漁輪機(jī)艙無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉高文

(廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén)361100)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)在大型的集裝箱等船舶方面的自動(dòng)化合信息化程度較高，發(fā)展較快。但對(duì)于漁輪來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化程度和信息化的發(fā)展還是比較慢，尤其是對(duì)漁輪的機(jī)艙自動(dòng)化監(jiān)控而言，還基本是個(gè)空白。由于漁輪機(jī)艙容積小、溫度高、噪音污染嚴(yán)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(jī)艙控制室及時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行情況，亟需一套可靠度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且成本適宜的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。

目前，船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，如LonWorks、Profibus、CAN 總線(xiàn)等[2]。但隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)（Wi-Fi、GPRS、藍(lán)牙、Zigbee 等）的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)具有特有的優(yōu)點(diǎn)，如：1）無(wú)需布線(xiàn)或布線(xiàn)很少；2)功耗低；3)擴(kuò)展方便等[3-5]，使得無(wú)線(xiàn)監(jiān)控技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于船舶監(jiān)控領(lǐng)域[6]。鑒于GPRS 技術(shù)傳送距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[7]，以及漁輪機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)要求能承受船舶上的各種電源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、振動(dòng)、腐蝕及電磁干擾條件[8]，本項(xiàng)目監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和云技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

漁輪機(jī)艙監(jiān)控主要包括電控系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、柴油艙以及輔助設(shè)備機(jī)艙通風(fēng)機(jī)、淡海水壓力裝置、油水分離器、輔助日用油柜、各類(lèi)泵組、海底閥箱等，以及不同機(jī)組中所監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，所需監(jiān)測(cè)信息可以分為開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)纱箢?lèi)。本文因篇幅有限，主要以機(jī)艙主機(jī)冷卻水溫度（模擬量）監(jiān)控為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，包括現(xiàn)場(chǎng)溫度等傳感器、GPRS 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳終端F2114DTU、云服務(wù)器、S7-200PLC 及監(jiān)控觸摸屏等。其中，GPRS 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳終端DTU 把采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳到云服務(wù)器，然后在云服務(wù)器里使用VC_demo（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）軟件發(fā)送給PLC 端的DTU, 本端DTU 數(shù)據(jù)透?jìng)鹘oPLC 設(shè)備，后通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī)觸摸屏，完成數(shù)據(jù)上傳，下發(fā)則沿著相反路徑進(jìn)行，最后將數(shù)據(jù)發(fā)給遠(yuǎn)端DTU。

圖1 無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 GPRS 無(wú)線(xiàn)傳輸通信系統(tǒng)

2.1 GPRS 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊DTU

無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸模塊采用廈門(mén)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(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)終端，利用公用蜂窩網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級(jí)32 位通信處理器和工業(yè)級(jí)無(wú)線(xiàn)模塊， 以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，同時(shí)提供RS232 和RS485（或RS422）接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能；低功耗設(shè)計(jì)；提供5 路I/O，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計(jì)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(chǎng)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(wú)線(xiàn)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(chǎng)安裝式溫度變送單元。它采用二線(xiàn)傳送方式（兩根導(dǎo)線(xiàn)作為電源輸入， 信號(hào)輸出的公用傳輸線(xiàn)）， 將熱電阻信號(hào)變換成與輸入電信號(hào)或被測(cè)溫度成線(xiàn)性的4～20 mA 的輸出信號(hào)， 變送器可以安裝于熱電阻的接線(xiàn)盒內(nèi)與之形成一體化結(jié)構(gòu)。本溫度傳感器將0～200 ℃轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性的4～20 mA 的電流輸出信號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)前端的溫度傳感器為2芯接線(xiàn)，電壓12～24 V，與傳感器端無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸模塊F2114DTU ( 即 DTU1) （ID：00000001）接線(xiàn)，如圖2。DTU1 與溫度傳感器共用24 V 電壓，溫度傳感器通過(guò)把溫度值轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流值， 輸出到DTU1的模擬量端口IO4/IO5 上， 當(dāng)設(shè)備接收到采集指令時(shí)，會(huì)將IO 口的數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，上傳到云服務(wù)器。云服務(wù)器內(nèi)部開(kāi)啟demo 軟件，監(jiān)聽(tīng)任意端口，來(lái)接收DTU1 的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，把接收的數(shù)據(jù)發(fā)往遠(yuǎn)端的DTU2 上，通過(guò)RS485/RS232 透?jìng)鞯絇LC，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(xiàn)圖

2.3 騰訊云服務(wù)器配置

云服務(wù)器 （Cloud Virtual Machine，CVM） 為用戶(hù)提供安全可靠的彈性計(jì)算服務(wù)。只需幾分鐘，用戶(hù)就可以在云端獲取和啟用CVM，來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的計(jì)算需求。隨著業(yè)務(wù)需求的變化，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)擴(kuò)展或縮減計(jì)算資源。CVM 支持按實(shí)際使用的資源計(jì)費(fèi)，可以為用戶(hù)節(jié)約計(jì)算成本。使用CVM可以極大降低開(kāi)發(fā)的軟硬件采購(gòu)成本，簡(jiǎn)化IT 運(yùn)維工作。

騰訊云CVM 提供了在云中的可擴(kuò)展的虛擬計(jì)算資源，允許用戶(hù)選擇多種操作系統(tǒng)來(lái)啟動(dòng)CVM實(shí)例，并加載到用戶(hù)自定義的應(yīng)用環(huán)境。后續(xù)隨著業(yè)務(wù)量的變化，用戶(hù)還可以隨時(shí)調(diào)整自己的CVM規(guī)格。用戶(hù)可以使用控制臺(tái)、命令行或SDK 等多種管理工具來(lái)啟動(dòng)、監(jiān)控或終止自己的實(shí)例。

本項(xiàng)目騰訊云服務(wù)器主要配置如下：

1）主機(jī)名稱(chēng)為u672au547du540d；

2）服務(wù)器ID 為92129176-3e3c-4307-871a-4cd377b781e1；

3）實(shí)例規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)型S2?|?S2.SMALL1；

4）服務(wù)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(luò)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(wù)器的主要作用是提供公網(wǎng)IP 地址，讓DTU 可以通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，找到云服務(wù)器的地址，從而連接到本地的demo 軟件。本地的demo 軟件是用來(lái)接收DTU 的數(shù)據(jù)，根據(jù)transfer文檔里面的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，對(duì)相應(yīng)的DTU 做數(shù)據(jù)互傳。

2.4 DTU 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊系統(tǒng)配置

用戶(hù)必須到移動(dòng)營(yíng)運(yùn)商為每個(gè)DTU 申請(qǐng)SIM 大卡，開(kāi)通無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，將SIM 大卡插入DTU，DTU 方能接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)。

DTU 模塊使用IP MODEM 軟件方能進(jìn)行參數(shù)配置。DTU 通過(guò)RS232 串口線(xiàn)或RS232-485 轉(zhuǎn)換線(xiàn)把IP MODEM 和PC 連接。本項(xiàng)目以溫度傳感器為例，對(duì)DTU1（傳感器端，ID:00000001）和DTU2（PLC 端，ID:00000002）的參數(shù)進(jìn)行配置。

1）DTU1 的參數(shù)配置。（1）中心服務(wù)器：主中心服務(wù)器公網(wǎng)IP 為203.195.242.148；端口為9030，備份中心服務(wù)器IP 和端口與主中心服務(wù)器一樣。（2） 工作參數(shù)： 工作模式為PROT 模式， 波特率9600bps，設(shè)備SIM 號(hào)碼15710666956，設(shè)備ID 為00000001。（3）MODBUS 設(shè)置：?jiǎn)⒂迷O(shè)備MODBUS網(wǎng)絡(luò)RTU 功能，設(shè)定該DTU 的設(shè)備地址為1。（4）接口設(shè)置：模擬量端口均設(shè)置為一次性采集，數(shù)字量工作模式設(shè)置為輸出模式。

2）DTU2 的參數(shù)配置。（1）中心服務(wù)器：主中心服務(wù)器公網(wǎng)IP 為203.195.242.148；端口為9030，備份中心服務(wù)器IP 和端口與主中心服務(wù)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(shè)備SIM 號(hào)碼15710607632，設(shè)備ID00000002。（3）MODBUS 設(shè)置：不啟用設(shè)備MODBUS，設(shè)定該DTU 的設(shè)備地址為1。（4）接口設(shè)置：模擬量端口均設(shè)置為一次性采集，數(shù)字量工作模式設(shè)置為輸出模式。

參數(shù)設(shè)置好后，下載到DTU 后，重新上電即可。

3 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(mén) 子S7-200PLC (CPU224XP)[9]， DTU2（00000002） 通過(guò)RS485/RS232 與西門(mén)子S7-200PLC 的Port0 連接如圖3。DTU2 由西門(mén)子S7-200 上面直接供電，輸入電壓為24 V， 上位機(jī)觸摸屏通過(guò)RS485/RS232 與PLC 通信。當(dāng)設(shè)備DTU2 連接上云服務(wù)器后，在demo 軟件里，將相應(yīng)的采集指令通過(guò)內(nèi)部中轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)發(fā)到DTU1上，實(shí)現(xiàn)采集指令的下發(fā)。

3.2 DTU 與MODBUS 協(xié)議

DTU 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊支持MODBUS 協(xié)議。其中模擬量輸入MODBUS 通信格式見(jiàn)表1。

其數(shù)字量輸出高電平MODBUS 通信格式見(jiàn)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(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

3.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

以主機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

DTU 采集上來(lái)的溫度等數(shù)據(jù)必須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。DTU 的采集值和電流關(guān)系為：

實(shí)際電流=(3.3/1 023)* 采集值/150*1 000

傳感器溫度與電流的線(xiàn)性關(guān)系：0～200℃對(duì)應(yīng)4～20 mA， 由此可得上位機(jī)溫度與采集值的關(guān)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(jí)為七級(jí)，即{NB NM NS ZO PS PM PB}。采用三角隸屬函數(shù)，通過(guò)借鑒經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，確定一套模糊推理規(guī)則，最后解模糊，輸出控制量， 通過(guò)DTU 無(wú)線(xiàn)終端及云服務(wù)器， 下發(fā)給遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)DTU， 進(jìn)而控制現(xiàn)場(chǎng)PLC，對(duì)冷卻泵進(jìn)行控制。現(xiàn)場(chǎng)水溫傳感器通過(guò)反向渠道，反饋回遠(yuǎn)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到漁輪等小型船舶的參數(shù)量，本項(xiàng)目監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)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(jī)冷卻水溫度采集為例，實(shí)際測(cè)試監(jiān)控界面如圖5。

圖5 主機(jī)冷卻水監(jiān)控界面

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

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)輪機(jī)實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)， 完全可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)艙的溫度等傳感器數(shù)據(jù)采集到遠(yuǎn)端的觸摸屏上位機(jī)，也可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)DTU 的下發(fā)數(shù)據(jù)控制，達(dá)到課題預(yù)期目的。本項(xiàng)目系統(tǒng)的上位機(jī)如果采用組態(tài)王7.5sp1 組態(tài)軟件的話(huà)，就可以和用戶(hù)手機(jī)APP 進(jìn)行通信，用戶(hù)可以很方便的在手機(jī)上看到系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)。該技術(shù)有望應(yīng)用于我國(guó)近海及遠(yuǎn)洋漁輪的機(jī)艙遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)江河中小型船舶的機(jī)艙監(jiān)控。未來(lái)可通過(guò)增加與駕駛等相關(guān)系統(tǒng)的通信模塊，就可以構(gòu)建一個(gè)漁輪的綜合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)提高我國(guó)漁輪的自動(dòng)化作業(yè)水平具有一定的推動(dòng)作用。