船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計綜述

1、船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計綜述 1方案研究1.1.1網(wǎng)絡(luò)選型據(jù)不完全統(tǒng)計，用于現(xiàn)場智能設(shè)備互聯(lián)的總線網(wǎng)絡(luò)有40多種，但常用于艦船監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主要有CAN總線、485總線、Profibus總線和Profinet總線。CAN總線的數(shù)據(jù)通訊采用CAN協(xié)議，物理接口為CAN接口，具有突出的可靠性、實時性和靈敏性。但其不能直接與Internet互聯(lián)，假設(shè)要聯(lián)網(wǎng)，那么需要專用的接口卡和特定的網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)傳輸速率最低為1Mb/s時其傳輸間隔 約40m。485總線主要采用Modbus通訊協(xié)議，物理接口為RS-485串行接口，其特點是構(gòu)造簡單、本錢低廉，合適小型監(jiān)控系統(tǒng)，它允許的最大速率為10Mb/s傳輸間隔 15m

2、。Profibus總線速度較快最大12Mb/s，組態(tài)配置靈敏，可以實現(xiàn)總線供電。但Profibus的參數(shù)不容易設(shè)定，在網(wǎng)絡(luò)增加、刪除節(jié)點時需要進(jìn)展邏輯環(huán)重構(gòu)。Profinet總線是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信解決方案。一種總線多種協(xié)議并存，硬件實時通訊局部S7通訊協(xié)議和軟件實時通訊局部標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議經(jīng)過優(yōu)化后可以同時在一條總線上運行，這樣既保證了通訊的可靠性，同時也滿足了通訊的快速性，其節(jié)點的擴(kuò)、減均非常方便，具有很大的靈敏性。Profinet是基于ASIC專用芯片的硬件實時通訊的現(xiàn)場總線，由于其通訊速率達(dá)100Mb/s，在寬帶范圍內(nèi)，Profinet的通訊性能甚至要優(yōu)于ProfibusDP

3、，而其可靠性那么要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通工業(yè)以太網(wǎng)，是將來監(jiān)控系統(tǒng)開展的方向。根據(jù)上述分析、比照，結(jié)合大型船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)測控點多且分散的特點，確定選用Profinet總線做為其現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。1.1.2通訊網(wǎng)絡(luò)的原理1系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流向。監(jiān)控裝置主要由機(jī)電集控室2臺中央控制站微機(jī)、1臺數(shù)據(jù)處理微機(jī)、6臺分站和遠(yuǎn)程I/O處理模塊等組成。數(shù)據(jù)流向圖1如下：1各分站采集各自所屬的遠(yuǎn)程I/O信號，處理后將信息分別發(fā)送到3臺監(jiān)控微機(jī)。2各監(jiān)控微機(jī)分別向各分站發(fā)送控制指令。3各監(jiān)控微機(jī)之間互相交換部位切換和受權(quán)等信息。2數(shù)據(jù)流量及帶寬要求。1測點統(tǒng)計：總點數(shù)約為1000點。2帶寬需求計算。分站與監(jiān)控微機(jī)之間的通訊協(xié)

4、議為基于TCP/IP的S7協(xié)議，可初步估算傳送幀所需的字節(jié)數(shù)：根據(jù)各個分站的測點統(tǒng)計，一個分站與一臺監(jiān)控微機(jī)之間傳送的信息量平均為200點參數(shù)含監(jiān)測、控制和報警信息；根據(jù)基于TCP/IP的S7協(xié)議規(guī)定，1次需傳送完200點參數(shù)信息，因此，傳送幀的帶寬約為2kb。為滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)12s內(nèi)刷新一次的要求，6個分站應(yīng)在500ms內(nèi)完成1次與1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送；又由于基于TCP/IP的S7協(xié)議中參加了令牌機(jī)制，所有分站不能同時傳送數(shù)據(jù)，因此6個分站只能依次獲取令牌與1臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送；所以，假設(shè)要滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)刷新的實時性要求，1個分站應(yīng)在1/12s內(nèi)完成1次與1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)

5、傳送，交換頻率為每秒12次。基于TCP/IP的S7協(xié)議是面向連接的connection-oriented，即分站要分別與2臺機(jī)電集控室燃油輸送監(jiān)控微機(jī)和1臺數(shù)據(jù)處理微機(jī)共建立3個連接，同樣的數(shù)據(jù)幀要求每臺監(jiān)控微機(jī)傳送1次，共計3次。集控室燃油監(jiān)控微機(jī)與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)交互的信息為檢測信息190點，報警信息30點，傳送幀的帶寬約為3kb。為滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)12s內(nèi)刷新一次的要求，燃油監(jiān)控微機(jī)應(yīng)在500ms內(nèi)完成1次與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)1臺監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。因此，要滿足監(jiān)控微機(jī)界面數(shù)據(jù)刷新的實時性要求，監(jiān)控微機(jī)就應(yīng)在1/2s內(nèi)完成1次與1臺平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)監(jiān)控微機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，交換頻率為每

6、秒2次。由于是與平臺主干網(wǎng)管理系統(tǒng)1臺監(jiān)控微機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送，因此連接數(shù)為1。燃油輸送移注監(jiān)控裝置采用網(wǎng)絡(luò)化、模塊化構(gòu)造設(shè)計。結(jié)合平臺主干網(wǎng)強(qiáng)大的通訊保障才能，以及成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，將傳感器、控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場采集處理模塊、監(jiān)控分站和各級監(jiān)控主站等設(shè)備集成為一個合適燃油輸送系統(tǒng)的扁平化3級架構(gòu)的監(jiān)控裝置。根本原理如圖2所示。1.3.1連續(xù)液位傳感器傳感器的選型要滿足環(huán)境條件的需求，包括溫度、大氣壓力、振動、電磁干擾、灰塵、雨水和煙霧等，而船用傳感器那么首先應(yīng)滿足船舶環(huán)境要求：高溫、高濕有凝露、煙霧、霉菌，以及傾斜搖擺。1.3.2點式液位傳感器針對油料特性，點式液位傳感器選取了音叉式液位開關(guān)。振

7、動元件音叉通過壓電供能，壓電陶瓷的驅(qū)動下以1200Hz的機(jī)械諧振頻率振動。壓電陶瓷因受到機(jī)械固定，不易受溫度驟變的影響。一旦振動元件接觸到被測介質(zhì)，振動頻率就會改變，然后應(yīng)用一體式電子部件檢測該振動頻率的變化，并轉(zhuǎn)換成開關(guān)命令。1.3.3溫度傳感器油艙及管路溫度傳感器使用傳統(tǒng)熱電阻式傳感器配以溫變模塊，選型中，需根據(jù)油艙高度及傳感器安裝位置選擇溫度傳感器的桿長。電氣接口為二線制，24VDC輸入，輸出420mA電流信號。1.4.1數(shù)據(jù)采集處理模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊的功能：1采集油艙和泵組的信息包括液位、溫度、泵組、閥門監(jiān)控等；2通過Profinet現(xiàn)場總線，將信息發(fā)送到對應(yīng)的監(jiān)控分站；3按監(jiān)控分站

8、指令信息，控制驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行單元泵、閥。數(shù)據(jù)采集處理模塊原理：利用系統(tǒng)現(xiàn)場分布式I/O，進(jìn)展A/D和D/A轉(zhuǎn)換，把指令數(shù)據(jù)通訊信號轉(zhuǎn)為電壓、電流驅(qū)動信號，控制對應(yīng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)泵、閥，采集處理液位、油溫、閥位等信號，并發(fā)送到監(jiān)控分站。1.4.2監(jiān)控分站燃油輸送監(jiān)控分站的功能：1搜集所屬分區(qū)內(nèi)所有現(xiàn)場采集單元的監(jiān)控信息。2通過平臺主干網(wǎng)，傳送監(jiān)控信息到各監(jiān)控主站。3根據(jù)中央控制臺發(fā)送到分站的控制指令，對相對應(yīng)的泵和閥進(jìn)展開關(guān)控制。4向數(shù)據(jù)采集處理模塊提供24VDC電源。5分站數(shù)據(jù)采集濾波功能：每個循環(huán)分站對遠(yuǎn)程I/O端口進(jìn)展一次掃描，并進(jìn)展濾波。6分站報警處理功能：對每次處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)展報警設(shè)置，并

9、把處理結(jié)果發(fā)給中央監(jiān)控臺進(jìn)展報警顯示。燃油輸送監(jiān)控分站工作原理：利用分站的PLC主機(jī)和網(wǎng)卡向上接入全艦平臺主干網(wǎng)和控制主站進(jìn)展數(shù)據(jù)通訊，向下接Profinet現(xiàn)場總線和分區(qū)內(nèi)的各個數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)展數(shù)據(jù)通訊，對上位的控制指令和下位的監(jiān)測信息進(jìn)展上傳下達(dá)。1.4.3監(jiān)控主站1監(jiān)測原理及功能。監(jiān)控主站實時監(jiān)測燃油液位、溫度、液位上下位及燃油輸送泵運行狀態(tài)等參數(shù)，現(xiàn)場信號經(jīng)采集變換后，通過Profinet總線傳輸至分站，分站與上層加固微機(jī)通過建立在平臺主干網(wǎng)上的虛擬以太網(wǎng)進(jìn)展數(shù)據(jù)交換。在中央監(jiān)控臺上主要實現(xiàn)如下監(jiān)測功能：1參數(shù)顯示功能：對所有監(jiān)測的參數(shù)進(jìn)展實時顯示。2報警功能：對各超限參數(shù)可進(jìn)展實

10、時聲光報警。3數(shù)據(jù)共享功能：通過OPC效勞器向管理部門提供油艙的液位和油量等數(shù)據(jù)。2控制原理及功能?？刂频闹饕頌椋涸谶b控狀態(tài)下監(jiān)控主站程序，檢查、檢驗油艙聯(lián)鎖條件，控制燃油泵的遙控啟/停，以及燃油艙和輸送管路的液動蝶閥開關(guān)，將燃油輸送泵、閥的控制等指令傳送到監(jiān)測分站，然后由監(jiān)測分站通過Profinet總線傳送到相關(guān)閥件和燃油輸送泵的控制箱，最后由燃油輸送泵控制箱實現(xiàn)泵的遙控。軟件的編制采用WindowsXP環(huán)境下的LabVIEW編程11，通過數(shù)據(jù)采集、人機(jī)對話、參數(shù)顯示、報警記錄和圖形顯示等來實現(xiàn)對燃油系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的記錄和監(jiān)測，并對一些泵和閥進(jìn)展控制。4所示，數(shù)據(jù)采集處理模塊程序框圖如圖5

11、所示。2測試與交驗2.1聯(lián)調(diào)測試試驗?zāi)康模簷z查裝置內(nèi)、外部接口的正確性和協(xié)調(diào)性；檢查裝置功能的正確性和完好性。主要進(jìn)展了如下測試：1系統(tǒng)監(jiān)測控制功能調(diào)試；2系統(tǒng)與傳感器的匹配調(diào)試；3模擬實船布置的系統(tǒng)功能測試等。其中，模擬實船布置是指將監(jiān)控分站與監(jiān)測模塊之間的供電和通訊電纜的間隔 按照實船最大的供電和通訊電纜長度進(jìn)展敷設(shè)測試。在模擬實船布置的系統(tǒng)功能測試中，出現(xiàn)了當(dāng)布置在監(jiān)控分站以下的數(shù)據(jù)采集處理模塊超過4級時其配置的液位傳感器不能正常啟動的故障。原因分析：監(jiān)控分站以下數(shù)據(jù)采集處理模塊的供電及通訊電纜的連接方式為串式拓?fù)?，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計供電形式為長間隔 直流供電，為保證數(shù)據(jù)采集處理模塊的電壓處于

12、規(guī)定范圍內(nèi)，每個模塊內(nèi)部均設(shè)置了開關(guān)電源模塊用以升壓穩(wěn)壓。模塊使用的電源為監(jiān)控分站內(nèi)從西門子SITOP電源AC380V轉(zhuǎn)換來的DC24V。由于同一條線纜上的開關(guān)電源模塊數(shù)量過多，放大了DC24V上的7次諧波12-14，而西門子SITOP電源抑制諧波才能有限，串接至5級時在末端造成直流供電DC24V出現(xiàn)了約2V的紋波；另高精度的導(dǎo)波液位傳感器對紋波敏感，超過1V即無法開機(jī)。查找到原因后，修改了設(shè)計，從監(jiān)控分站中引出多路供電電源，確保每條直流供電線供電的數(shù)據(jù)處理模塊不超過2個。經(jīng)測試，在2級時，紋波降低至0.3V，液位傳感器能正常使用。通過陸上聯(lián)調(diào)試驗，解決了裝船設(shè)計問題。主要進(jìn)展傳感器測試、單機(jī)恢復(fù)試驗、聯(lián)調(diào)試驗和功能效用試驗等。試驗方法有模擬法或效用法。連續(xù)液位傳感器的調(diào)試需要借助測深尺進(jìn)展零位校核。測量精度檢查，是采用注入或抽出相應(yīng)液體的方法增加或減少艙容，每個液艙抽驗不少于3點低位、中位、高位，用經(jīng)檢驗合格的測深尺將測得的讀數(shù)與液位測量裝置測量的讀數(shù)進(jìn)展比擬，判斷其誤差大小，然后進(jìn)展相應(yīng)的處理。對于泵和閥的遙控，先進(jìn)展空載試驗，成功后再進(jìn)展負(fù)荷試驗。所有單機(jī)檢測完成后，進(jìn)展聯(lián)調(diào)試驗和功能效用試驗，重點檢查測試監(jiān)控