基于海事卫星C站的船舶燃油监测系统设计

梁富琳，陈远明，邱守强，王冬姣

（华南理工大学 土木与交通学院，广州 510641）

0 引言

燃油是船舶航行过程中的动力来源，因此船舶动力装置的油耗是一个非常重要的性能指标，同时也是航运企业最主要成本之一，所以，对船舶航行过程中油耗的监测管理显得十分重要。在燃油监测和管理方面，虽然国内外很多企业正在逐步研发远程燃油监测系统，由于通信技术，系统本身的复杂度等因素制约，造成目前尚没有一套比较完善、成熟、低成本的监测系统。因此燃油监测系统还没有大面积推广使用，尤其是中小规模船型。

本文将针对目前燃油监测系统研发过程中的制约因素提出一种超远程、可靠通信、成本较低的系统方案设计及实现。

1 燃油监测系统总体方案设计

监测系统总体分为三个部分组成：1）数据采样；2）远程通信；3）终端软件。系统拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑结构

1.1 数据采样

数据采样是燃油监测系统的前级部分，是指对被监测的物理量进行采集、模数转换等，这里主要是指船舶主机、发电机系统的燃油流量，可以通过流量传感器来完成。流量传感器是工业和生活中最常见的一种传感器，分为测量气体和液体两大方面；按测量物理量可分为体积流量和质量流量；按工作原理又可分为接触式和非接触式。

考虑到船舶机舱机构的复杂性，为了便于安装使用，本文设计的系统采用基于超声波的非接触式流量传感器，又称为超声波流量传感器。另外，为了提高系统的可靠性将采用PLC作为数据采样处理单元，因为PLC在船舶恶劣的电气环境中具有优秀抗干扰能力及很高的稳定性。

1.2 远程通信

远程通信部分在船舶燃油监测系统中是最为关键的部分，采集到的大量数据必须传输到远程陆地上的船舶营运企业才有实质性的意义，尤其是远洋船舶。因此，通信设备必须能实现超远程距离传输，与陆地上的通信方式不一样的是船舶航行到远海时并不能像陆地通信那样能直接使用诸如GPRS基站、以太网等设备，因此，要实现船岸通信最终必须依靠卫星信号。

船舶在建造时出于海上遇险与安全通信考虑都会安装海事卫星接收终端Inmarsat-C系统（简称C站）与海事卫星保持通信用于存储转发报文、遇险呼叫、数据报告等。因此可以利用C站完成燃油数据报的远程传输，同时可大大降低系统的设计成本。

1.3 终端处理软件

本监测系统中的终端软件分为两部分：1）船上原始数据记录及发送软件；2）岸上数据接收及管理软件。

船上软件主要是运行在船上的PC机系统用于接收从PLC传输过来的原始燃油数据，并实时将数据记录在本地硬盘中便于船舶航行结束后提取出来分析；同时将燃油数据进行定时分组、打包等处理，然后传输到C站由其转发到岸上接收系统。岸上数据接收及管理软件则主要是用于接收船上传输过来的燃油数据，并且进行解析、绘制曲线，制作报表等。为了缩短系统开发周期、尽量减少代码编写过程中出现的BUG，本监测系统软件设计使用LabVIEW平台实现。

2 燃油监测系统详细设计

2.1 数据采样系统

1）流量传感器的安装，为了便于安装本系统采用外夹式超声波流量传感器，同时为了确保测量精度则选用流量计而非直接使用流量传感器，这样既可以减小自行计算的误差，也降低对PLC处理单位元的要求，从而简化系统复杂度，外夹式流量传感器的安装如图2所示。

图2 流量计安装

根据流量计的工作原理可知，对于一个管段流量的测量必须使用两个超声波探头才能完成，如图2所示。因此，要完整测量一台主机的油耗则需要在主机的进油管和回油管上分别安装一个流量计共4个超声波探头。假设进油管处测量到的入口流量为L1，经主机燃烧后回路流量为L2，那么主机的实时油耗为： 。

流量计往往已经设计为智能仪表，因此只要根据实际管径尺寸设定好流量计的参数即可直观地在流量计上观察到油管实时流量，同时，为了系统设计更为简便，可以选用数字输出的流量计，如通过RS485接口就能获得流量计输出的燃油流速、瞬时流量等数据。

2）PLC采样处理单元设计，由于选用的流量计具有RS485接口输出，那么对于多点测量则可以非常简便地实现，一台主机油耗测量的完整系统设计如图3所示。

图3 燃油流量监测流程

由图3可见，在主机的燃油入口管上安装一个流量计1，主机回油管上安装一个流量计2，同时对入口流量、回油流量检测，分别得到主机入口、回路的瞬时流量L1、L2并通过RS485总线输出到PLC再统一进行数据收集及打包处理，然后通过以太网接口传输到船上专用计算机。以此类推，对于船上其他主机及发电机组的油耗监测可使用同样的安装方法，最后所有流量计的数据全部通过RS485总线传输到PLC即可。为了降低对PLC性能的要求，PLC并不进行复杂数据处理，只完成数据的打包及转发功能。

2.2 通信系统

由于通信部分是船舶燃油监测系统中最重要的部分，因此，只有很好的实现远程通信功能才能使得整个燃油监测系统具有实质性意义。鉴于海上通信环境的特殊情况，为了能实现可靠的超远程通信，本监测系统采用海事卫星C站作为通信设备。

海事卫星C站又称Inmarsat-C是用于接收国际海事卫星数据的终端设备。C站根据不同的生产厂家有很多不同的型号，价格也差别较大，其中相对便宜的是Mini-C，但搭载功能也相对简单。而普遍使用较多的可算为Felcom15，此款C站的功能较为完善，而且价格相对合理。

利用C站作为船舶燃油监测的通信设备进行数据远程传输，使用方法也相对简单。由Felcom15的技术参数可知，该C站具有邮件收发功能，由于远程燃油监测对油耗的实时性要求不高，而且出于节省C站服务费用的考虑，使用邮件服务进行数据传输成本最低。Felcom15具有两个以太网接口，那么可以使用其中一个以太网接口与船上专用计算机进行通信，如图4所示。

图4 Inmarsat-C连接方式

根据Felcom15的使用手册可知，只需将其IP地址设置为与计算机同一个IP段就可以完成正常的TCP/IP通信。最后，在使用C站邮件服务前需要向海事卫星组织注册一个邮件服务账号作为转发邮件使用（会按照流量收取服务费）。

2.3 数据记录软件设计

1）船上数据记录软件

该软件运行于船上专用计算机,其主要是完成对下位机PLC的数据进行收集、存储到本地硬盘、打包处理等，本文采用LabVIEW平台进行设计。为了能提高通信可靠性、传输速度，计算机与PLC之间使用以太网接口，利用TCP/IP协议通信，计算机作为TCP服务器，PLC为TCP客户端。利用LabVIEW进行TCP通信程序设计相当简便，主要用到的子VI有：

（1）打开TCP连接 (函数)

图5 打开TCP连接 (函数)

该VI的功能是建立由地址和远程端口或服务名称指定的TCP网络连接。

地址：PLC的IP地址，需要与计算机配置的IP在同一个段内。

远程端口：PLC上的TCP客户端端口号。

只需指定以上两个参数该VI就是自动创建一个TCP连接。

（2）读取TCP数据 (函数)

图6 读取TCP数据 (函数)

该VI是从TCP网络连接读取字节并通过数据输出返回结果。

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模式：表明读取操作的动作分为Standard,Buffered, CRLF, Immediate.通常选择Immediate模式，即在函数接收到读取字节中所指定的字节前一直等待，以便按照用户定义的格式读取数据。

读取的字节：每次读取的字节数量。

（3）截取字符串 (函数)。

图7 截取字符串 (函数)

因为从PLC传输过来的数据包含若干个流量计的数据，这些数据是按照一定格式封装的，所以需要利用截取字符串VI将不同的流量计数据分别截取出来。完成TCP通信的主要LabVIEW程序如图5所示。

图8 TCP应用程序

由图5可见，将截取字符串VI的输出结果进行字符串->数值转换就可以获得流量数据的具体数值，编程非常简便。

2）流量数据处理。

图9 流量数据处理

3）电子邮件发送。

利用LabVIEW进行电子邮件发送程序设计也是相当简便的，由于监测系统的实时性要求不高，以天为单位向远程回传一次数据已经有足够的意义，同时也可以减少通信流量的服务费用。LabVIEW发电子邮件主要用到的子VI有：

（1）SMTP服务器初始化VI

图10 SMTP服务器初始化VI

（2）SMTP服务器登录VI

图11 SMTP服务器登录VI

（3）SMTP命令VI

图12 SMTP命令VI

（4）SMTP数据发送VI

图13 SMTP数据发送VI

由于每小时进行一次数据记录，那么一天就有24组数据，为了减少邮件发送的流量，在发送前先将各组数据合并、转为字符串等处理，以单封邮件形式发送到C站再转发到陆地，该部分程序设计如图7所示。

2.4 终端数据管理软件设计

图14 电子邮件发送程序框图

图15 船用软件面板

数据管理软件是运行于陆地计算机的终端软件，主要是用于接收从船舶回传的电子邮件，并进行数据解析，绘制曲线，打印报表，数据存盘等。软件设计仍然是使用LabVIEW作为开发平台，与船上数据记录软件对应，接收邮件部分则使用LabVIEW电子邮件接收子VI。

1）连接POP邮件服务器VI

图16 连接POP邮件服务器VI

Password：POP服务器登录密码(邮箱密码)。Username：接收邮件的邮箱名称。

POP server name：POP服务器域名(如pop.xxx.com)。2）查询邮件VI

图17 查询邮件VI

3）读取邮件消息VI

图18 读取邮件消息VI

电子邮件接收LabVIEW程序如图19所示。

图19 电子邮件接收程序

4）数据处理及界面设计

数据处理主要是指绘制过去一天内每个被测对象每小时的入口平均流量、回油平均流量、每小时耗油量曲线、一天总共耗油量等具有参考价值的燃油的数据处理。

由于回传的邮件是过去一天内每小时的燃油使用情况，所以需要进一步进行处理计算出每小时耗油量、一天总耗油量,并且制作报表、存盘等。根据燃油监测系统的功能需求，最终提供给用户的数据主要有每小时油管平均流量、每小时油耗、一天内总油耗等。为了能尽量人性化设计软件界面，根据各个数据意义的不同以曲线或者数值形式显示，总体界面设计如图10所示。

3 结束语

本文研究的系统已经成功应用于部分远洋船舶上，经实际的使用结果（如图20所示）表明，充分利用船舶上现有的通信设备海事卫星C站，并结合非接触式流量计、PLC、LabVIEW图形化编程进行系统开发具有安装调试方便、开发周期短，软件模块封装良好，界面友好，稳定性高等优点；而且总体成本相对较低，费用主要用在传感器选型上。系统不仅适合远洋船舶、而且适合近海及内河船舶，为船舶营运企业提供了一种非常有效的船舶燃油管理方法。

图20 数据管理软件界面

[1] 卢晓春,全金连,吴晶,叶翠安.基于GPRS船舶燃油监控管理系统的研制[J].船电技术,2012,11:35-37

[2] 陶秀,樊喆,严新平,陶剑锋.船舶燃油使用状况实时远程监测系统[J].船舶工程,2008,04:61-64.

[3] 蔡德清.张燃.郑士君.黄爱平.中远集运船舶燃油监控系统[J].航海技术,2008,05:57:59.

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