李 欣，李衛(wèi)東，王德利

船舶機(jī)艙機(jī)電設(shè)備集中監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)

李 欣1，李衛(wèi)東2，王德利1

（1. 錦州航星艦船研究所有限公司，遼寧錦州 121000；2. 錦州航星集團(tuán)有限公司，遼寧錦州 121000）

為了滿足機(jī)艙機(jī)電設(shè)備集中監(jiān)控和管理，提出了一種集中設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用可編程控制器PLC和工控機(jī)技術(shù)，采用西門子的S7-300、觸摸屏和工控機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，并且使用STEP7、WinCC、WinCC flexible 2008進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。該方法實(shí)現(xiàn)了對機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而替代輪機(jī)員正確實(shí)現(xiàn)對機(jī)艙中主、輔機(jī)等設(shè)備的有效巡視和管理，給輪機(jī)管理工作帶來了質(zhì)的飛躍。

集中監(jiān)測報(bào)警 工控機(jī) PLC WinCC

0 引言

在當(dāng)代的船舶中，船舶管理趨于智能化和自動(dòng)化[3]，機(jī)艙機(jī)電設(shè)備集中監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)是輪機(jī)自動(dòng)化的一個(gè)重要內(nèi)容，而且它能夠準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測機(jī)艙內(nèi)各種動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及其參數(shù)。一旦運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)故障，將自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，故障狀態(tài)全部顯示在監(jiān)控設(shè)備上。因此輪機(jī)員不需要到機(jī)艙進(jìn)行巡視，只要在集控室內(nèi)就可以掌握機(jī)艙所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及其參數(shù)。有效地改善了輪機(jī)員的工作條件，減輕了輪機(jī)員的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

目前，隨著船舶自動(dòng)化技術(shù)的不斷提高，我國所建船舶中，大部分機(jī)艙機(jī)電設(shè)備監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)都是使用國外產(chǎn)品。國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品，但是相對國外的知名產(chǎn)品還存在著功能少，穩(wěn)定性差，界面不友好，可靠性低等不足之處。因此，仍需要加強(qiáng)對國內(nèi)船舶機(jī)艙機(jī)電設(shè)備監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)概述

本機(jī)艙機(jī)電設(shè)備集中監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)艙中機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的采集、顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢等功能。因此由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括機(jī)艙控制室內(nèi)監(jiān)控臺(tái)上安裝的監(jiān)視器、打印機(jī)、專用鼠標(biāo)鍵盤等，以及監(jiān)控臺(tái)內(nèi)安裝的工控機(jī)、西門子的S7-300PLC控制主站[1]、數(shù)據(jù)采集單元、報(bào)警延伸單元等。另外，在控制中心的集控臺(tái)也安裝了一臺(tái)西門子的觸摸屏MP377作為監(jiān)視單元[2]，方便在控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控與管理。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓卜圖如下：

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

其次，本系統(tǒng)軟件由智能控制主站S7-300[1]的程序模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)控軟件及觸摸屏監(jiān)控軟件組成。其監(jiān)控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控軟件在Windows平臺(tái)下，采用WinCC進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，觸摸屏監(jiān)控軟件采用WinCC flexible 2008進(jìn)行軟件開發(fā)，兩監(jiān)控室的人機(jī)界面能夠直觀監(jiān)測機(jī)艙內(nèi)主發(fā)電機(jī)組，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)及各個(gè)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行、報(bào)警狀態(tài)。且人機(jī)界面友好，操作簡潔方便，功能齊全。

2 硬件設(shè)計(jì)

本套監(jiān)控系統(tǒng)采用分級分層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[2]，其中工控機(jī)與控制主站S7-300[1]之間采用以太網(wǎng)通訊[2]方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種通訊方式能有效地克服船舶中的惡劣環(huán)境，保證工控機(jī)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)采集，且設(shè)備之間數(shù)據(jù)通訊可靠穩(wěn)定。智能型控制主站S7-300分別通過專用模塊與兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對主發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集，其主要采集數(shù)據(jù)包括每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的主機(jī)轉(zhuǎn)速、滑油溫度、滑油壓力等參數(shù)。而對于機(jī)艙內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，控制主站通過報(bào)警延伸單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換。專用的采集模塊和報(bào)警延伸單元保證了數(shù)據(jù)的分類采集，減少接線長度和接線數(shù)量，使控制臺(tái)內(nèi)的接線整齊有序，且與各個(gè)設(shè)備間接線簡單，降低了成本，使數(shù)據(jù)通訊更加高效可靠。集控室控制中心的監(jiān)控單元與控制主站S7-300之間采用工業(yè)用現(xiàn)場通訊總線Profibus-dp[2]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種高可靠的現(xiàn)場通訊總線有效的保證了數(shù)據(jù)交換的快捷和穩(wěn)定。而且分級的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得不同級別的數(shù)據(jù)通訊可以采用適用的通訊協(xié)議，使其抗干擾能力更強(qiáng)，更加保證了數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，且可靠性更高[2]。

另外，本系統(tǒng)的供電電源都取自控制臺(tái)內(nèi)的UPS不間斷電源，這種集中供電方式使電路的設(shè)計(jì)簡單可靠，更節(jié)省很多空間和成本。從集中監(jiān)控管理的角度來講，這種設(shè)計(jì)也方便統(tǒng)一監(jiān)控和管理，確保了監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的有效性和完整性。

對于需要實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙自動(dòng)化的應(yīng)用，本系統(tǒng)也可以提供數(shù)據(jù)通訊接口，給上位機(jī)或中央計(jì)算機(jī)上傳機(jī)艙內(nèi)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，特別是發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，方便船舶實(shí)現(xiàn)集中的自動(dòng)控制和管理，特別是機(jī)艙的自動(dòng)管理工作。同時(shí)也提高了整個(gè)船舶的自動(dòng)化、智能化水平[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為三部分，包括控制主站S7-300中的程序設(shè)計(jì)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)以及觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)?？刂浦髡維7-300通過工業(yè)控制總線[2]實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并在控制主站中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算處理。這些數(shù)據(jù)可供本艙室監(jiān)控計(jì)算機(jī)和控制中心的監(jiān)控單元進(jìn)行監(jiān)測和管理，還可以通過數(shù)據(jù)通訊接口提供給中央計(jì)算機(jī)，在中央計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整個(gè)船舶的集中管理和監(jiān)控以及機(jī)艙無人值守的全船自動(dòng)化。

3.1 控制主站的程序設(shè)計(jì)

控制主站S7-300[1]采用STEP7[1]進(jìn)行程序開發(fā)設(shè)計(jì)，控制主站中包括一個(gè)主程序8個(gè)子程序，其中子程序分別為初始化子程序，1#主發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子程序，2#主發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子程序，1#應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子程序，2#應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子程序，機(jī)艙內(nèi)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警狀態(tài)的采集子程序，報(bào)警閥值的設(shè)置子程序，機(jī)電設(shè)備集中報(bào)警處理子程序。在發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子程序中要進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、滑油壓力、滑油溫度、淡水壓力、淡水溫度等參數(shù)采集計(jì)算，以及各個(gè)參數(shù)報(bào)警輸出的處理。報(bào)警閥值的設(shè)置子程序可以對機(jī)電設(shè)備的報(bào)警閥值進(jìn)行設(shè)定。機(jī)電設(shè)備集中報(bào)警處理程序?qū)Ω鱾€(gè)子程序模塊輸出的報(bào)警值進(jìn)行統(tǒng)一報(bào)警處理，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，使控制臺(tái)上的報(bào)警指示燈閃亮，蜂鳴器鳴音，監(jiān)控計(jì)算機(jī)和控制中心監(jiān)控單元的報(bào)警畫面彈出，保證所有的監(jiān)控站點(diǎn)都進(jìn)行報(bào)警提示。主程序處理過程如圖2所示。

圖2 主程序處理流程框圖

在控制主站S7-300的主程序中，首先對所有運(yùn)行狀態(tài)變量、報(bào)警變量、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行初始化工作，確保各個(gè)工作變量不會(huì)出現(xiàn)不確定或隨機(jī)的狀態(tài)。初始化完成之后，主程序?qū)⒀h(huán)執(zhí)行報(bào)警閥值設(shè)置、發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與處理、報(bào)警處理子程序。保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，報(bào)警指示及時(shí)有效。

3.2 監(jiān)控計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)控軟件采用WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，監(jiān)控軟件的界面直觀的展示了主發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，集中顯示了機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行及報(bào)警狀態(tài)。而且人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)力求簡潔、直觀、操作性能更加人性化。

其中在軟件界面設(shè)計(jì)過程中，我們通過WinCC的圖形編輯器把各個(gè)現(xiàn)場的物理量進(jìn)行分類，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控畫面，當(dāng)設(shè)定好相關(guān)控件的特性及動(dòng)作特性后，人機(jī)界面應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)的顯示其監(jiān)控畫面，可以在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上集中觀測機(jī)艙內(nèi)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況。啟動(dòng)監(jiān)控軟件后，用戶可以進(jìn)入主界面總覽全船機(jī)艙機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況，還可以分別進(jìn)入主發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組監(jiān)控界面單獨(dú)觀測主發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況。當(dāng)用戶進(jìn)入報(bào)警界面后，便可以直觀的觀測所有機(jī)電設(shè)備的報(bào)警狀況。另外，無論監(jiān)控軟件處于哪個(gè)監(jiān)控界面，當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，當(dāng)前的監(jiān)控界面都會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警對話框，指示當(dāng)前的報(bào)警位置和報(bào)警狀態(tài)，提示工作人員及時(shí)進(jìn)行處理。

3.3 控制中心監(jiān)控單元軟件設(shè)計(jì)

在控制中心的監(jiān)控臺(tái)上安裝了西門子的觸摸屏，方便集控中心的工作人員在控制中心及時(shí)準(zhǔn)確的了解機(jī)艙機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況。該監(jiān)控軟件采用WinCC flexible2008組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)控軟件界面相同。而且監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)過程中，也對現(xiàn)場的物理量進(jìn)行分類，其監(jiān)控界面應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)的顯示其設(shè)備的工作狀態(tài)。界面的切換在操作上也非常簡潔方便，報(bào)警界面的彈出等都非常及時(shí)準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代船舶的管理已經(jīng)趨于智能化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)駕駛、輪機(jī)、機(jī)艙等內(nèi)容的綜合集中監(jiān)控將使船舶的自動(dòng)化[3]水平達(dá)到一個(gè)新的高度。目前本機(jī)艙機(jī)電設(shè)備集中監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，且可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備參數(shù)，狀態(tài)以及報(bào)警信息的記錄、打印、報(bào)表、歸檔等工作，不僅節(jié)約了人力，還大大的提高了工作效率。另外本報(bào)警系統(tǒng)還可以延伸到其他必要的地方，如駕駛室，輪機(jī)長室，集控室以及其他輪機(jī)員住所等。因此能夠有效的改善輪機(jī)管理人員的工作條件，很大程度地減輕輪機(jī)員勞動(dòng)強(qiáng)度，給輪機(jī)管理工作帶來了質(zhì)的飛躍，更是實(shí)現(xiàn)無人值守機(jī)艙的必要條件。

[1] 廖常初. S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 第4版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.

[2] 廖常初. 西門工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[3] 姜錦范. 船舶電站及其自動(dòng)化[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2006.

The Centralized Monitoring and Alarm System for Mechanical and Electrical Equipment of Ship Engine Room

Li Xin1, Li Weidong2, Wang Deli1

（1. Institute of Ship Research Jinzhou Hangxing, Jinzhou 121000, Liaoning, China; 2. Jinzhou Hangxing Group Co., Ltd, Jinzhou 121000, Liaoning, China）

TP277

A

1003-4862（2019）09-0043-03

2019-01-08

李欣（1975-），女，工程師。研究方向：船舶設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。E-mail: xblixin@163.com