基于北斗的船舶設(shè)備數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 海，楊 超

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基于北斗的船舶設(shè)備數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 海，楊 超

（渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧葫蘆島 125000）

在造船領(lǐng)域，航運(yùn)公司需要能夠?qū)崿F(xiàn)船岸一體化的船舶來滿足船東需求。本文基于衛(wèi)星通訊技術(shù)研究了能夠?qū)Υ霸O(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和管理的系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了需要采集的船舶數(shù)據(jù)對象，并設(shè)計(jì)了硬軟件采集方案和網(wǎng)絡(luò)通訊方案，有利于實(shí)現(xiàn)對于船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)管，推進(jìn)航運(yùn)公司的現(xiàn)代化高技術(shù)管理，促進(jìn)船岸一體化的發(fā)展。本文對船舶智能化的研究具有指導(dǎo)意義。

衛(wèi)星通訊 船舶參數(shù) 數(shù)據(jù)采集 網(wǎng)絡(luò)通訊

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，我們克服了遠(yuǎn)距離傳輸信息的困難，能夠迅速傳輸大量數(shù)據(jù)信號，實(shí)現(xiàn)無縫對接，它是建立全球通信必不可少的手段。衛(wèi)星通信技術(shù)讓遠(yuǎn)距離傳輸船舶設(shè)備數(shù)據(jù)從理論變成了可能，然而由于船舶上設(shè)備繁雜，參數(shù)眾多，通訊接口種類較多且不統(tǒng)一，對與數(shù)據(jù)的收集和傳輸產(chǎn)生了不小的困難。本文通過研究通用的數(shù)據(jù)采集管理技術(shù)來解決以上問題，實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)捻槙?，提升船岸一體化的通信水平。

1 數(shù)據(jù)采集對象

根據(jù)實(shí)際情況，數(shù)據(jù)采集對象面向整個(gè)船舶，包括船舶的外部靜態(tài)動(dòng)態(tài)信息（如船長、船寬、吃水、航向、航速等）和內(nèi)部設(shè)備信息（如主機(jī)、發(fā)電機(jī)、電站、鍋爐等設(shè)備相關(guān)參數(shù)）。表1列出的為需要采集的數(shù)據(jù)對象。

2 數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用西門子公司的S7-200系列的PLC。PLC能夠完成數(shù)/模（D/A）、模/數(shù)（A/D）、數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、通信聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能[1]。從船舶設(shè)備處傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)過開關(guān)量輸入（D/I）、開關(guān)量輸出（D/O）、模擬量輸入（A/I）、模擬量輸出（A/O）四個(gè)模塊后進(jìn)入PLC。

機(jī)艙設(shè)備采集層使用現(xiàn)場總線，現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是一種開放式的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)管理層采用Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PLC主控模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信，將機(jī)艙信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器[2]。采集來的數(shù)據(jù)通過羅經(jīng)甲板上的衛(wèi)通設(shè)備利用衛(wèi)星把信息傳到岸上接收站，完成船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的采集管理及傳輸過程，也可存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

表1 數(shù)據(jù)采集對象

3 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊方案

本文研究的數(shù)據(jù)傳輸為基于衛(wèi)星通信的通訊方案?？紤]到所涉及船舶的運(yùn)營范圍、衛(wèi)星通訊信號覆蓋地區(qū)、傳輸信號準(zhǔn)確性、使用便捷性以及通訊成本等因素，決定使用國產(chǎn)北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)完成通訊方案設(shè)計(jì)。

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為用戶提供高精度高可靠性的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)；具有雙向短報(bào)文通信能力，能夠一次傳遞40~60字的短報(bào)文。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度為水平10米，高程10米；測速精度0.2米/秒；授時(shí)精度20納秒。其中亞太地區(qū)定位精度為水平5米，高程5米。

3.2 北斗衛(wèi)星通訊關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 數(shù)據(jù)壓縮

由于衛(wèi)星通信存在傳輸延時(shí)大的缺點(diǎn), 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，可以采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來降低延時(shí)。

北斗接收數(shù)據(jù)壓縮軟件有三個(gè)組成部分：實(shí)時(shí)壓縮軟件、檢查壓縮軟件和手工壓縮軟件，見圖1。實(shí)時(shí)壓縮軟件和數(shù)據(jù)接收軟件集成在一起，將當(dāng)前最新接收完生成的數(shù)據(jù)文件及時(shí)進(jìn)行壓縮。檢查壓縮軟件檢查數(shù)據(jù)接收目錄，壓縮未壓縮的數(shù)據(jù)。手工壓縮軟件直接選擇指定目錄，對目錄中的數(shù)據(jù)壓縮。

圖1 北斗數(shù)據(jù)壓縮軟件組成圖

3.2.2斷點(diǎn)續(xù)傳

斷點(diǎn)續(xù)傳指的是在下載或上傳時(shí)，將下載或上傳任務(wù)人為的劃分為幾個(gè)部分，每一個(gè)部分采用一個(gè)線程上傳或下載。如遇信號中斷，則在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后在斷點(diǎn)處繼續(xù)上傳下載未完成部分

3.2.3糾錯(cuò)編碼技術(shù)

循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼CRC屬于現(xiàn)行糾錯(cuò)碼。其算法基本思想是對信息做一個(gè)多項(xiàng)式除法運(yùn)算，得到校驗(yàn)位，并將其加在原信息數(shù)據(jù)后面，在信息接收端對所收到的數(shù)據(jù)做同樣的計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果不匹配則進(jìn)行一系列的糾錯(cuò)或者其他能消除錯(cuò)誤的措施[3]。

3.3.4 擴(kuò)頻通信技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)能夠克服衛(wèi)星通信信道開放性帶來的隱蔽性差、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)。擴(kuò)頻主要有直接序列擴(kuò)頻、跳變頻率、跳變時(shí)間和線性調(diào)頻等4種基本工作方式。

3.3 北斗衛(wèi)星通訊

在微波通信和航天技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興無線通信技術(shù)。

4 數(shù)據(jù)采集和通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 CAN總線

這是一種用來傳輸電子數(shù)據(jù)的串行總線。

CAN總線傳輸速率提高。對于標(biāo)準(zhǔn)幀，除去仲裁域、控制域等，一幀數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)挠行粩?shù)僅為64位，CAN總線最大傳輸速率只有l(wèi)Mbps。在傳輸速率一定的情況下可以通過兩種方法提高總線利用率，增加數(shù)據(jù)傳輸量：一種就是制定合理的應(yīng)用層協(xié)議；另一種是增加消息對象數(shù)量。

最小二乘法修正補(bǔ)償采集誤差。對于采編變換器，由于各路信號的處理方式一致，共同通過同一分壓網(wǎng)絡(luò)，因此誤差形式一致，可以通過最小二乘法來修正誤差。使用最小二乘法對采集結(jié)果進(jìn)行修正前首先要確保被采信號準(zhǔn)確穩(wěn)定。

通過Origin軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘線性擬合，將擬合結(jié)果輸入到上位機(jī)軟件，經(jīng)過修正后的結(jié)果與實(shí)際值偏差明顯減小，從而達(dá)到誤差修正和精度補(bǔ)償?shù)男Ч鸞4]。

4.2 Anybus 網(wǎng)關(guān)

Anybus是允許工業(yè)設(shè)備通過有線或者無線的方式和任意現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換的模塊，即網(wǎng)關(guān)。

4.3 串口通信

常見的串口通信有三種：RS-232，RS-485，RS-422。我們以RS-485為例介紹。

RS485通信協(xié)議是半雙工異步通信協(xié)議，在某一個(gè)時(shí)刻，一個(gè)設(shè)備只能進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。主要的通信參數(shù)有以下幾個(gè)：波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位和數(shù)據(jù)位長度。接口協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485串口通信協(xié)議，參數(shù)定義如下：波特率：9600bps；起始位：1位；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位；無奇異校驗(yàn)位。

程序運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 RS485采集模塊程序運(yùn)行流程圖

需要在硬件初始化時(shí)配置使用USART端口的流控制功能。在空閑狀態(tài)下，RS485接口處于接收狀態(tài)，有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，RS485再切換到發(fā)送狀態(tài)。

4.4 Modbus通訊協(xié)議

通訊協(xié)議有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議格式，如Modbus協(xié)議。通用Modbus接口為RS-232C兼容串行接口，同樣也可兼容RS-485接口，其對連接器的信號位、引腳、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)以及電纜做出了有效的定義。控制器不僅能夠直接地組網(wǎng)，也能間接地利用調(diào)制解調(diào)器完成組網(wǎng)[5]。

Modbus協(xié)議詳細(xì)定義了數(shù)據(jù)幀格式，是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。Modbus協(xié)議只允許在主機(jī)和從機(jī)之間通訊，而不允許數(shù)據(jù)在獨(dú)立的從機(jī)之間交換[6]。

4.5 基于雙冗余的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 雙冗余數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙冗余系統(tǒng)，如圖3所示。藍(lán)色為Profibus-DP總線，連接網(wǎng)口和交換機(jī)，組成一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；橘黃色為CAN總線，通過Anybus網(wǎng)關(guān)連接各數(shù)據(jù)采集部分形成閉環(huán)系統(tǒng)，此為第二套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)互為備份。

來自機(jī)艙集控室、駕駛臺(tái)、船舶電站和船舶輔助設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)經(jīng)過DI、DO、AI、AO四個(gè)模塊后進(jìn)入西門子PLC中，經(jīng)處理到達(dá)控制器并分為兩路：一路傳到網(wǎng)口，把數(shù)據(jù)送到交換機(jī)中；一路經(jīng)過控制器/Anybus轉(zhuǎn)換器到Anybus網(wǎng)關(guān)，進(jìn)入CAN總線中。

主機(jī)/遙控系統(tǒng)通過Modbus采集數(shù)據(jù)，然后分為兩路：一路經(jīng)Modbus/Anybus轉(zhuǎn)換器傳到CAN總線；一路經(jīng)網(wǎng)口傳遞到交換機(jī)。

來自VDR、發(fā)電機(jī)和鍋爐的參數(shù)分別由各自的采集設(shè)備采集，經(jīng)過串口通訊同樣分為兩路：一路通過網(wǎng)口進(jìn)入到交換機(jī)中；一路通過串口通訊/Anybus轉(zhuǎn)換器進(jìn)入CAN總線。

5 結(jié)語

隨著數(shù)據(jù)采集和通訊技術(shù)的發(fā)展，目前航運(yùn)公司的船舶管理開始往船岸一體化方向發(fā)展。本文對船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的采集管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，把繁雜的設(shè)備、參數(shù)、接口以及通訊協(xié)議用通用的技術(shù)統(tǒng)一在一起，便于減少數(shù)據(jù)傳遞和處理的時(shí)間，同時(shí)對船舶的運(yùn)營狀態(tài)做到及時(shí)的監(jiān)測管理，也為以后智能船舶的發(fā)展做了有益的幫助。

[1] 張春燕. 基于GPRS的太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)研發(fā)[D]. 廈門: 集美大學(xué), 2014.

[2] 趙炎. 船舶機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[D]. 廈門: 集美大學(xué), 2013.

[3] 王棟. 基于CRC的多比特糾錯(cuò)算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2013.

[4] 宋全偉. 基于CAN總線的高精度采集轉(zhuǎn)發(fā)裝置關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[D]. 太原: 中北大學(xué), 2016.

[5] 田力. 基于MODBUS的艙室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[D].天津: 天津大學(xué), 2017.

[6] 郝盛強(qiáng). 基于4G的工業(yè)遠(yuǎn)程通信平臺(tái)設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2018.

Research on Intelligent Monitoring and Diagnosis of Marine Diesel Engine

Li Hai, Yang Chao

(Bohai Shipyard Group Co. LTD., Huludao125000, Liaoning, China)

TN919

A

1003-4862（2019）06-0010-04

2018-12-13

李海(1971-)，男，高級工程師。主要從事船舶調(diào)試技術(shù)工作。E-mail: 15902791474@qq.com