船艇动力设备远程监测与报警系统的设计

江 涛,段黎明,邓子辉

(1.重庆大学ICT研究中心，重庆 400030; 2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400030)

船艇动力设备远程监测与报警系统的设计

江 涛1,2,段黎明1,邓子辉1,2

(1.重庆大学ICT研究中心，重庆 400030; 2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400030)

针对国内传统仪器监测信号和现场监测在功能和显示方面的不足，采用VB可视化建模、数据库、传感器、无线网络通信等技术，设计开发了船艇动力设备远程监测与报警系统。该系统采用模块化的设计方法，分别进行硬件和软件设计，主要对船艇的主推进机组和柴油发电机机组的运行状态进行综合监测与报警。试验结果表明，该系统不仅可以满足对船艇动力设备的实时监测与报警的要求，而且为后续故障预测与诊断提供了充分的数据信息，具有实际应用价值。

船艇；动力设备；远程监测与报警

0 引 言

确保船艇随时处于适航状态对保障船员的生命安全和支持国家经济建设具有重要的意义，而船艇动力设备的稳定运行是保证船艇正常工作的前提。尽管船艇工作人员在解决故障方面有一定的经验，但远不能满足使船艇时刻处于正常工作状态要求。随着科学技术的发展，船艇动力设备监测与报警技术越来越受到人们的关注，国外和国内的许多科研工作人员都开始对这一领域进行深入的研究。

国外对于船艇动力设备监测与报警系统的研究起步较早[1-4]，也较为先进，目前国内对此领域的研究与国外相比仍有相当大的差距[5-9]，主要表现在：监测方法单一，监测对象简单，报警功能不足，无法进行全面监测与综合诊断。然而，我国船舶事业的飞速发展给船艇监测自动化方向提出了新的要求。因此，开展船艇动力设备监测与报警系统的研究具有十分重要的意义。

本文以长江航道局某航道维护船艇为研究对象，设计开发了船艇动力设备远程监测与报警系统，对其主推进机组和柴油发电机组进行实时监测与及时报警，不仅有利于船员与岸上指挥人员掌握船艇的当前运行状态，而且为后续的故障预测与诊断提供重要的数据信息。

1 系统的总体结构与工作原理

船艇动力设备远程监测与报警系统的目的是反映船艇动力设备各项运行数据，对异常的设备状态信息进行及时报警，存储相应的运行数据与报警信息，并且将船艇的运行数据实时发送至远程监测中心，供远程工作人员对其进行指挥和操作。图1为船艇动力设备远程监测与报警系统的总体设计方案。

图1 系统总体设计方案Fig.1 Overall system design

船艇动力设备远程监测与报警系统主要由信号源、信号采集、信号预处理、数据处理与分析、数据无线传输、远程接收与处理等6部分组成。其工作原理主要分为2个流程：1)通过安装在机械设备监测点上的传感器进行信号采集，将采集到的数据信息传输到工业控制模块中预处理后，输入工控机中由软件系统对信号进行分析，实时显示与存储，并根据给定的报警阀值进行相应的报警。2)将现场监测软件系统处理过的数据信息进行打包，通过GPRS无线网络发送至远程监测计算机，由远程监测软件系统对数据进行解析、显示与存储。

2 系统监测对象和参数分析

2.1 系统监测对象

船艇动力设备远程监测与报警系统的监测对象为长江航道局的某航道维护船艇。其主要的动力设备分为以下2个部分：

1)主推进机组为VOLVO发动机有限公司生产的D7AT型柴油机，如图2所示。

2)柴油发电机组为美国奥南动力公司生产的MDKBR-7230758型柴油发电机，如图3所示。

图2 左主推进机组Fig.2 Left main propulsion unit

图3 柴油发电机组Fig.3 Diesel generator set

2.2 系统参数分析

船艇动力设备远程监测与报警系统的监测参数主要包括左右主推进机组和柴油发电机组的常规热力学参数，如柴油机的瞬时转速、滑油温度、滑油压力、冷却水温以及运行与报警信号等。该系统的详细监测参数如表1所示。实时采集上述参数，并将其引入船舶动力设备远程监测与报警系统中处理分析，实时显示设备当前状态。

表1 系统详细监测参数

3 硬件系统设计

图4 系统硬件组成图Fig.4 Composition diagram of the system hardware

船艇动力设备远程监测与报警系统的硬件系统主要由以下4部分组成(见图4)。

1)传感器

根据测量对象的特点、测量环境以及传感器的使用条件，转速传感器选择选用磁电式转速传感变送器，压力传感变送器选用压电式传感变送器，温度测量选用热敏电阻传感变送器。这3种传感器均安装在左右推进机组与柴油发电机组机体的预留接口上，能够获得准确的瞬时转速、温度与压力信号，为后面的状态监测与报警奠定基础。

2)数据采集与处理系统

本系统中，数据采集分为监控室采集和机舱现场终端采集2部分。

监控室中主要是对集控台中的运行信号进行采集，该信号主要为开关量信号，选用的是研华ADAM-4051，该模块提供16路隔离数字量输入通道，并且输入支持干接点和湿接点。

机舱现场终端的模拟量输入模块、测频模块和485/232转换模块分别选用研华ADAM-4117、研华ADAM-4080、研华ADAM-4520。ADAM-4117带Modubs的8路差分输入通道，传输距离1 200 m，采用RS485，2线数字接口。ADAM-4080计数器/频率输入模块有2个32位计数器，其中的嵌入式可编程定时器用于频率测量。ADAM-4520是有源的RS232 到RS422/485 的转换器、自动识别信号流向实现485和232的双向转换，且信号端具有3000VDC 隔离保护。

3)工控机

工控机选用的是研华IPC-6606系列。该工控机具有抗震性，散热性能强，能够在比较恶劣的环境下工作。另外，在工控机中，可以进行数据的实时显示、保存以及对监测点提取特征信号等，完成系统监测和诊断。

4)无线传输系统

无线传输系统选用GPRS无线网络，其接口框图如图5所示。

图5 数据采集终端硬件组成图Fig.5 Data collection terminal hardware components diagram

无线传输模块选用成都众山科技有限公司生产的ZSD31系列GPRS DTU。它基于移动通信网络，针对工业监测、交通管理和金融等行业的数据通信的应用而开发。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等众多复杂网络协议和SOCKET插口标准，提供全透明数据传输和用户自由控制传输2种模式。同时支持点对点、点对多点、设备间、设备与中心间等各种不同的通讯模式。

4 软件系统设计

船艇动力设备远程监测与报警系统软件系统采用模块化的设计思想，是在VB编程语言平台下进行开发设计的，由主推进机组和柴油发电机组两大主要系统，信号采集与处理、数据的实时存储、查询与打印、主推进机组与柴油发电机组的监测、数据的远程传输等4大模块组成。系统的软件结构如图6所示。

图6 系统软件框图Fig.6 The block diagram of the system software

软件系统根据4大模块相应的功能设计成当前数据监测、报警值设定、数据查询打印、数据走势显示、船舶动态数据、机务管理系统等6个显示界面。其中当前数据监测界面包括左右主推进机组和柴油发电机组的所有运行参数和运行报警指示，数据查询打印界面具有查询和打印历史运行记录等功能，数据走势显示界面能够显示一段时间之内左右主推进机组与柴油发电机组的全部热力参数走势曲线，报警值设定界面用于设定相关报警的阀值。

4.1 信号采集与处理模块

工控机与数据采集模块之间使用标准的RS232口进行数据的传输，利用VB提供的MSComm控件进行串口设置，对信号采集模块写入读数据命令，从而接收来自由信号调理模块预处理过后的设备运行参数。从串口接收到的数据信息根据传感器的线性关系进行换算过后，得到当前设备的运行参数，显示在软件的界面中。

4.2 数据的实时存储、查询与打印模块

数据的存储与查询功能需要用到数据库技术。首先，需进行数据库的选择，系统数据库采用的是目前主流的MySQL数据库，该数据库属于轻量型数据库，方便轻小，容量较小，但是仍能完成绝大多数的应用场合是程序设计阶段最好的试验型数据库；其次，建立系统数据库，并在系统数据库中创建6张表，分别用于存储左右主推进机组和柴油发电机组的实时运行数据与报警记录；最后，连接数据库，对数据库进行写入、读取与打印操作。

4.3 主推进机组与柴油发电机组的监测

主推进机组与柴油发电机组的实时状态的显示。主要对主推进机组的常规热力参数进行实时监测与报警指示，柴油发电机组除常规热力参数外，还对输出电压与电流进行数字显示。

4.4 数据的远程传输

无线通信网络选择GPRS网络，该网络具有传输信息量大、速度快、实时性强等特点[10-14]。通过GPRS无线网络与监控中心计算机建立无线网络连接，选用ADSL数据通信作为监控中心的接入方式。监控中心计算机直接与互联网相连，采用TCP/IP通信协议，安全可靠准确性高，能够及时获知传输的成功与失败，并且具有断点续传功能。其实施图如图7所示。

图7 远程数据传输实施图Fig.7 Implementation of remote data transmission diagram

5 系统的试用测试与结果

船艇动力设备远程监测与报警系统已在长江航道局某航标船试用，图8为该船的某瞬时监测数据。图中显示的当前监测数据包括了左右主推进机组与柴油发电机组的瞬时转速、常规热力参数以及运行报警指示等，将监测系统所得数据与船艇仪器所测数据对比，可以看出系统所测数据准确可靠，且界面生动形象。图9为历史记录的查询与打印界面，可以查询数据库存储的历史数据，方便工作人员查看船艇的历史运行状态。图10为某瞬时船艇左右主推进机组与柴油发电机组的瞬时转速与热力参数的数据走势，该走势为1 min之内的数据走势状况，数据走势图更好的为工作人员判断动力设备故障发生的时间与位置。

图8 某瞬时当前数据监测Fig.8 A transient current data monitoring

图9 某瞬时历史记录查询Fig.9 A transient history query

图10 某瞬时数据走势显示Fig.10 An instantaneous data trend shows

6 结 语

船艇动力设备远程监测与报警系统利用现代监测技术对船艇动力设备的各项参数进行全面监测，使用无线通信技术将设备运行状况及时发送至远程监测中心，清晰地展现了设备的实时运行状态。采用数据库技术存储监测数据，方便历史数据的查询，经试用测试后表明，系统的人机界面友好，监测对象全面，具有实时性好，稳定性、可靠性与扩展性强，开发成本低等特点，本文所展示的技术方案很好的实现了船艇的现场监测与远程监测，对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

江涛(1988-)男，硕士研究生，主要从事智能监测与计算机协同监控，设备故障诊断等方面的研究。

TP271

A

1672-7649(2014)07-0119-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.025