大型船舶燃油输送监控系统设计

张建平，庹艾莉，辛宇

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

大型船舶燃油输送监控系统设计

张建平，庹艾莉，辛宇

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

着重介绍了大型船舶燃油输送监控系统设计特点，以及分区设计的思想。遵循设备和系统技术的可靠、适用和先进原则，讨论现场总线网络、传感器等的选型及设计。利用可视化编程工具，编制便于操作人员迅速掌握操作要领的人机操作界面。为满足系统的采集、监测、控制与报警等功能，对其网络组成、体系架构、传感器选配、数据采集处理系统和软件构架等进行研究和设计，利用联调试验验证以及适应性改进，确保最终产品的成功。介绍研制过程中出现的问题及解决方法。现场设备采用分区布置设计，并选用现场总线Profinet网络，应用人机界面LabVIEW编程软件。上位网借用平台主干网搭建。由于利用了平台资源及其坚固性和可靠性，不仅能提高本系统数据传输的可靠性和通信能力，还可减少投资，避免因单独组网而造成的技术风险和成本增加。

大型船舶；燃油输送；监控；现场网络；Profinet总线

0 引 言

燃油输送系统是大型船舶动力辅助系统的重要组成部分之一，其主要作用是将燃油储存舱的燃油转注到日用燃油舱内，供主动力装置使用。为实现船舶姿态的调整或便于油舱的检修，燃油输送系统还可以将燃油在储存舱之间转注，并能根据需要将燃油向岸上卸载。

大型船舶的燃油储存舱众多，分布在全船底舱；燃油输送管路上配置的阀件较多，也是全船分布；配置的燃油输送泵也有多台。因此，迫切需要开展相关研究，实现其状态监测和系统各相关设备的协调控制。

目前在大型船舶燃油输送监控技术方面，未见专门研究，相似的研究有大型油轮油舱和液化气运输船液舱监控系统的研究与设计［1-2］，但仅实现了液位、温度等参数的遥测和集中显示，阀件开/关的操作仍以人工为主，监控主机以单机模式为主，其网络化、自动化程度不高。据相关资料显示，其测点规模较小（测点只有20多个），基本处于监测显示阶段，未实现监、控一体化。

而本文所研究的测控点规模大（达到上千个），并将利用现代传感器技术及模块化数据采集处理技术，实现系统运行所需要的液位、温度和压力的在线监测，以及对泵、阀等设备的自动控制。

1 功能需求分析

燃油输送监控系统主要功能如下：

1）采集、显示燃油舱的液位、温度等状态信息，并有超限报警功能。

2）监测、控制燃油输送系统（泵、阀等）的运行工况。

应能实现集中监控，在遥控模式下，燃油输送泵可在燃油输送监控台上进行遥控启、停，并能监测显示泵的运行状态、泵前管路内燃油的温度、泵出口的压力、泵吸入口的真空度和泵故障指示；液动蝶阀可在燃油输送监控台上遥控开关，并能显示蝶阀关闭或开启的状态。

在监控主站和监控分站间借助平台主干网络传输数据。按要求为其它系统提供OPC服务器，实现信息共享，并保证为其它系统提供的实时数据与监控系统内部的实时数据同步［3］。

2 方案研究

2.1 通讯网络

2.1.1 网络选型

据不完全统计，用于现场智能设备互联的总线网络有40多种［4］，但常用于舰船监控网络的主要有CAN总线、485总线、Profibus总线和Profinet总线。

CAN总线的数据通讯采用CAN协议，物理接口为CAN接口，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。但其不能直接与Internet互联，若要联网，则需要专用的接口卡和特定的网关，数据传输速率最低为1 Mb/s时其传输距离约40 m［5］。

485总线主要采用Modbus通讯协议，物理接口为RS-485串行接口，其特点是结构简单、成本低廉，适合小型监控系统，它允许的最大速率为10 Mb/s（传输距离 15 m）［6］。

Profibus总线速度较快（最大12 Mb/s），组态配置灵活，可以实现总线供电。但Profibus的参数不容易设定，在网络增加、删除节点时需要进行逻辑环重构［7］。

Profinet总线是一种基于工业以太网的通信解决方案。一种总线多种协议并存，硬件实时通讯部分（S7通讯协议）和软件实时通讯部分（标准TCP/IP协议）经过优化后可以同时在一条总线上运行，这样既保证了通讯的可靠性，同时也满足了通讯的快速性，其节点的扩、减均十分方便，具有很大的灵活性［8］。Profinet是基于ASIC专用芯片的硬件实时通讯的现场总线，由于其通讯速率达100 Mb/s，在宽带范围内，Profinet的通讯性能甚至要优于ProfibusDP，而其可靠性则要远远高于普通工业以太网［9］，是未来监控系统发展的方向［10］。

根据上述分析、对比，结合大型船舶燃油输送监控系统测控点多且分散的特点，确定选用Profinet总线做为其现场网络。

2.1.2 通讯网络的原理

1）系统组成及数据流向。

监控装置主要由机电集控室2台中央控制站微机、1台数据处理微机、6台分站和远程I/O处理模块等组成。数据流向（图1）如下：

（1）各分站采集各自所属的远程I/O信号，处理后将信息分别发送到3台监控微机。

（2）各监控微机分别向各分站发送控制指令。

（3）各监控微机之间相互交换部位切换和授权等信息。

图1 通讯系统信息流向图Fig.1 Data flow in the communication system

2）数据流量及带宽要求。

（1）测点统计：总点数约为1 000点。

（2）带宽需求计算。

分站与监控微机之间的通讯协议为基于TCP/IP的S7协议，可初步估算传送帧所需的字节数：根据各个分站的测点统计，一个分站与一台监控微机之间传送的信息量平均为200点参数（含监测、控制和报警信息）；根据基于TCP/IP的S7协议规定，1次需传送完200点参数信息，因此，传送帧的带宽约为2 kb。

为满足监控微机界面数据1～2 s内刷新一次的要求，6个分站应在500 ms内完成1次与1台监控微机的数据传送；又由于基于TCP/IP的S7协议中加入了令牌机制，所有分站不能同时传送数据，因此6个分站只能依次获取令牌与1台监控微机进行数据传送；所以，若要满足监控微机界面数据刷新的实时性要求，1个分站应在1/12 s内完成1次与1台监控微机的数据传送，交换频率为每秒12次。基于TCP/IP的S7协议是面向连接的（connection-oriented），即分站要分别与2台机电集控室燃油输送监控微机和1台数据处理微机共建立3个连接，同样的数据帧要求每台监控微机传送1次，共计3次。

集控室燃油监控微机与平台主干网管理系统交互的信息为检测信息190点，报警信息30点，传送帧的带宽约为3 kb。为满足监控微机界面数据1～2 s内刷新一次的要求，燃油监控微机应在500 ms内完成1次与平台主干网管理系统1台监控微机的数据传送。因此，要满足监控微机界面数据刷新的实时性要求，监控微机就应在1/2 s内完成1次与1台平台主干网管理系统监控微机的数据传送，交换频率为每秒2次。由于是与平台主干网管理系统1台监控微机进行数据传送，因此连接数为1。

2.2 体系架构

燃油输送移注监控装置采用网络化、模块化结构设计。结合平台主干网强大的通讯保障能力，以及成熟的现场总线技术，将传感器、控制驱动机构、现场采集处理模块、监控分站和各级监控主站等设备集成为一个适合燃油输送系统的扁平化3级架构的监控装置。基本原理如图2所示。

2.3 传感器选型

2.3.1 连续液位传感器

传感器的选型要满足环境条件的需求，包括温度、大气压力、振动、电磁干扰、灰尘、雨水和烟雾等，而船用传感器则首先应满足船舶环境要求：高温、高湿（有凝露）、烟雾、霉菌，以及倾斜摇摆。

2.3.2 点式液位传感器

图2 系统组成基本原理图Fig.2 System architecture

针对油料特性，点式液位传感器选取了音叉式液位开关。振动元件（音叉）通过压电供能，在压电陶瓷的驱动下以1 200 Hz的机械谐振频率振动。压电陶瓷因受到机械固定，不易受温度骤变的影响。一旦振动元件接触到被测介质，振动频率就会改变，然后应用一体式电子部件检测该振动频率的变化，并转换成开关命令。

2.3.3 温度传感器

油舱及管路温度传感器使用传统热电阻式传感器配以温变模块，选型中，需根据油舱高度及传感器安装位置选择温度传感器的杆长。电气接口为二线制，24 V DC输入，输出4～20 mA电流信号。

2.4 数据采集处理系统

2.4.1 数据采集处理模块

数据采集处理模块的功能：

1）采集油舱和泵组的信息（包括液位、温度、泵组、阀门监控等）；

2）通过Profinet现场总线，将信息发送到对应的监控分站；

3）按监控分站指令信息，控制驱动相应的执行单元（泵、阀）。

数据采集处理模块原理：利用系统现场分布式I/O，进行A/D和D/A转换，把指令数据通讯信号转为电压、电流驱动信号，控制对应的驱动机构（泵、阀），采集处理液位、油温、阀位等信号，并发送到监控分站。

2.4.2 监控分站

燃油输送监控分站的功能：

1）收集所属分区内所有现场采集单元的监控信息。

2）通过平台主干网，传送监控信息到各监控主站。

3）根据中央控制台发送到分站的控制指令，对相对应的泵和阀进行开关控制。

4）向数据采集处理模块提供24 V DC电源。

5）分站数据采集滤波功能：每个循环分站对远程I/O端口进行一次扫描，并进行滤波。

6）分站报警处理功能：对每次处理好的数据进行报警设置，并把处理结果发给中央监控台进行报警显示。

燃油输送监控分站工作原理：利用分站的PLC主机和网卡向上接入全舰平台主干网和控制主站进行数据通讯，向下接Profinet现场总线和分区内的各个数据采集处理模块进行数据通讯，对上位的控制指令和下位的监测信息进行上传下达。

2.4.3 监控主站

1）监测原理及功能。

监控主站实时监测燃油液位、温度、液位高低位及燃油输送泵运行状态等参数，现场信号经采集变换后，通过Profinet总线传输至分站，分站与上层加固微机通过建立在平台主干网上的虚拟以太网进行数据交换。

在中央监控台上主要实现如下监测功能：（1）参数显示功能：对所有监测的参数进行实时显示。

（2）报警功能：对各超限参数可进行实时声光报警。

（3）数据共享功能：通过OPC服务器向管理部门提供油舱的液位和油量等数据。

2）控制原理及功能。

控制的主要原理为：在遥控状态下监控主站程序，检查、检验油舱联锁条件，控制燃油泵的遥控启/停，以及燃油舱和输送管路的液动蝶阀开关，将燃油输送泵、阀的控制等指令传送到监测分站，然后由监测分站通过Profinet总线传送到相关阀件和燃油输送泵的控制箱，最后由燃油输送泵控制箱实现泵的遥控。

2.5 软件开发研究

软件的编制采用Windows XP环境下的LabVIEW编程［11］，通过数据采集、人机对话、参数显示、报警记录和图形显示等来实现对燃油系统有关参数的记录和监测，并对一些泵和阀进行控制。人机界面截图如图3所示。

图3 人机界面的截图Fig.3 Screenshot of the human-machine interface

主程序框图如图4所示，数据采集处理模块程序框图如图5所示。

3 测试与交验

3.1 联调测试

试验目的：检查装置内、外部接口的正确性和协调性；检查装置功能的正确性和完整性。

主要进行了如下测试：

1）系统监测控制功能调试；

2）系统与传感器的匹配调试；

3）模拟实船布置的系统功能测试等。

图4 主程序框图Fig.4 Block diagram of the main program

图5 数据采集处理模块程序框图Fig.5 Program flow chart of data collection modules

其中，模拟实船布置是指将监控分站与监测模块之间的供电和通讯电缆的距离按照实船最大的供电和通讯电缆长度进行敷设测试。

在模拟实船布置的系统功能测试中，出现了当布置在监控分站以下的数据采集处理模块超过4级时其配置的液位传感器不能正常启动的故障。原因分析：监控分站以下数据采集处理模块的供电及通讯电缆的连接方式为串式拓扑，系统设备设计供电模式为长距离直流供电，为保证数据采集处理模块的电压处于规定范围内，每个模块内部均设置了开关电源模块用以升压稳压。模块使用的电源为监控分站内从西门子SITOP电源AC 380 V转换来的DC 24 V。由于同一条线缆上的开关电源模块数量过多，放大了DC 24 V上的7次谐波［12-14］，而西门子SITOP电源抑制谐波能力有限，串接至5级时在末端造成直流供电DC 24 V出现了约±2 V的纹波；另高精度的导波液位传感器对纹波敏感，超过±1 V即无法开机。查找到原因后，修改了设计，从监控分站中引出多路供电电源，确保每条直流供电线供电的数据处理模块不超过2个。经测试，在2级时，纹波降低至±0.3 V，液位传感器能正常使用。

通过陆上联调试验，解决了装船设计问题。

3.2 实船测试

主要进行传感器测试、单机恢复试验、联调试验和功能效用试验等。试验方法有模拟法或效用法。连续液位传感器的调试需要借助测深尺进行零位校核。测量精度检查，是采用注入或抽出相应液体的方法增加或减少舱容，每个液舱抽验不少于3点（低位、中位、高位），用经检验合格的测深尺将测得的读数与液位测量装置测量的读数进行比较，判断其误差大小，然后进行相应的处理。对于泵和阀的遥控，先进行空载试验，成功后再进行负荷试验。

所有单机检测完成后，进行联调试验和功能效用试验，重点检查测试监控软件的正确性和可靠性，以及网络共享数据的完整性和实时性，最终完成全部试验，交付用户。

4 结 语

由于在设计前对技术体制进行了反复论证，开展设计后经过了样机验证，制造完毕交付前又经过了陆上联调试验，因而解决了原理验证和装船设计问题，保证了系统研制的成功。经过船上调试，最终解决了适配性问题和功能问题。

本系统的成功研制，提高了同类船舶燃油输送系统的自动化水平。

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Research and Design of the Fuel Transfer Monitoring System on Ships

ZHANG Jianping，TUO Aili，XIN Yu

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The monitoring system of fuel transfer system（MSFTS）used in large ships is studied in this paper，with its divisional design philosophy introduced.To guarantee the advancement，reliability，and applicability of equipment，the design of field bus network and the selection of sensors are particularly discussed，and a straightforward human-machine interface is programmed into the MSFTS.Also，the monitoring management function，the components of network，and the data processing unit are studied in detail.For optimization，a debug test has been conducted，with some typical problems being identified.Finally，the host net is built based on the system's main network，whose robustness and reliability greatly enhance the communication and data transfer capacity of MSFTS and eliminate the risk and cost of using individual networking.

large ship；fuel transfer；monitoring；field network；Profinet bus

U664.5

A

1673－3185（2014）02－111－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.020

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.020.html

期刊网址：www.ship-research.com

2013－08－14 网络出版时间：2014-3-31 16:33

张建平（1964－），男，高级工程师。研究方向：船舶动力装置。E-mail：zjp7011＠163.com

庹艾莉（1980－），女，硕士，工程师。研究方向：船舶动力装置

张建平

［责任编辑：喻 菁］