船舶主机远程监控技术

船舶主机远程监控技术 一、背景与意义 船港航新技术中，船舶主机远程监控技术近年越来越受到人们的关注。当前，研究开发网络型船舶监控系统是我国由海洋大国走向海洋强国的必然要求。船舶主机远程监控技术除了能改善船员的工作条件，减轻他们的劳动强度，避免人为的操作差错外，还能提高船舶的整体操纵性和经济性，也是“无人机舱”发展的必要环节。 船舶主机的远程监控是轮机自动化的核心，是船舶监控的关键。网络化是船舶监控的发展方向，而我国大部分船舶设备都处于单独控制状态，没有网络体系化的产品。因此，研究开发网络型船舶监控系统已经迫在眉睫。 二、主机远程监控国内外研究现况 主机远程监控，既要有监视又要有控制，是主机监视报警与主机遥控的简称;是指远离机旁在集控室或驾驶室通过自动控制系统监视与操纵主机的方式。 目前以柴油机作为主机的船舶占绝大多数。柴油主机监控分为柴油机现场的自动化控制和柴油机的远程控制。柴油主机的远程控制先后经历了由轮机当班人员在机旁的本地控制，到机舱集控室的集中控制，现在正朝着到“无人机舱”方向发展。 我国是造船大国，但我国所制造的船舶的自动化水平都不高，主机监控技术在我国发展缓慢。在国外，一些世界造船强国，如美国，日本，韩国等，其船舶配套业的发展水平已经远远高于国内的发展水 平，船用大功率低速柴油机、船舶自动化系统、船舶导航设备等配套产品都比国内先进很多。目前我国自动化船舶上大多采用“分散式”控制系统:采用多台计算机分别对主机等船舶设备的各个局部系统进行监控，例如，采用单片机的柴油机燃油喷射自动控制、主机遥控和集中监视系统等。基于这种控制方式的船舶监控系统产品有 CJBW、JK-88YK、DYT-88J、MCS-90、CWJK-88 等。 三、船舶主机远程监控发展趋势 “无人机舱”对船舶主机监控系统提出了更高的要求。主机不仅不需要相关的轮机人员去值班，而且可以由未经过专门的船员来控制主机。主机本身的自动控制越来越智能化，远程控制向着模块化、实时化发展。 今后，船舶主机远程监控系统将在如下方面进一步发展: (1)构建高可靠性的网络体系，进行系统化、模块化发展; (2)增添多媒体技术，优化屏幕显示和控制技术; (3)智能优化控制和故障预测、诊断; (4)加强网络安全和数据安全。 四、船舶主机远程监控系统 1)、船舶监控系统总体网络体系 随着计算机技术和网络技术的不断融合，以网络技术为核心的网络分布式总线控制系统出现，船舶监控系统现已形成了网络化。它将船舶自动化分拆成多个模块，如船舶主机监控、船舶辅机监控、船舶舵机监控等。 主机网络分布式控制系统有着明显又灵活的构成方式:由设备层、控制层、网络层三层构成。现场控制站、数据采集站和底层单片机等构成了设备层，它们属于最底层也是最关键的控制器件;控制层由集控室，集控室工作站，远近程控制转换器等构成;操作员工作站、数据库、交换机、工业控制计算机等构成了控制系统的最上层——网络层。分散在底层的数据采集站、现场控制站和底层单片机等完成过程控制，实现就地数据采集处理、人工控制和自动控制;底层单片机中设置相应的程序进行自动调节主机运行状态，保证主机运行安全，它和工业控制计算机一起构成通讯系统的上下位机;数据通过数据通信网络传送至工业控制计算机中。工业控制计算机对来自底层单片机中的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报、故障诊断、显示报警等，并实现主机远程监视和控制。通过局域网辐射功能将主机运行数据发送至多个局域网工作站，使船员办公移动化，改善船员工作环境，比如在轮机长房间计算机里装上主机监控系统客户端，轮机长就可以在房间里对主机运行状态进行监视和控制。 2)、主机远程监控系统要求 设计一种柴油主机的远程监控服务器软件，船舶轮机人员可以利用该软件对船舶柴油机进行远程监视和控制，并且利用其服务器特性可以设立多台工作站。设计中采用 RS485 网络和 Modbus 通讯协议从下位机(底层单片机)读取主机运行数据、TCP/IP通讯协议将读取的数据通过局域网辐射到客户端中;用Visual C++进行主程序的设计，用 Microsoft SQL Server 进行数据库的构建，用 Flash 和Photoshop 进行界面的美化;在需要进行保密的数据应当设置加密算法。船舶主机远程监控系统需具备的具体要求如下: (1)具备可靠的通讯系统，能从下位机(底层单片机)准确读取数据。 (2)准确并优美的显示和下位机通讯得来的数据。动态显示主机几个主要参数，并时时刻刻显示在主界面上，以供轮机人员实时监视。 (3)局域网服务器。系统中应该具备局域网服务器功能，以便接受客户端发过来的请求，并根据客户端的请求向其发送相应的数据，同时也可以作为服务器管理人员和客户端监控人员沟通的工具。 (4)预警和报警。主机安全运行是船舶航行中上最重要的一项，任何一个参数出现差错都造成主机运行状态的变化，给主机安全运行造成不稳定的因素。虽然底层单片机会处理一些简单状况，但是也得向轮机人员并将数据存入数据库，以便以后调用。所以，需要对每一个监测点设置预报警，如达到要求那就应该进行灯光和声音的预报警。对于主机运行的重要参数设置停机报警指示，如主机超速停车报警，滑油进机低压停车报警，淡水出机高温停车报警，紧急停车报警等。 (5)报警消声。在一些特殊时段需要主机在报警以后继续进行运行，当轮机人员按下消声按钮后，报警声音停止，但报警指示灯依然为红色。只有当故障消除后，报警指示灯才熄灭。 (6)数据打印，数据备份还原。轮机人员可以对数据库中的数据随时进行数据打印，也可以对主机服务器中的数据库进行备份或者还原。 (7)数据库远程复制。由于主机服务器、辅机服务器、舵机服务器等多个均连接在同一个局域网里，所以需要建立一个专门的数据库来统一管理整船的数据，因此要求主机服务器中的数据库能远程将其中的数据进行远程复制。 3)、监控参数 主要针对空气启动的船舶柴油主机的运行状态进行远程监控设计，在监视参数的基础上达到控制的功能。该系统需要采集的参数如下表所示。 参数编号 检测参数名称 单位 1 淡水出机温度 度 2 Bar 淡水进机压力 3 海水进空冷器温度 度 4 Bar 海水进空冷器压力 5 滑油进滤器温度 度 6 Bar 滑油进滤器压力 7 Bar 滑油进机压力 8 Bar 滑油进增压器压力 9 燃油进机温度 度 10 Bar 燃油进机压力 11 增压器空气温度 度 12 Bar 增压器空气压力 13 RMP 主机转速 14 RMP 增压器转速 15 Bar 启动空气压力 系统将以上 15 个参数从底层单片机中读取，并且完成显示储存等功能。根据设置要求，底层单片机需要对柴油机实施保护，对主机运行中关于柴油机安全的关键参数进行独立监控，并通过通讯传递给本系统。 监控系统传感器的输出信息可分为模拟量和数字量两种:模拟量指电子模拟信号，如电压或电流;数字量指电子数字信号即脉冲电信号，如柴油机转速、时间等。根据传感器的两种不同形式的输出信号，应该设置不同的信号输入通道，比如模拟量就增设 A/D 转换器。采集的参数中除了转速以外都是模拟量，在系统的设置中需要添加 A/D 转换电路。 五、与展望 近年来，我国船舶行业由造船业向船舶配套业倾斜，船舶主机远程监控技术越来越受到国家的重视。当前，网络化是船舶监控的发展方向，研究开发网络型船舶监控系统是我国实现海洋强国的必然要求。 根据船舶柴油机的工作原理，针对船舶主机远程监控系统的设计要求，提出了一种基于局域网的船舶监控系统结构模式，设计出一种网络型的船舶主机远程监控系统。系统设计中，采用 Visual C++6.0 作为软件开发平台，根据 MODBUS协议和 TCP/IP 协议，利用 RS-485 总线技术和以太网络技术，构建出以客户端计算机、工业控 制计算机、单片机为三级控制平台的结构网络体系，具有较好的工程 实用价值和广阔的应用前景。