基于云平臺(tái)的船舶低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)研究

謝鑫剛 梁靜坤 鐘鵬飛

（海南熱帶海洋學(xué)院海洋信息工程學(xué)院 海南省三亞市 572000）

2020年3月1日，中國(guó)船級(jí)社發(fā)布《智能船舶規(guī)范（2020）》，涉及實(shí)現(xiàn)沿?；蚪o人船舶的試驗(yàn)/試營(yíng)運(yùn)提供全面的技術(shù)研發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)航海設(shè)備的遠(yuǎn)程信息共享及優(yōu)化控制，適應(yīng)船舶智能化發(fā)展需要，以船舶低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一套基于云平臺(tái)的船舶低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)融合及遠(yuǎn)程控制等方面進(jìn)行了優(yōu)化，為船舶設(shè)備提供一種適合本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控的操作模式。為船級(jí)社提出的智能船舶能通過設(shè)備實(shí)現(xiàn)以遠(yuǎn)程故障診斷、數(shù)據(jù)挖掘等船岸信息交互提供實(shí)驗(yàn)支持。

1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

船舶電力推進(jìn)裝置一般由原動(dòng)機(jī)﹑發(fā)電機(jī)﹑電動(dòng)機(jī)﹑螺旋槳以及控制單元組成，升級(jí)后的遠(yuǎn)程系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)包括硬件單元和軟件單元，硬件單元由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)（本系統(tǒng)只涉及柴油機(jī)的部分參數(shù)采集），發(fā)電機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，推動(dòng)船舶航行。為了更好的模擬螺旋槳的工作狀態(tài)，系統(tǒng)加入了模擬負(fù)載部分。軟件部分包括HMI 的本地人機(jī)交互程序、云平臺(tái)監(jiān)控程序、PLC 采集控制程序。系統(tǒng)采用本地模式或遠(yuǎn)程模式切換運(yùn)行，對(duì)螺旋槳進(jìn)行的優(yōu)化控制，本地監(jiān)控模式采用觸摸屏組態(tài)控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控模式采用云平臺(tái)信息顯示及控制，實(shí)現(xiàn)了基于本地和云平臺(tái)的多模式監(jiān)控設(shè)計(jì)。

圖1 ：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)模擬器硬件設(shè)計(jì)中，選用西門子PLC S7-1200 系列，是一種含網(wǎng)絡(luò)通信功能及單屏或多屏HMI 交互的自動(dòng)化系統(tǒng)，易于設(shè)計(jì)和實(shí)施，系統(tǒng)自帶2x COM 接口，RS232 用于和觸摸屏通訊，進(jìn)行人機(jī)界面交互；一個(gè)RS485串口，連接無線透?jìng)髟O(shè)備PLCnet500，與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；工業(yè)以太網(wǎng)接口為2x 100Mbit/s Ethernet（RJ45）。網(wǎng)口用于與PC 機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)控制程序的參數(shù)修改，也可為后期功能擴(kuò)展提供本地開發(fā)平臺(tái)。

2.1 西門子PLCS7-1200及擴(kuò)展模塊

PLC 編程器及擴(kuò)展模塊為系統(tǒng)的控制和檢測(cè)核心器件，控制部分通過變頻器控制機(jī)組的啟動(dòng)、停止、調(diào)速；檢測(cè)部分負(fù)責(zé)采集和處理傳感器的信息。

2.2 模擬量傳感器

模擬實(shí)際船舶的機(jī)艙的部分監(jiān)控系統(tǒng)，通過PLC 模塊采集系統(tǒng)信息，同時(shí)PC 機(jī)和觸摸屏可以選擇性顯示模擬傳感器的量值，系統(tǒng)設(shè)有部分參數(shù)閾值，用于完成反饋和聲光報(bào)警功能。

2.3 變頻器模塊

系統(tǒng)采用西門子變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，變頻器的調(diào)速可以采用手動(dòng)調(diào)整鈕或船用車鐘調(diào)整；變頻器與PLC 通訊，采集推動(dòng)電機(jī)信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳的控制。

2.4 推進(jìn)模塊

系統(tǒng)采用西門子變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，變頻器的調(diào)速可以采用手動(dòng)調(diào)整鈕或船用車鐘調(diào)整；變頻器與PLC 通訊，采集推動(dòng)電機(jī)信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳的控制。

2.5 上云設(shè)備

數(shù)據(jù)上云設(shè)備是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的媒介，采用PLCnet500模塊，通過有線或無線方式實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備與云端服務(wù)器之間的信息交互，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及控制信息的傳送。

3 軟件部分

3.1 本地參數(shù)檢測(cè)和控制

本地參數(shù)的檢測(cè)主要包括通過模擬量傳感器采集柴油發(fā)電機(jī)、變頻器等幾個(gè)模塊的參數(shù)，如滑油壓力、冷卻水溫度、燃油進(jìn)機(jī)溫度，變頻器的功率、推進(jìn)電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，軟件控制流程如圖2 所示。

圖2 ：軟件控制流程

3.2 本地組態(tài)界面

采用昆侖MCGSE 組態(tài)軟件完成觸摸屏及PC 機(jī)的本地組態(tài)設(shè)計(jì)，觸摸屏用于系統(tǒng)參數(shù)顯示、設(shè)置及運(yùn)行模式的選擇，包括傳感器量程設(shè)置、傳感器閾值設(shè)置、傳感器的量值顯示、報(bào)警記錄等功能，PC 機(jī)界面功能較全，能夠進(jìn)行參數(shù)顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、PLC 程序的上載、下載、調(diào)試和仿真，組態(tài)主界面如圖3 所示。

圖3 ：組態(tài)主界面

系統(tǒng)根據(jù)螺旋槳水動(dòng)力性能原理，生成螺旋槳負(fù)載特性曲線和螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲線。在船舶正常航行時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩T 和推力F 與轉(zhuǎn)速n 之間關(guān)系如下：

式中，k為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；k為推力系數(shù)；D 為螺旋槳直徑；ρ 為水密度。

根據(jù)進(jìn)速比公式：

式中，v為螺旋槳進(jìn)速，當(dāng)船舶在靜水中穩(wěn)速航行，J=C 可得到自由航行特性曲線（C 為常量）；當(dāng)J=0 可得到系纜特性曲線；當(dāng)船速不變時(shí)，可得到螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性曲線，特性曲線均可在主界面的下級(jí)菜單進(jìn)行查詢和分析。

3.3 云監(jiān)控平臺(tái)

系統(tǒng)的工業(yè)云監(jiān)控平臺(tái)是一個(gè)可以一站式完成終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制、報(bào)警推送、分組管理、組態(tài)設(shè)計(jì)等功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 ：云連接方式

云平臺(tái)集合了虛擬資源管理、監(jiān)控、軟件調(diào)度及信息共享等強(qiáng)大功能，各功能之間通過統(tǒng)一的接口進(jìn)行消息傳送，按照物理資源層、虛擬邏輯層、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析處理層及最終數(shù)據(jù)展示層的5 個(gè)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成信息通信和管理功能，如圖5 所示。

圖5 ：云監(jiān)控平臺(tái)層次圖

本系統(tǒng)借助云平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合處理能力，將采集的數(shù)據(jù)直接上傳到云服務(wù)器完成數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)上云設(shè)備采用有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司PLCnet500 模塊，工業(yè)級(jí) PLC 聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，主要用于幫助 PLC 聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn) PLC 的遠(yuǎn)程組網(wǎng)。該設(shè)備具有主動(dòng)數(shù)據(jù)采集、邊緣采集的功能，并可免費(fèi)適配有人云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制PLC相關(guān)節(jié)點(diǎn)，其聯(lián)網(wǎng)方式有網(wǎng)線、Wi-Fi 和4G 模式三種，并可實(shí)現(xiàn)不同模式間無縫切換，保證設(shè)備不掉線，接口設(shè)計(jì)有以太網(wǎng)接口與串口，其中以太網(wǎng)接口可以下接交換機(jī)來連接多個(gè)PLC/HMI（Human Machine Interface）等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，功能強(qiáng)大。

試驗(yàn)中負(fù)責(zé)將系統(tǒng)采集的柴油發(fā)電機(jī)、變頻器、推進(jìn)電機(jī)的各種參數(shù)傳送到云平臺(tái)，云平臺(tái)通過數(shù)據(jù)融合處理，以數(shù)值或二維曲線的形式在智能大屏上顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、性能分析及報(bào)警功能。操作者可以根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，遠(yuǎn)程更新PLC 程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，特別是在動(dòng)態(tài)調(diào)速方面表現(xiàn)出良好的響應(yīng)特性。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，試驗(yàn)設(shè)置1 號(hào)場(chǎng)地為海南熱帶海洋學(xué)院船員培訓(xùn)中心（本地），2 號(hào)場(chǎng)地為三亞航空旅游學(xué)院船員培訓(xùn)中心（遠(yuǎn)程），實(shí)際物理設(shè)備放置于1 號(hào)場(chǎng)地，主要采集數(shù)據(jù)包括主機(jī)滑油溫度、主機(jī)淡水溫度、主機(jī)滑油壓力、柴發(fā)滑油壓力、柴發(fā)冷卻水溫、柴油進(jìn)機(jī)溫度等，盡可能多的采集低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)各參數(shù)，采集數(shù)據(jù)通過PLC串口與PLCnet500 模塊連接，同時(shí)PLCnet500 模塊連接1 號(hào)場(chǎng)地海南熱帶海洋學(xué)院船員培訓(xùn)中心（本地）網(wǎng)絡(luò)接口，通過PLCnet500 模塊采集設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)設(shè)置，完成系統(tǒng)采集與云端傳輸、云端顯示與PLC 控制。云平臺(tái)端數(shù)據(jù)采集如圖6 所示，同時(shí)2 號(hào)場(chǎng)地三亞航空旅游學(xué)院船員培訓(xùn)中心可通過網(wǎng)絡(luò)連接云平臺(tái)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、運(yùn)程PLC 控制等功能。通過測(cè)試，各類傳感參數(shù)可在1、2 號(hào)場(chǎng)地同時(shí)顯示采集結(jié)果與分析，實(shí)現(xiàn)了本地、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集及云服務(wù)器的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)可以完成PLC 程序遠(yuǎn)程下載、數(shù)據(jù)歷史查詢等功能。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和處理，通過云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)分析功能，操作者可以根據(jù)參數(shù)及時(shí)遠(yuǎn)程修改本地PLC 控制程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程優(yōu)化控制功能，在一定程度上解決了設(shè)備操作受地域限制的問題，實(shí)現(xiàn)了船舶低壓推進(jìn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程云端監(jiān)控功能。

圖6 ：云平臺(tái)數(shù)據(jù)采集顯示

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用PLC 的數(shù)據(jù)采集及控制功能，結(jié)合變頻器、推進(jìn)電機(jī)及螺旋槳模擬負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了船舶低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過云平臺(tái)，完成了船舶低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)可視化分析及優(yōu)化控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云平臺(tái)，傳輸過程中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析、診斷設(shè)備故障方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改并下載控制程序，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)，由于PLCnet500 模塊具有通過以太網(wǎng)接口連接交換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC/HMI 等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的同步接入，可同時(shí)通過多個(gè)賬號(hào)完成云平臺(tái)端數(shù)據(jù)采集、顯示與遠(yuǎn)程PLC控制，實(shí)現(xiàn)1 套設(shè)備本地化，多個(gè)遠(yuǎn)程平臺(tái)同時(shí)使用，簡(jiǎn)少重型設(shè)備成本，同時(shí)為沿?；蚪o人船舶的監(jiān)控提供一種參考模式。目前，在試驗(yàn)過程中由于存在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)切換等，使得遠(yuǎn)程控制功能稍有滯后，特別是變頻調(diào)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題是未來重點(diǎn)研究的內(nèi)容。