基于SCADA的船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王 勇，陳庭勛，童佳俊，季小剛

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

基于SCADA的船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王 勇，陳庭勛，童佳俊，季小剛

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是一種保證船舶供電安全和穩(wěn)定的重要控制系統(tǒng)。論文設(shè)計(jì)的是結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)并且基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SACDA）的船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶電站全天候、精準(zhǔn)的監(jiān)控，該系統(tǒng)還具有故障報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等功能。

船舶電站；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；SCADA

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)、控制技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)與船舶電站聯(lián)系的更加緊密，在這種背景下，船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展迅速。而目前 SCADA系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)，尤其在船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用還不夠廣泛，我國(guó)的高校、科研院所對(duì) SCADA系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，導(dǎo)致 SCADA系統(tǒng)的技術(shù)在船舶應(yīng)用上很少，應(yīng)用與開(kāi)發(fā)的技術(shù)并不成熟，在認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)上相對(duì)薄弱，在這方面的研究和實(shí)踐還需要不斷努力。本文基于 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）設(shè)計(jì)了一種船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 SCADA概述

SCADA[1]系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，通常與控制設(shè)備PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器）組合使用，也可以接智能表、板卡等來(lái)使用。SCADA系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，早期通常運(yùn)行在DOS、UNIX、VMS系統(tǒng)中，現(xiàn)在多數(shù)運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)中，只有少部分是運(yùn)行在 Linux系統(tǒng)中。SCADA系統(tǒng)功能強(qiáng)大，它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制及各類信號(hào)報(bào)警等。目前，很多行業(yè)都采用了 SCADA系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，比如電力、食品、科研、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，尤其在電力行業(yè)，SCADA系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用最為成熟、廣泛。當(dāng)前對(duì)船舶電站監(jiān)控的要求是可靠性高、安全性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好，同時(shí)還要符合自動(dòng)化與現(xiàn)代化要求，針對(duì)這些要求，SCADA系統(tǒng)對(duì)有著不可代替的作用。

2 船舶電站的組成

船舶電站系統(tǒng)包括電源裝置、配電裝置、電網(wǎng)和負(fù)載四部分[2]。

1）電源裝置。電源裝置是一種提供電能的裝置，柴油機(jī)組和蓄電池組是船舶上比較常用的兩種電源裝置[3]。

2）配電裝置。配電裝置是對(duì)電源和負(fù)荷進(jìn)行計(jì)量和控制的裝置，通常配電裝置設(shè)在發(fā)電廠或者變配電所處[3]。

3）電網(wǎng)。電網(wǎng)是全船電纜電線的總稱，其作用是輸送電能、分配電能[3]。

4）負(fù)載。負(fù)載主要包括船舶上的各種機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、廚房用電設(shè)備以及其他用電設(shè)備[3]。

3 船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

可編程控制器（PLC）是一種先進(jìn)的控制設(shè)備，具有功能強(qiáng)、可靠性高、易操作等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。論文船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中采用的是服務(wù)器與工作站的形式。

工作站中采用的是某公司的AIMC-2100-00A1E工控機(jī)，如圖1所示，每個(gè)工作站都有一個(gè)唯一的IP地址，除了工控機(jī)之外，還包括服務(wù)器、GPS、交換機(jī)、打印機(jī)，服務(wù)器使用的是戴爾Power Edge系列。

圖1 系統(tǒng)診斷圖

控制設(shè)備采用某公司的AC500PLC[4]，在硬件設(shè)備連接方式上 SCADA系統(tǒng)一般采用的是點(diǎn)到點(diǎn)方式連接到服務(wù)器上，或者采用總線方式。點(diǎn)到點(diǎn)方式的連接是通過(guò)串口（RS232）連接到服務(wù)器上，總線方式是通過(guò)RS485或以太網(wǎng)等方式連接到服務(wù)器上，最終實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、控制器還有其他設(shè)備的連接。典型的硬件配置如圖2所示。

船舶電站中用來(lái)閉合或開(kāi)斷電路的設(shè)備，一般工作在電壓等級(jí)比較高的環(huán)境下，為保護(hù)船舶電站的正常工作，則需要電力開(kāi)關(guān)作保護(hù)。此系統(tǒng)需要用到的電力開(kāi)關(guān)包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)以及接地開(kāi)關(guān)。斷路器[5]在電力系統(tǒng)中常常被用到，它是一種隔離高電壓大電流短路保護(hù)的開(kāi)關(guān)。隔離開(kāi)關(guān)是用來(lái)隔離帶電裝置或電源的一種開(kāi)關(guān)電器，通常與斷路器配合使用，在實(shí)際操作時(shí)它必須要先于斷路器合閘，后于斷路器分閘。接地開(kāi)關(guān)也是一種重要的保護(hù)裝置，它的作用是承載非正常條件下的電流，例如，短路電流。但是在電路正常工作的情況下不需要承載。上述提到的電力開(kāi)關(guān)器件如圖 3所示，這三種設(shè)備是起到保護(hù)所在回路正常使用及安全的作用。

圖2 SCADA系統(tǒng)典型的硬件配置

以備用發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面為例，當(dāng)船舶電站向電氣設(shè)備供電時(shí)，B1盤(pán)和B4盤(pán)上的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及接地開(kāi)關(guān)會(huì)相繼開(kāi)通，為電氣設(shè)備供電。每個(gè)盤(pán)上都有電表和檢測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。在各個(gè)監(jiān)控界面上可對(duì)船舶電站上相應(yīng)的硬件設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)的觀察硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行不正常，可以很清晰的在監(jiān)控界面上看到故障的位置及報(bào)警的信息。當(dāng)設(shè)備重新正常穩(wěn)定的工作，監(jiān)控界面將會(huì)正常顯示。

圖3 備用發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面

4 船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1）圖形界面工具

監(jiān)控界面軟件采用 SCADA設(shè)計(jì)。在工具箱里運(yùn)行畫(huà)面編輯器對(duì)界面進(jìn)行編輯，圖形界面中每個(gè)對(duì)象作為獨(dú)立的單元，都有各自的狀態(tài)，可以通過(guò)對(duì)象的屬性進(jìn)行設(shè)置。根據(jù) SCADA系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的具體功能，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)診斷圖、一號(hào)和二號(hào)發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面、開(kāi)關(guān)跳脫記錄、報(bào)表、趨勢(shì)圖和溫度監(jiān)控的功能。例如，用畫(huà)面編輯器對(duì)一號(hào)發(fā)電機(jī)和二號(hào)發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行編輯，所得的圖形如圖4所示。界面的最下面是系統(tǒng)的各個(gè)不同監(jiān)控界面，點(diǎn)擊即可進(jìn)入相應(yīng)的界面。從圖中可以看到電氣設(shè)備的電流和功率參數(shù)，點(diǎn)擊進(jìn)入即可查看更詳細(xì)的數(shù)據(jù)?？紤]到船舶航行的復(fù)雜性，當(dāng)一號(hào)和二號(hào)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將調(diào)用備用發(fā)電機(jī)，備用發(fā)電機(jī)的監(jiān)控界面圖如圖 3所示。其功能與兩臺(tái)常用發(fā)電機(jī)一樣，供電以帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)、照明設(shè)備和其他用電設(shè)備，多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。

圖4 一號(hào)和二號(hào)發(fā)電機(jī)監(jiān)控界面

2）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[6]包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

SCADA系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)不受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制約，它能夠記錄實(shí)時(shí)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將過(guò)程存檔，并能夠查詢歷史數(shù)據(jù)，還能夠?qū)Ξa(chǎn)生的事故進(jìn)行分析等。SCADA系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)工作原理是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容以某種方式轉(zhuǎn)成歷史記錄，在查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)則需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)處理獲得，例如此設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)跳脫記錄、報(bào)表、趨勢(shì)圖和溫度監(jiān)視四個(gè)子界面中的數(shù)據(jù)信息。

3）事件及報(bào)警

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)對(duì)各盤(pán)的溫度進(jìn)行了監(jiān)控，當(dāng)電氣設(shè)備的溫度過(guò)高時(shí)將會(huì)報(bào)警。報(bào)警模塊能夠提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的報(bào)警信息提示操作人員，報(bào)警模塊從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，將處理的結(jié)果以事件方式寫(xiě)入歷史報(bào)警記錄。例如溫度監(jiān)視界面如圖5所示。

圖5 溫度監(jiān)視圖

事件處理功能可以記錄系統(tǒng)中各種狀態(tài)的變化和其他活動(dòng)情況，例如用戶登陸、注銷、站點(diǎn)啟動(dòng)、參數(shù)修改等。

監(jiān)控界面包括 9個(gè)子界面，分別是系統(tǒng)診斷圖、一號(hào)發(fā)電機(jī)、二號(hào)發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)跳脫記錄、報(bào)表、趨勢(shì)圖和溫度監(jiān)視。點(diǎn)擊按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)的界面，當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)跳脫記錄按鈕，即可查看相應(yīng)的開(kāi)關(guān)通斷情況。開(kāi)關(guān)跳脫記錄界面如圖6所示。

圖6 開(kāi)關(guān)跳脫記錄

5 總結(jié)

論文對(duì) SCADA系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括SCADA系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用背景、概述、船舶電站結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控界面，整個(gè)界面由系統(tǒng)診斷圖、一號(hào)發(fā)電機(jī)、二號(hào)發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)跳脫記錄、報(bào)表、趨勢(shì)圖和溫度監(jiān)視組成。SCADA系統(tǒng)在電站監(jiān)控中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其數(shù)據(jù)采集范圍的距離很遠(yuǎn)；數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)數(shù)量多；實(shí)時(shí)性高；硬件介質(zhì)兼容能力強(qiáng)；現(xiàn)場(chǎng)模塊（RTU）靈活，且適用于惡劣環(huán)境。綜合考慮多方面的因素，論文設(shè)計(jì)的SCADA系統(tǒng)對(duì)船舶電站供電的安全性、可靠性及穩(wěn)定性具有很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

[1] 顏志斌. 基于 SCADA的宿遷中油運(yùn)河油庫(kù)罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 四川: 電子科技大學(xué), 2011.

[2] 羅文鋒. 基于LabVIEW與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2009.

[3] 劉國(guó)平. 船舶電氣與通信[M]. 北京: 海洋出版社,2010.

[4] 袁任光. 可編程控制器選用手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械出版社, 2002.

[5] 電力開(kāi)關(guān)的職能和分類[OL]. 成套電氣論壇,www.59ct.cn, 2013.

[6] 宋新航. SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

Design of the Remote Monitoring of Marine Power Station Based on SCADA

WANG Yong, CHEN Ting-xun, TONG Jia-jun, JI Xiao-gang
(Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhejiang Zhoushan 316000,China)

The remote monitoring system of marine power station is an important system that it is to keep the security and stability. The thesis has designed a marine power automation system based on supervisory control and data acquisition (SCADA) that combining Ethernet network-communication.Using advanced science technology, the system is not only to monitor and control the work of marine power station on real-time and accurately, but also to have such functions as fault alarm, data acquisition, device control and so on.

marine power station; remote monitoring system; SCADA

U665.12

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.022

王勇（1990-），男，碩士研究生在讀，從事船舶電氣與自動(dòng)化研究。