件采集方案和網(wǎng)絡(luò)通訊方案,有利于實現(xiàn)對于船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)管,推進(jìn)航運公司的現(xiàn)代化高技術(shù)管理,促進(jìn)船岸一體化的發(fā)展。本文對船舶智能化的研究具有指導(dǎo)意義。

        衛(wèi)星通訊 船舶參數(shù) 數(shù)據(jù)采集 網(wǎng)絡(luò)通訊

        0 引言

        隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,我們克服了遠(yuǎn)距離傳輸信息的困難,能夠迅速傳輸大量數(shù)據(jù)信號,實現(xiàn)無縫對接,它是建立全球通信必不可少的手段。衛(wèi)星通信技術(shù)讓遠(yuǎn)距離傳輸船舶設(shè)備數(shù)據(jù)從理論變成了可能,然而由于船舶上設(shè)備繁雜,參數(shù)眾多,通訊接口種類較多且不統(tǒng)一,對與數(shù)據(jù)的收集和傳輸產(chǎn)生了不小的困難。本文通過研究通用的數(shù)據(jù)采集管理技術(shù)來解決以上問題,實現(xiàn)傳輸?shù)捻槙?,提升船岸一體化的通信水平。

        1 數(shù)據(jù)采集對象

        根據(jù)實際情況,數(shù)據(jù)采集對象面向整個船舶,包括船舶的外部靜態(tài)動態(tài)信息(如船長、船寬、吃水、航向、航速等)和內(nèi)部設(shè)備信息(如主機、發(fā)電機、電站、鍋爐等設(shè)備相關(guān)參數(shù))。表1列出的為需要采集的數(shù)據(jù)對象。

        2 數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計

        本文應(yīng)用西門子公司的S7-200系列的PLC。PLC能夠完成數(shù)/模(D/A)、模/數(shù)(A/D)、數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、通信聯(lián)網(wǎng)、實時監(jiān)控等功能[1]。從船舶設(shè)備處傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)過開關(guān)量輸入(D/I)、開關(guān)量輸出(D/O)、模擬量輸入(A/I)、模擬量輸出(A/O)四個模塊后進(jìn)入PLC。

        機艙設(shè)備采集層使用現(xiàn)場總線,現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是一種開放式的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)管理層采用Modbus協(xié)議,實現(xiàn)PLC主控模塊與計算機之間的通信,將機艙信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器[2]。采集來的數(shù)據(jù)通過羅經(jīng)甲板上的衛(wèi)通設(shè)備利用衛(wèi)星把信息傳到岸上接收站,完成船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的采集管理及傳輸過程,也可存儲在數(shù)據(jù)庫中。

        表1 數(shù)據(jù)采集對象

        3 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊方案

        本文研究的數(shù)據(jù)傳輸為基于衛(wèi)星通信的通訊方案。考慮到所涉及船舶的運營范圍、衛(wèi)星通訊信號覆蓋地區(qū)、傳輸信號準(zhǔn)確性、使用便捷性以及通訊成本等因素,決定使用國產(chǎn)北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)完成通訊方案設(shè)計。

        3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

        北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成,可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為用戶提供高精度高可靠性的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù);具有雙向短報文通信能力,能夠一次傳遞40~60字的短報文。

        北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度為水平10米,高程10米;測速精度0.2米/秒;授時精度20納秒。其中亞太地區(qū)定位精度為水平5米,高程5米。

        3.2 北斗衛(wèi)星通訊關(guān)鍵技術(shù)

        3.2.1 數(shù)據(jù)壓縮

        由于衛(wèi)星通信存在傳輸延時大的缺點, 為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸,可以采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來降低延時。

        北斗接收數(shù)據(jù)壓縮軟件有三個組成部分:實時壓縮軟件、檢查壓縮軟件和手工壓縮軟件,見圖1。實時壓縮軟件和數(shù)據(jù)接收軟件集成在一起,將當(dāng)前最新接收完生成的數(shù)據(jù)文件及時進(jìn)行壓縮。檢查壓縮軟件檢查數(shù)據(jù)接收目錄,壓縮未壓縮的數(shù)據(jù)。手工壓縮軟件直接選擇指定目錄,對目錄中的數(shù)據(jù)壓縮。

        圖1 北斗數(shù)據(jù)壓縮軟件組成圖

        3.2.2斷點續(xù)傳

        斷點續(xù)傳指的是在下載或上傳時,將下載或上傳任務(wù)人為的劃分為幾個部分,每一個部分采用一個線程上傳或下載。如遇信號中斷,則在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后在斷點處繼續(xù)上傳下載未完成部分

        3.2.3糾錯編碼技術(shù)

        循環(huán)冗余檢驗碼CRC屬于現(xiàn)行糾錯碼。其算法基本思想是對信息做一個多項式除法運算,得到校驗位,并將其加在原信息數(shù)據(jù)后面,在信息接收端對所收到的數(shù)據(jù)做同樣的計算。如果計算結(jié)果不匹配則進(jìn)行一系列的糾錯或者其他能消除錯誤的措施[3]。

        3.3.4 擴頻通信技術(shù)

        擴頻技術(shù)能夠克服衛(wèi)星通信信道開放性帶來的隱蔽性差、抗干擾能力弱等缺點。擴頻主要有直接序列擴頻、跳變頻率、跳變時間和線性調(diào)頻等4種基本工作方式。

        3.3 北斗衛(wèi)星通訊

        在微波通信和航天技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興無線通信技術(shù)。

        4 數(shù)據(jù)采集和通訊系統(tǒng)設(shè)計

        4.1 CAN總線

        這是一種用來傳輸電子數(shù)據(jù)的串行總線。

        CAN總線傳輸速率提高。對于標(biāo)準(zhǔn)幀,除去仲裁域、控制域等,一幀數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)挠行粩?shù)僅為64位,CAN總線最大傳輸速率只有l(wèi)Mbps。在傳輸速率一定的情況下可以通過兩種方法提高總線利用率,增加數(shù)據(jù)傳輸量:一種就是制定合理的應(yīng)用層協(xié)議;另一種是增加消息對象數(shù)量。

        最小二乘法修正補償采集誤差。對于采編變換器,由于各路信號的處理方式一致,共同通過同一分壓網(wǎng)絡(luò),因此誤差形式一致,可以通過最小二乘法來修正誤差。使用最小二乘法對采集結(jié)果進(jìn)行修正前首先要確保被采信號準(zhǔn)確穩(wěn)定。

        通過Origin軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘線性擬合,將擬合結(jié)果輸入到上位機軟件,經(jīng)過修正后的結(jié)果與實際值偏差明顯減小,從而達(dá)到誤差修正和精度補償?shù)男Ч鸞4]。

        4.2 Anybus 網(wǎng)關(guān)

        Anybus是允許工業(yè)設(shè)備通過有線或者無線的方式和任意現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換的模塊,即網(wǎng)關(guān)。

        4.3 串口通信

        常見的串口通信有三種:RS-232,RS-485,RS-422。我們以RS-485為例介紹。

        RS485通信協(xié)議是半雙工異步通信協(xié)議,在某一個時刻,一個設(shè)備只能進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。主要的通信參數(shù)有以下幾個:波特率、奇偶校驗位、停止位和數(shù)據(jù)位長度。接口協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485串口通信協(xié)議,參數(shù)定義如下:波特率:9600bps;起始位:1位;數(shù)據(jù)位:8位;停止位:1位;無奇異校驗位。

        程序運行流程如圖2所示。

        圖2 RS485采集模塊程序運行流程圖

        需要在硬件初始化時配置使用USART端口的流控制功能。在空閑狀態(tài)下,RS485接口處于接收狀態(tài),有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時,RS485再切換到發(fā)送狀態(tài)。

        4.4 Modbus通訊協(xié)議

        通訊協(xié)議有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議格式,如Modbus協(xié)議。通用Modbus接口為RS-232C兼容串行接口,同樣也可兼容RS-485接口,其對連接器的信號位、引腳、傳輸波特率、奇偶校驗以及電纜做出了有效的定義??刂破鞑粌H能夠直接地組網(wǎng),也能間接地利用調(diào)制解調(diào)器完成組網(wǎng)[5]。

        Modbus協(xié)議詳細(xì)定義了數(shù)據(jù)幀格式,是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。Modbus協(xié)議只允許在主機和從機之間通訊,而不允許數(shù)據(jù)在獨立的從機之間交換[6]。

        4.5 基于雙冗余的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

        圖3 雙冗余數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計為雙冗余系統(tǒng),如圖3所示。藍(lán)色為Profibus-DP總線,連接網(wǎng)口和交換機,組成一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);橘黃色為CAN總線,通過Anybus網(wǎng)關(guān)連接各數(shù)據(jù)采集部分形成閉環(huán)系統(tǒng),此為第二套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)互為備份。

        來自機艙集控室、駕駛臺、船舶電站和船舶輔助設(shè)備的實時參數(shù)經(jīng)過DI、DO、AI、AO四個模塊后進(jìn)入西門子PLC中,經(jīng)處理到達(dá)控制器并分為兩路:一路傳到網(wǎng)口,把數(shù)據(jù)送到交換機中;一路經(jīng)過控制器/Anybus轉(zhuǎn)換器到Anybus網(wǎng)關(guān),進(jìn)入CAN總線中。

        主機/遙控系統(tǒng)通過Modbus采集數(shù)據(jù),然后分為兩路:一路經(jīng)Modbus/Anybus轉(zhuǎn)換器傳到CAN總線;一路經(jīng)網(wǎng)口傳遞到交換機。

        來自VDR、發(fā)電機和鍋爐的參數(shù)分別由各自的采集設(shè)備采集,經(jīng)過串口通訊同樣分為兩路:一路通過網(wǎng)口進(jìn)入到交換機中;一路通過串口通訊/Anybus轉(zhuǎn)換器進(jìn)入CAN總線。

        5 結(jié)語

        隨著數(shù)據(jù)采集和通訊技術(shù)的發(fā)展,目前航運公司的船舶管理開始往船岸一體化方向發(fā)展。本文對船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的采集管理系統(tǒng)進(jìn)行研究,把繁雜的設(shè)備、參數(shù)、接口以及通訊協(xié)議用通用的技術(shù)統(tǒng)一在一起,便于減少數(shù)據(jù)傳遞和處理的時間,同時對船舶的運營狀態(tài)做到及時的監(jiān)測管理,也為以后智能船舶的發(fā)展做了有益的幫助。

        [1] 張春燕. 基于GPRS的太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)研發(fā)[D]. 廈門: 集美大學(xué), 2014.

        [2] 趙炎. 船舶機艙設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[D]. 廈門: 集美大學(xué), 2013.

        [3] 王棟. 基于CRC的多比特糾錯算法研究與實現(xiàn)[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2013.

        [4] 宋全偉. 基于CAN總線的高精度采集轉(zhuǎn)發(fā)裝置關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計[D]. 太原: 中北大學(xué), 2016.

        [5] 田力. 基于MODBUS的艙室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[D].天津: 天津大學(xué), 2017.

        [6] 郝盛強. 基于4G的工業(yè)遠(yuǎn)程通信平臺設(shè)計[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2018.

        Research on Intelligent Monitoring and Diagnosis of Marine Diesel Engine

        Li Hai, Yang Chao

        (Bohai Shipyard Group Co. LTD., Huludao125000, Liaoning, China)

        TN919

        A

        1003-4862(2019)06-0010-04

        2018-12-13

        李海(1971-),男,高級工程師。主要從事船舶調(diào)試技術(shù)工作。E-mail: 15902791474@qq.com

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