船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江 濤,段黎明,鄧子輝

(1.重慶大學(xué)ICT研究中心，重慶 400030; 2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030)

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江 濤1,2,段黎明1,鄧子輝1,2

(1.重慶大學(xué)ICT研究中心，重慶 400030; 2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030)

針對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)儀器監(jiān)測(cè)信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)在功能和顯示方面的不足，采用VB可視化建模、數(shù)據(jù)庫(kù)、傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，分別進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，主要對(duì)船艇的主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與報(bào)警。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可以滿足對(duì)船艇動(dòng)力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警的要求，而且為后續(xù)故障預(yù)測(cè)與診斷提供了充分的數(shù)據(jù)信息，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

船艇；動(dòng)力設(shè)備；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警

0 引 言

確保船艇隨時(shí)處于適航狀態(tài)對(duì)保障船員的生命安全和支持國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的意義，而船艇動(dòng)力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是保證船艇正常工作的前提。盡管船艇工作人員在解決故障方面有一定的經(jīng)驗(yàn)，但遠(yuǎn)不能滿足使船艇時(shí)刻處于正常工作狀態(tài)要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，船艇動(dòng)力設(shè)備監(jiān)測(cè)與報(bào)警技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，國(guó)外和國(guó)內(nèi)的許多科研工作人員都開(kāi)始對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究。

國(guó)外對(duì)于船艇動(dòng)力設(shè)備監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的研究起步較早[1-4]，也較為先進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此領(lǐng)域的研究與國(guó)外相比仍有相當(dāng)大的差距[5-9]，主要表現(xiàn)在：監(jiān)測(cè)方法單一，監(jiān)測(cè)對(duì)象簡(jiǎn)單，報(bào)警功能不足，無(wú)法進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)與綜合診斷。然而，我國(guó)船舶事業(yè)的飛速發(fā)展給船艇監(jiān)測(cè)自動(dòng)化方向提出了新的要求。因此，開(kāi)展船艇動(dòng)力設(shè)備監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。

本文以長(zhǎng)江航道局某航道維護(hù)船艇為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)其主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與及時(shí)報(bào)警，不僅有利于船員與岸上指揮人員掌握船艇的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，而且為后續(xù)的故障預(yù)測(cè)與診斷提供重要的數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的目的是反映船艇動(dòng)力設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)異常的設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，存儲(chǔ)相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，并且將船艇的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，供遠(yuǎn)程工作人員對(duì)其進(jìn)行指揮和操作。圖1為船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall system design

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)主要由信號(hào)源、信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、遠(yuǎn)程接收與處理等6部分組成。其工作原理主要分為2個(gè)流程：1)通過(guò)安裝在機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦I(yè)控制模塊中預(yù)處理后，輸入工控機(jī)中由軟件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，并根據(jù)給定的報(bào)警閥值進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。2)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示與存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象和參數(shù)分析

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象為長(zhǎng)江航道局的某航道維護(hù)船艇。其主要的動(dòng)力設(shè)備分為以下2個(gè)部分：

1)主推進(jìn)機(jī)組為VOLVO發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的D7AT型柴油機(jī)，如圖2所示。

2)柴油發(fā)電機(jī)組為美國(guó)奧南動(dòng)力公司生產(chǎn)的MDKBR-7230758型柴油發(fā)電機(jī)，如圖3所示。

圖2 左主推進(jìn)機(jī)組Fig.2 Left main propulsion unit

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組Fig.3 Diesel generator set

2.2 系統(tǒng)參數(shù)分析

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括左右主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的常規(guī)熱力學(xué)參數(shù)，如柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、滑油溫度、滑油壓力、冷卻水溫以及運(yùn)行與報(bào)警信號(hào)等。該系統(tǒng)的詳細(xì)監(jiān)測(cè)參數(shù)如表1所示。實(shí)時(shí)采集上述參數(shù)，并將其引入船舶動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)中處理分析，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。

表1 系統(tǒng)詳細(xì)監(jiān)測(cè)參數(shù)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)硬件組成圖Fig.4 Composition diagram of the system hardware

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由以下4部分組成(見(jiàn)圖4)。

1)傳感器

根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)、測(cè)量環(huán)境以及傳感器的使用條件，轉(zhuǎn)速傳感器選擇選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感變送器，壓力傳感變送器選用壓電式傳感變送器，溫度測(cè)量選用熱敏電阻傳感變送器。這3種傳感器均安裝在左右推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)體的預(yù)留接口上，能夠獲得準(zhǔn)確的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、溫度與壓力信號(hào)，為后面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與報(bào)警奠定基礎(chǔ)。

2)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集分為監(jiān)控室采集和機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)終端采集2部分。

監(jiān)控室中主要是對(duì)集控臺(tái)中的運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行采集，該信號(hào)主要為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，選用的是研華ADAM-4051，該模塊提供16路隔離數(shù)字量輸入通道，并且輸入支持干接點(diǎn)和濕接點(diǎn)。

機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)終端的模擬量輸入模塊、測(cè)頻模塊和485/232轉(zhuǎn)換模塊分別選用研華ADAM-4117、研華ADAM-4080、研華ADAM-4520。ADAM-4117帶Modubs的8路差分輸入通道，傳輸距離1 200 m，采用RS485，2線數(shù)字接口。ADAM-4080計(jì)數(shù)器/頻率輸入模塊有2個(gè)32位計(jì)數(shù)器，其中的嵌入式可編程定時(shí)器用于頻率測(cè)量。ADAM-4520是有源的RS232 到RS422/485 的轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)識(shí)別信號(hào)流向?qū)崿F(xiàn)485和232的雙向轉(zhuǎn)換，且信號(hào)端具有3000VDC 隔離保護(hù)。

3)工控機(jī)

工控機(jī)選用的是研華IPC-6606系列。該工控機(jī)具有抗震性，散熱性能強(qiáng)，能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作。另外，在工控機(jī)中，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、保存以及對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取特征信號(hào)等，完成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和診斷。

4)無(wú)線傳輸系統(tǒng)

無(wú)線傳輸系統(tǒng)選用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其接口框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集終端硬件組成圖Fig.5 Data collection terminal hardware components diagram

無(wú)線傳輸模塊選用成都眾山科技有限公司生產(chǎn)的ZSD31系列GPRS DTU。它基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)工業(yè)監(jiān)測(cè)、交通管理和金融等行業(yè)的數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和SOCKET插口標(biāo)準(zhǔn)，提供全透明數(shù)據(jù)傳輸和用戶自由控制傳輸2種模式。同時(shí)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、設(shè)備間、設(shè)備與中心間等各種不同的通訊模式。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，是在VB編程語(yǔ)言平臺(tái)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，由主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組兩大主要系統(tǒng)，信號(hào)采集與處理、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、查詢與打印、主推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?shù)?大模塊組成。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖Fig.6 The block diagram of the system software

軟件系統(tǒng)根據(jù)4大模塊相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)成當(dāng)前數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警值設(shè)定、數(shù)據(jù)查詢打印、數(shù)據(jù)走勢(shì)顯示、船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)務(wù)管理系統(tǒng)等6個(gè)顯示界面。其中當(dāng)前數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面包括左右主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的所有運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行報(bào)警指示，數(shù)據(jù)查詢打印界面具有查詢和打印歷史運(yùn)行記錄等功能，數(shù)據(jù)走勢(shì)顯示界面能夠顯示一段時(shí)間之內(nèi)左右主推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的全部熱力參數(shù)走勢(shì)曲線，報(bào)警值設(shè)定界面用于設(shè)定相關(guān)報(bào)警的閥值。

4.1 信號(hào)采集與處理模塊

工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊之間使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，利用VB提供的MSComm控件進(jìn)行串口設(shè)置，對(duì)信號(hào)采集模塊寫入讀數(shù)據(jù)命令，從而接收來(lái)自由信號(hào)調(diào)理模塊預(yù)處理過(guò)后的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。從串口接收到的數(shù)據(jù)信息根據(jù)傳感器的線性關(guān)系進(jìn)行換算過(guò)后，得到當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，顯示在軟件的界面中。

4.2 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、查詢與打印模塊

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢功能需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。首先，需進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是目前主流的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)屬于輕量型數(shù)據(jù)庫(kù)，方便輕小，容量較小，但是仍能完成絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合是程序設(shè)計(jì)階段最好的試驗(yàn)型數(shù)據(jù)庫(kù)；其次，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建6張表，分別用于存儲(chǔ)左右主推進(jìn)機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與報(bào)警記錄；最后，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行寫入、讀取與打印操作。

4.3 主推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)

主推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示。主要對(duì)主推進(jìn)機(jī)組的常規(guī)熱力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警指示，柴油發(fā)電機(jī)組除常規(guī)熱力參數(shù)外，還對(duì)輸出電壓與電流進(jìn)行數(shù)字顯示。

4.4 數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)選擇GPRS網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有傳輸信息量大、速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)[10-14]。通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，選用ADSL數(shù)據(jù)通信作為監(jiān)控中心的接入方式。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，采用TCP/IP通信協(xié)議，安全可靠準(zhǔn)確性高，能夠及時(shí)獲知傳輸?shù)某晒εc失敗，并且具有斷點(diǎn)續(xù)傳功能。其實(shí)施圖如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸實(shí)施圖Fig.7 Implementation of remote data transmission diagram

5 系統(tǒng)的試用測(cè)試與結(jié)果

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)已在長(zhǎng)江航道局某航標(biāo)船試用，圖8為該船的某瞬時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖中顯示的當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括了左右主推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、常規(guī)熱力參數(shù)以及運(yùn)行報(bào)警指示等，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)與船艇儀器所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，且界面生動(dòng)形象。圖9為歷史記錄的查詢與打印界面，可以查詢數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，方便工作人員查看船艇的歷史運(yùn)行狀態(tài)。圖10為某瞬時(shí)船艇左右主推進(jìn)機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與熱力參數(shù)的數(shù)據(jù)走勢(shì)，該走勢(shì)為1 min之內(nèi)的數(shù)據(jù)走勢(shì)狀況，數(shù)據(jù)走勢(shì)圖更好的為工作人員判斷動(dòng)力設(shè)備故障發(fā)生的時(shí)間與位置。

圖8 某瞬時(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)Fig.8 A transient current data monitoring

圖9 某瞬時(shí)歷史記錄查詢Fig.9 A transient history query

圖10 某瞬時(shí)數(shù)據(jù)走勢(shì)顯示Fig.10 An instantaneous data trend shows

6 結(jié) 語(yǔ)

船艇動(dòng)力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)利用現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)船艇動(dòng)力設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，使用無(wú)線通信技術(shù)將設(shè)備運(yùn)行狀況及時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，清晰地展現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便歷史數(shù)據(jù)的查詢，經(jīng)試用測(cè)試后表明，系統(tǒng)的人機(jī)界面友好，監(jiān)測(cè)對(duì)象全面，具有實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性、可靠性與擴(kuò)展性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)成本低等特點(diǎn)，本文所展示的技術(shù)方案很好的實(shí)現(xiàn)了船艇的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，對(duì)船艇航行的安全起到了重要的作用。

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A design of remote monitoring and alarm system for power equipment of ship

JIANG Tao1,2,DUAN Li-ming1, DENG Zi-hui1,2

(1.ICT Research Center,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

Against to the lack of features and display for the domestic traditional instrument to monitor signals and on-site monitoring，using VB visual modeling, databases, sensors, wireless network communication technology, design and development of a the boats power equipment remote monitoring and alarm system. The system uses a modular design method，then designing a system of hardware and software respectively. The system mainly comprehensive monitor and alarm the running state of main propulsion units and diesel generator sets of ship. The test results show that the system not only to meet the requirements of real-time monitoring and alarming the power equipment of ship，but also can provide sufficient data for the subsequent failure prediction and diagnosis. The system has a practical application.

ship;power equipment;remote monitoring and alarm

2013-03-01；

2013-04-09

江濤(1988-)男，碩士研究生，主要從事智能監(jiān)測(cè)與計(jì)算機(jī)協(xié)同監(jiān)控，設(shè)備故障診斷等方面的研究。

TP271

A

1672-7649(2014)07-0119-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.025