基于海事衛(wèi)星C站的船舶燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁富琳，陳遠(yuǎn)明，邱守強(qiáng)，王冬姣

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

燃油是船舶航行過(guò)程中的動(dòng)力來(lái)源，因此船舶動(dòng)力裝置的油耗是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，同時(shí)也是航運(yùn)企業(yè)最主要成本之一，所以，對(duì)船舶航行過(guò)程中油耗的監(jiān)測(cè)管理顯得十分重要。在燃油監(jiān)測(cè)和管理方面，雖然國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)正在逐步研發(fā)遠(yuǎn)程燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于通信技術(shù)，系統(tǒng)本身的復(fù)雜度等因素制約，造成目前尚沒(méi)有一套比較完善、成熟、低成本的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還沒(méi)有大面積推廣使用，尤其是中小規(guī)模船型。

本文將針對(duì)目前燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的制約因素提出一種超遠(yuǎn)程、可靠通信、成本較低的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

1 燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體分為三個(gè)部分組成：1）數(shù)據(jù)采樣；2）遠(yuǎn)程通信；3）終端軟件。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采樣

數(shù)據(jù)采樣是燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前級(jí)部分，是指對(duì)被監(jiān)測(cè)的物理量進(jìn)行采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，這里主要是指船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的燃油流量，可以通過(guò)流量傳感器來(lái)完成。流量傳感器是工業(yè)和生活中最常見(jiàn)的一種傳感器，分為測(cè)量氣體和液體兩大方面；按測(cè)量物理量可分為體積流量和質(zhì)量流量；按工作原理又可分為接觸式和非接觸式。

考慮到船舶機(jī)艙機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，為了便于安裝使用，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用基于超聲波的非接觸式流量傳感器，又稱(chēng)為超聲波流量傳感器。另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性將采用PLC作為數(shù)據(jù)采樣處理單元，因?yàn)镻LC在船舶惡劣的電氣環(huán)境中具有優(yōu)秀抗干擾能力及很高的穩(wěn)定性。

1.2 遠(yuǎn)程通信

遠(yuǎn)程通信部分在船舶燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是最為關(guān)鍵的部分，采集到的大量數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)竭h(yuǎn)程陸地上的船舶營(yíng)運(yùn)企業(yè)才有實(shí)質(zhì)性的意義，尤其是遠(yuǎn)洋船舶。因此，通信設(shè)備必須能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程距離傳輸，與陸地上的通信方式不一樣的是船舶航行到遠(yuǎn)海時(shí)并不能像陸地通信那樣能直接使用諸如GPRS基站、以太網(wǎng)等設(shè)備，因此，要實(shí)現(xiàn)船岸通信最終必須依靠衛(wèi)星信號(hào)。

船舶在建造時(shí)出于海上遇險(xiǎn)與安全通信考慮都會(huì)安裝海事衛(wèi)星接收終端Inmarsat-C系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)C站）與海事衛(wèi)星保持通信用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文、遇險(xiǎn)呼叫、數(shù)據(jù)報(bào)告等。因此可以利用C站完成燃油數(shù)據(jù)報(bào)的遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)可大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

1.3 終端處理軟件

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的終端軟件分為兩部分：1）船上原始數(shù)據(jù)記錄及發(fā)送軟件；2）岸上數(shù)據(jù)接收及管理軟件。

船上軟件主要是運(yùn)行在船上的PC機(jī)系統(tǒng)用于接收從PLC傳輸過(guò)來(lái)的原始燃油數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)記錄在本地硬盤(pán)中便于船舶航行結(jié)束后提取出來(lái)分析；同時(shí)將燃油數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)分組、打包等處理，然后傳輸?shù)紺站由其轉(zhuǎn)發(fā)到岸上接收系統(tǒng)。岸上數(shù)據(jù)接收及管理軟件則主要是用于接收船上傳輸過(guò)來(lái)的燃油數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行解析、繪制曲線，制作報(bào)表等。為了縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期、盡量減少代碼編寫(xiě)過(guò)程中出現(xiàn)的BUG，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

2 燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)

1）流量傳感器的安裝，為了便于安裝本系統(tǒng)采用外夾式超聲波流量傳感器，同時(shí)為了確保測(cè)量精度則選用流量計(jì)而非直接使用流量傳感器，這樣既可以減小自行計(jì)算的誤差，也降低對(duì)PLC處理單位元的要求，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，外夾式流量傳感器的安裝如圖2所示。

圖2 流量計(jì)安裝

根據(jù)流量計(jì)的工作原理可知，對(duì)于一個(gè)管段流量的測(cè)量必須使用兩個(gè)超聲波探頭才能完成，如圖2所示。因此，要完整測(cè)量一臺(tái)主機(jī)的油耗則需要在主機(jī)的進(jìn)油管和回油管上分別安裝一個(gè)流量計(jì)共4個(gè)超聲波探頭。假設(shè)進(jìn)油管處測(cè)量到的入口流量為L(zhǎng)1，經(jīng)主機(jī)燃燒后回路流量為L(zhǎng)2，那么主機(jī)的實(shí)時(shí)油耗為： 。

流量計(jì)往往已經(jīng)設(shè)計(jì)為智能儀表，因此只要根據(jù)實(shí)際管徑尺寸設(shè)定好流量計(jì)的參數(shù)即可直觀地在流量計(jì)上觀察到油管實(shí)時(shí)流量，同時(shí)，為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便，可以選用數(shù)字輸出的流量計(jì)，如通過(guò)RS485接口就能獲得流量計(jì)輸出的燃油流速、瞬時(shí)流量等數(shù)據(jù)。

2）PLC采樣處理單元設(shè)計(jì)，由于選用的流量計(jì)具有RS485接口輸出，那么對(duì)于多點(diǎn)測(cè)量則可以非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)，一臺(tái)主機(jī)油耗測(cè)量的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 燃油流量監(jiān)測(cè)流程

由圖3可見(jiàn)，在主機(jī)的燃油入口管上安裝一個(gè)流量計(jì)1，主機(jī)回油管上安裝一個(gè)流量計(jì)2，同時(shí)對(duì)入口流量、回油流量檢測(cè)，分別得到主機(jī)入口、回路的瞬時(shí)流量L1、L2并通過(guò)RS485總線輸出到PLC再統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及打包處理，然后通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸?shù)酱蠈?zhuān)用計(jì)算機(jī)。以此類(lèi)推，對(duì)于船上其他主機(jī)及發(fā)電機(jī)組的油耗監(jiān)測(cè)可使用同樣的安裝方法，最后所有流量計(jì)的數(shù)據(jù)全部通過(guò)RS485總線傳輸?shù)絇LC即可。為了降低對(duì)PLC性能的要求，PLC并不進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，只完成數(shù)據(jù)的打包及轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.2 通信系統(tǒng)

由于通信部分是船舶燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的部分，因此，只有很好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能才能使得整個(gè)燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)質(zhì)性意義。鑒于海上通信環(huán)境的特殊情況，為了能實(shí)現(xiàn)可靠的超遠(yuǎn)程通信，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用海事衛(wèi)星C站作為通信設(shè)備。

海事衛(wèi)星C站又稱(chēng)Inmarsat-C是用于接收國(guó)際海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)的終端設(shè)備。C站根據(jù)不同的生產(chǎn)廠家有很多不同的型號(hào)，價(jià)格也差別較大，其中相對(duì)便宜的是Mini-C，但搭載功能也相對(duì)簡(jiǎn)單。而普遍使用較多的可算為Felcom15，此款C站的功能較為完善，而且價(jià)格相對(duì)合理。

利用C站作為船舶燃油監(jiān)測(cè)的通信設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，使用方法也相對(duì)簡(jiǎn)單。由Felcom15的技術(shù)參數(shù)可知，該C站具有郵件收發(fā)功能，由于遠(yuǎn)程燃油監(jiān)測(cè)對(duì)油耗的實(shí)時(shí)性要求不高，而且出于節(jié)省C站服務(wù)費(fèi)用的考慮，使用郵件服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成本最低。Felcom15具有兩個(gè)以太網(wǎng)接口，那么可以使用其中一個(gè)以太網(wǎng)接口與船上專(zhuān)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，如圖4所示。

圖4 Inmarsat-C連接方式

根據(jù)Felcom15的使用手冊(cè)可知，只需將其IP地址設(shè)置為與計(jì)算機(jī)同一個(gè)IP段就可以完成正常的TCP/IP通信。最后，在使用C站郵件服務(wù)前需要向海事衛(wèi)星組織注冊(cè)一個(gè)郵件服務(wù)賬號(hào)作為轉(zhuǎn)發(fā)郵件使用（會(huì)按照流量收取服務(wù)費(fèi)）。

2.3 數(shù)據(jù)記錄軟件設(shè)計(jì)

1）船上數(shù)據(jù)記錄軟件

該軟件運(yùn)行于船上專(zhuān)用計(jì)算機(jī),其主要是完成對(duì)下位機(jī)PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)到本地硬盤(pán)、打包處理等，本文采用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了能提高通信可靠性、傳輸速度，計(jì)算機(jī)與PLC之間使用以太網(wǎng)接口，利用TCP/IP協(xié)議通信，計(jì)算機(jī)作為T(mén)CP服務(wù)器，PLC為T(mén)CP客戶端。利用LabVIEW進(jìn)行TCP通信程序設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)便，主要用到的子VI有：

（1）打開(kāi)TCP連接 (函數(shù))

圖5 打開(kāi)TCP連接 (函數(shù))

該VI的功能是建立由地址和遠(yuǎn)程端口或服務(wù)名稱(chēng)指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接。

地址：PLC的IP地址，需要與計(jì)算機(jī)配置的IP在同一個(gè)段內(nèi)。

遠(yuǎn)程端口：PLC上的TCP客戶端端口號(hào)。

只需指定以上兩個(gè)參數(shù)該VI就是自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)TCP連接。

（2）讀取TCP數(shù)據(jù) (函數(shù))

圖6 讀取TCP數(shù)據(jù) (函數(shù))

該VI是從TCP網(wǎng)絡(luò)連接讀取字節(jié)并通過(guò)數(shù)據(jù)輸出返回結(jié)果。

語(yǔ)文需要聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)。誦讀古詩(shī)詞可以讓我們的心靈得以安頓，情感變得豐富，精神變得高貴，從而激發(fā)對(duì)傳統(tǒng)文化的熱愛(ài)。老師都知道誦讀的重要性，老師要多多學(xué)習(xí)，努力搜集一些優(yōu)秀的誦讀視頻、音頻資料，讓學(xué)生多聽(tīng)聽(tīng)，模仿其形進(jìn)而體味其神。老師要掌握最基本的字音、節(jié)奏和基調(diào)，能夠聲情并茂地頌讀，并指導(dǎo)學(xué)生讀詩(shī)做到語(yǔ)調(diào)語(yǔ)速適當(dāng)，富有感情。要如余映潮所說(shuō)：“朗讀，品味感受的閱讀活動(dòng)；朗讀，充滿詩(shī)意的文學(xué)活動(dòng)；朗讀，豐富細(xì)膩的情感活動(dòng)，沒(méi)有朗讀的語(yǔ)文課只是課，他不是美的語(yǔ)文課。而只是讓學(xué)生讀而沒(méi)有朗讀指導(dǎo)的課，沒(méi)有力度，更沒(méi)有美感?！?/p>

模式：表明讀取操作的動(dòng)作分為Standard,Buffered, CRLF, Immediate.通常選擇Immediate模式，即在函數(shù)接收到讀取字節(jié)中所指定的字節(jié)前一直等待，以便按照用戶定義的格式讀取數(shù)據(jù)。

讀取的字節(jié)：每次讀取的字節(jié)數(shù)量。

（3）截取字符串 (函數(shù))。

圖7 截取字符串 (函數(shù))

因?yàn)閺腜LC傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包含若干個(gè)流量計(jì)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按照一定格式封裝的，所以需要利用截取字符串VI將不同的流量計(jì)數(shù)據(jù)分別截取出來(lái)。完成TCP通信的主要LabVIEW程序如圖5所示。

圖8 TCP應(yīng)用程序

由圖5可見(jiàn)，將截取字符串VI的輸出結(jié)果進(jìn)行字符串->數(shù)值轉(zhuǎn)換就可以獲得流量數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，編程非常簡(jiǎn)便。

2）流量數(shù)據(jù)處理。

圖9 流量數(shù)據(jù)處理

3）電子郵件發(fā)送。

利用LabVIEW進(jìn)行電子郵件發(fā)送程序設(shè)計(jì)也是相當(dāng)簡(jiǎn)便的，由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，以天為單位向遠(yuǎn)程回傳一次數(shù)據(jù)已經(jīng)有足夠的意義，同時(shí)也可以減少通信流量的服務(wù)費(fèi)用。LabVIEW發(fā)電子郵件主要用到的子VI有：

（1）SMTP服務(wù)器初始化VI

圖10 SMTP服務(wù)器初始化VI

（2）SMTP服務(wù)器登錄VI

圖11 SMTP服務(wù)器登錄VI

（3）SMTP命令VI

圖12 SMTP命令VI

（4）SMTP數(shù)據(jù)發(fā)送VI

圖13 SMTP數(shù)據(jù)發(fā)送VI

由于每小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，那么一天就有24組數(shù)據(jù)，為了減少郵件發(fā)送的流量，在發(fā)送前先將各組數(shù)據(jù)合并、轉(zhuǎn)為字符串等處理，以單封郵件形式發(fā)送到C站再轉(zhuǎn)發(fā)到陸地，該部分程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.4 終端數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)

圖14 電子郵件發(fā)送程序框圖

圖15 船用軟件面板

數(shù)據(jù)管理軟件是運(yùn)行于陸地計(jì)算機(jī)的終端軟件，主要是用于接收從船舶回傳的電子郵件，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，繪制曲線，打印報(bào)表，數(shù)據(jù)存盤(pán)等。軟件設(shè)計(jì)仍然是使用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，與船上數(shù)據(jù)記錄軟件對(duì)應(yīng)，接收郵件部分則使用LabVIEW電子郵件接收子VI。

1）連接POP郵件服務(wù)器VI

圖16 連接POP郵件服務(wù)器VI

Password：POP服務(wù)器登錄密碼(郵箱密碼)。Username：接收郵件的郵箱名稱(chēng)。

POP server name：POP服務(wù)器域名(如pop.xxx.com)。2）查詢郵件VI

圖17 查詢郵件VI

3）讀取郵件消息VI

圖18 讀取郵件消息VI

電子郵件接收LabVIEW程序如圖19所示。

圖19 電子郵件接收程序

4）數(shù)據(jù)處理及界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理主要是指繪制過(guò)去一天內(nèi)每個(gè)被測(cè)對(duì)象每小時(shí)的入口平均流量、回油平均流量、每小時(shí)耗油量曲線、一天總共耗油量等具有參考價(jià)值的燃油的數(shù)據(jù)處理。

由于回傳的郵件是過(guò)去一天內(nèi)每小時(shí)的燃油使用情況，所以需要進(jìn)一步進(jìn)行處理計(jì)算出每小時(shí)耗油量、一天總耗油量,并且制作報(bào)表、存盤(pán)等。根據(jù)燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求，最終提供給用戶的數(shù)據(jù)主要有每小時(shí)油管平均流量、每小時(shí)油耗、一天內(nèi)總油耗等。為了能盡量人性化設(shè)計(jì)軟件界面，根據(jù)各個(gè)數(shù)據(jù)意義的不同以曲線或者數(shù)值形式顯示，總體界面設(shè)計(jì)如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于部分遠(yuǎn)洋船舶上，經(jīng)實(shí)際的使用結(jié)果（如圖20所示）表明，充分利用船舶上現(xiàn)有的通信設(shè)備海事衛(wèi)星C站，并結(jié)合非接觸式流量計(jì)、PLC、LabVIEW圖形化編程進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有安裝調(diào)試方便、開(kāi)發(fā)周期短，軟件模塊封裝良好，界面友好，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)；而且總體成本相對(duì)較低，費(fèi)用主要用在傳感器選型上。系統(tǒng)不僅適合遠(yuǎn)洋船舶、而且適合近海及內(nèi)河船舶，為船舶營(yíng)運(yùn)企業(yè)提供了一種非常有效的船舶燃油管理方法。

圖20 數(shù)據(jù)管理軟件界面

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