基于IoT的船舶電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：電力推進(jìn)船舶系統(tǒng)具有環(huán)保節(jié)能、動力系統(tǒng)容量大、系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)。如果能夠利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計一個良好的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對提高船舶航行安全具有重要意義。該設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電力參數(shù)監(jiān)測和電能質(zhì)量檢測分析，并實現(xiàn)故障報警。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);電能質(zhì)量;監(jiān)視系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0038-02

隨著國際海事組織（IMO）對船舶排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格以及石油資源的逐漸枯竭，內(nèi)燃機(jī)將逐漸退出歷史舞臺，綠色電力推進(jìn)系統(tǒng)將成為未來船舶動力發(fā)展的方向。船舶電力推進(jìn)是現(xiàn)代船舶發(fā)展的趨勢，其監(jiān)控系統(tǒng)在船舶綜合管理系統(tǒng)中尤為重要。

然而，傳統(tǒng)的監(jiān)控裝置無法反映船舶電力系統(tǒng)復(fù)雜多樣的運(yùn)行狀態(tài)。電力故障的復(fù)雜性、隨機(jī)性和不可預(yù)測性要求監(jiān)控系統(tǒng)實時捕捉電力參數(shù)的變化并有效傳遞預(yù)警信息。其次，傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控設(shè)備全部是有線電纜傳輸，從位置獲取電力參數(shù)受環(huán)境限制，一旦傳輸電纜出現(xiàn)故障，故障排除比較麻煩。另外，傳統(tǒng)船舶只能在駕駛室中獲取實時參數(shù)，無法防止因引航員失職和現(xiàn)場儀表設(shè)備故障獲取實時參數(shù)信息失敗而引發(fā)的事故，導(dǎo)致有不幸的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。

該系統(tǒng)可在大船內(nèi)部固定范圍內(nèi)鋪設(shè)WiFi中繼器，可實現(xiàn)全船無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，隨時隨地實現(xiàn)船內(nèi)電力參數(shù)信息采集。使用的WiFi路由器是一款抗干擾能力強(qiáng)、丟包率低的強(qiáng)信號路由器，可以實現(xiàn)實時準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計可實現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)的實時有效采集、記錄和分析，可有效提高操作人員的工作效率，降低能耗，減少故障的發(fā)生，對船舶安全運(yùn)行具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本產(chǎn)品采用兩臺智能電力參數(shù)表和PLC，可實現(xiàn)對整個系統(tǒng)內(nèi)電能質(zhì)量和電力可靠性的集中連續(xù)監(jiān)測，反映諧波含量、電壓閃變和擾動、頻率偏差、不平衡、功率因數(shù)等實時多種形式，并進(jìn)行相關(guān)評估分析，并可實現(xiàn)超限報警功能。系統(tǒng)同時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，顯示趨勢圖并生成報告。

電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控裝置現(xiàn)場監(jiān)控層采用RS-485串口通訊，系統(tǒng)管理層采用基于tcp/ip的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。測量儀具有RS-485通訊接口，可與網(wǎng)關(guān)連接。數(shù)據(jù)采集??完成后，通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)判斷。經(jīng)過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，通過Modbus tcp/ip協(xié)議與交換機(jī)連接，將數(shù)據(jù)和狀態(tài)上傳到管理層。通過現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)三層設(shè)備之間的實時通信和數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控。將無線路由器連接到交換機(jī)，外接工控電腦和數(shù)據(jù)掌上電腦可以通過連接無線WiFi讀取電源參數(shù)，通過鋪設(shè)無線中繼器，可以實現(xiàn)全船無線覆蓋。

Matlab軟件用于設(shè)計開發(fā)用戶圖形界面，分為啟動界面、電網(wǎng)側(cè)界面和負(fù)載側(cè)界面。電網(wǎng)側(cè)界面和負(fù)載側(cè)界面顯示儀表寄存器中記錄的幾乎所有重要參數(shù)，如電壓、電流、不平衡度、thd、基波幅頻和相角、最大值/最小值等，主要實時顯示這些帶有數(shù)字標(biāo)簽的參數(shù)，有的還設(shè)置有上下限顏色識別。當(dāng)超過限值時，故障報警框顯示為紅色，方便監(jiān)控人員在畫面中獲取整個系統(tǒng)的重要參數(shù)信息。

無線手持終端的設(shè)計開發(fā)可以通過連接船舶內(nèi)部的WiFi中繼器，隨時隨地讀取PLC寄存器內(nèi)部參數(shù)，可實時檢測電壓、電流、不平衡、thd、基波幅頻、相角等重要參數(shù)，可使用SD卡保存歷史數(shù)據(jù)記錄，在工控機(jī)終端打開fault.csv文件查看。發(fā)生重大故障時，蜂鳴器發(fā)出警告聲，LED燈閃爍報警，并可根據(jù)不同類型的故障發(fā)出不同的聲光報警。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量監(jiān)測裝置監(jiān)測系統(tǒng)由觸摸屏、戴爾工控機(jī)、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、Modicon m340 PLC、pm850電力參數(shù)測量儀、ion7650電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、ATV61變頻器等組成。系統(tǒng)使用電動機(jī)為電力驅(qū)動裝置。模擬儀表、pm850電參數(shù)測量儀和ion7650監(jiān)測裝置用于獲取和顯示電力系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的各種參數(shù)。采用PLC和變頻器控制電機(jī)慢啟動、變頻調(diào)速、控制模式無干擾切換等功能，工控上位機(jī)采用MATLAB軟件繪制用戶圖形界面，對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和分析整個系統(tǒng)的實時信息。LCD手持終端采用STM32F103開發(fā)板顯示和記錄重要參數(shù)并發(fā)出聲光報警。

2.2 感知層技術(shù)

該裝置的傳感層主要采用pm850和ion7650兩款智能電力參數(shù)測量儀，分別帶有電壓傳感器和電流互感器，分別測量船網(wǎng)側(cè)和負(fù)載的參數(shù)。

Pm850是一款基于真有效值的測量儀器，可精確測量高度非線性負(fù)載和63次諧波的真有效值。Pm850 支持同時監(jiān)測多達(dá) 50 個測量值并隨時更新最新值。Pm850具有RS-485串行通訊接口，可集成到船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)中。Pm850具有實時測量、功率分析、功率讀數(shù)等功能。系統(tǒng)采用pm850實現(xiàn)以下功能：監(jiān)控電網(wǎng)側(cè)常規(guī)電力參數(shù); 電網(wǎng)側(cè)電力系統(tǒng)故障監(jiān)測; 對電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量進(jìn)行評估。

Ion7650可以非常準(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率和千瓦時的有效測量值。它還具有先進(jìn)的電能質(zhì)量測量和電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗證功能。就本設(shè)計的監(jiān)測裝置的應(yīng)用而言，ion7650和pm850的區(qū)別在于pm850只能監(jiān)測50Hz或60Hz的系統(tǒng)，而ion7650沒有這種限制，所以使用ion7650監(jiān)測逆變器的輸出端Ion7650不僅具有瞬時測量和電能讀數(shù)功能，還具有突降/突升和瞬態(tài)捕捉功能。系統(tǒng)采用Ion7650實現(xiàn)以下功能：監(jiān)控負(fù)載側(cè)常規(guī)電力參數(shù)、負(fù)載側(cè)電力系統(tǒng)故障監(jiān)測、評估負(fù)載側(cè)電能質(zhì)量。

2.3 傳輸層技術(shù)

在現(xiàn)場監(jiān)控層，pm850和ion7650采用RS-485串口通訊，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換通訊協(xié)議。上層設(shè)備網(wǎng)關(guān)、PLC和RJ-45端口可通過普通網(wǎng)線實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。路由器與交換機(jī)相連，工控機(jī)與手持終端通過連接WiFi即可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通訊。

該設(shè)備采用基于Modbus協(xié)議的分布式現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)，定義了一個獨(dú)立于基本通信層的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的 Modbus 協(xié)議映射可以將一些附加字段引入應(yīng)用程序數(shù)據(jù)單元 （ADU）。

M340 PLC作為主站通過ADDM和read_Var實現(xiàn)從從站讀取數(shù)據(jù)。ADDM 的作用是將從設(shè)備的地址格式轉(zhuǎn)換成六個單精度整數(shù)的數(shù)組，作為數(shù)據(jù)讀取功能塊read_Var 地址輸入。

Atk-esp8266 是一款高性能 UART WiFi 模塊。它使用LVTTL與MCU（或其他串口設(shè)備）通信，并內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可以實現(xiàn)串口和WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過atk-esp8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只需要簡單的串口配置，就可以通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自己的數(shù)據(jù)。該模塊作為無線WiFi STA，用于連接無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無線（WiFi）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和相互傳輸。

2.4 軟件開發(fā)技術(shù)

為了通過網(wǎng)絡(luò)在PC機(jī)上實現(xiàn)對船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控、分析和報警，本系統(tǒng)采用MATLAB軟件設(shè)計了用戶圖形界面，可以在現(xiàn)場儀表上更加清晰直觀地獲取電力參數(shù)。

系統(tǒng)通過調(diào)用matlab函數(shù)“TCP/IP”配置IP地址和端口號，實現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備PLC的通訊。數(shù)據(jù)通過Modbus TCP/IP通訊協(xié)議讀取，數(shù)據(jù)按照Modbus數(shù)據(jù)幀格式傳輸。獲取參數(shù)值后，對需要的參數(shù)進(jìn)行處理，通過Matlab GUI繪制所需的顯示變量名、數(shù)據(jù)顯示框和圖形等屬性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示框和圖形需要配置變量地址，編輯變量處理m文件程序。

主界面可以配置路由器連接的現(xiàn)場層設(shè)備的PLC的IP地址，配置通信端口502，完成上位機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備的通信配置。歡迎界面有網(wǎng)絡(luò)側(cè)或負(fù)載側(cè)實時數(shù)據(jù)選項。用戶可根據(jù)當(dāng)前需求選擇參數(shù)界面進(jìn)行觀察。

電網(wǎng)側(cè)集中數(shù)據(jù)監(jiān)控界面顯示pm850儀表寄存器中記錄的所有重要參數(shù)，如電壓、電流、不平衡度、thd、基波幅頻和相角、最大值/最小值等，這些參數(shù)主要實時顯示時間通過數(shù)字標(biāo)簽，有的設(shè)置有上下限顏色標(biāo)識，超過正常范圍報警。同時，折線圖能顯示電壓電流，直方圖能顯示諧波畸變率，是否反映數(shù)據(jù)變化趨勢方便監(jiān)控人員在同屏中獲取全網(wǎng)側(cè)各種重要參數(shù)信息。與電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)采集界面相同，負(fù)載側(cè)數(shù)據(jù)采集界面顯示了ion7650表寄存器中記錄的所有重要參數(shù)，可以及時反映負(fù)載側(cè)實時功率參數(shù)的變化。

stm32f1系列是ST公司生產(chǎn)的低端32位ARM微控制器，核心為Cortex-M3。手持終端監(jiān)控裝置是基于準(zhǔn)點(diǎn)原子艦V3開發(fā)板設(shè)計開發(fā)的。

LCD手持終端采用TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）。它在LCD的每個像素上設(shè)置了一個薄膜晶體管（TFT），可以有效克服不選通時的串?dāng)_，使LCD的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)。因此，圖像質(zhì)量大大提高。與工控機(jī)用戶圖形界面類似，本設(shè)備開發(fā)的手持顯示器主要分為主界面、網(wǎng)絡(luò)側(cè)界面和負(fù)載界面。該程序不僅可以顯示重要的電氣參數(shù)，還可以顯示折線圖和條形圖。幫助分析當(dāng)前電能質(zhì)量、查看歷史數(shù)據(jù)并預(yù)測未來趨勢。當(dāng)出現(xiàn)故障時，界面可彈出紅色警告框并顯示故障類型，提醒操作人員及時處理故障。

FATFS是一個完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。它完全采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，具有良好的硬件平臺獨(dú)立性。FATFS 的這些特點(diǎn)，再加上自由開源的原則，使得FATFS得到了廣泛的應(yīng)用。FATFS模塊層次結(jié)構(gòu)的頂層是應(yīng)用層，用戶無須關(guān)注FATFS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的FAT協(xié)議，它們只需要調(diào)用FATFS模塊提供的一系列應(yīng)用接口函數(shù)，如f_open、f_read、f_write和f_close等，就可以像在PC上讀寫文件一樣簡單。中間層FATFS模塊實現(xiàn)了FAT文件的讀/寫協(xié)議。 FATFS模塊提供 ff.c和ff.h。除非有必要，用戶一般不需要修改，使用時，可以直接包含頭文件。

手持終端的數(shù)據(jù)集中顯示分為三個界面：主界面、網(wǎng)絡(luò)側(cè)界面和加載界面。系統(tǒng)主要采用波形圖、相位圖和直方圖顯示實時功率參數(shù)，方便直觀觀察數(shù)據(jù)趨勢。當(dāng)系統(tǒng)檢測到任何故障時，會在任何界面發(fā)出報警，報警框為紅色，手持終端使用SD卡保存故障歷史，電腦終端可以查看歷史故障記錄。

IPC數(shù)據(jù)集中顯示界面主要由負(fù)載側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)組成。進(jìn)入界面前，有一個歡迎界面，可以配置IP地址，選擇要查看的界面數(shù)據(jù)，可分別顯示船舶電力系統(tǒng)負(fù)載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電力參數(shù)監(jiān)控界面和基于IPC的船舶電力系統(tǒng)故障監(jiān)測界面。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)采用WiFi路由器接入交換機(jī)，配合中繼器收發(fā)WiFi信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離無線傳輸。上位機(jī)可以通過連接中繼器讀取PLC 寄存器的數(shù)據(jù)。在MATLAB軟件中編輯GUI界面程序，可實現(xiàn)工控計算機(jī)實時讀取電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。此外，為了提高觀測參數(shù)和船舶安全系數(shù)的便利性，系統(tǒng)采用STM32F103處理芯片制作帶有WiFi模塊的便攜式手持終端，方便船舶工作人員隨時隨地獲取船舶功率相關(guān)數(shù)據(jù)，并且可以在發(fā)生故障時立即進(jìn)行聲光報警。該設(shè)計還充分結(jié)合了以往的研究成果和創(chuàng)新成果，將科技應(yīng)用于特定場合，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2021-06-26

.作者簡介：包子建（1975—），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)和信息服務(wù)方面的教學(xué)和研究。