大型船舶燃油輸送監控系統設計

張建平，庹艾莉，辛宇

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

大型船舶燃油輸送監控系統設計

張建平，庹艾莉，辛宇

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

著重介紹了大型船舶燃油輸送監控系統設計特點，以及分區設計的思想。遵循設備和系統技術的可靠、適用和先進原則，討論現場總線網絡、傳感器等的選型及設計。利用可視化編程工具，編制便于操作人員迅速掌握操作要領的人機操作界面。為滿足系統的采集、監測、控制與報警等功能，對其網絡組成、體系架構、傳感器選配、數據采集處理系統和軟件構架等進行研究和設計，利用聯調試驗驗證以及適應性改進，確保最終產品的成功。介紹研制過程中出現的問題及解決方法。現場設備采用分區布置設計，并選用現場總線Profinet網絡，應用人機界面LabVIEW編程軟件。上位網借用平臺主干網搭建。由于利用了平臺資源及其堅固性和可靠性，不僅能提高本系統數據傳輸的可靠性和通信能力，還可減少投資，避免因單獨組網而造成的技術風險和成本增加。

大型船舶；燃油輸送；監控；現場網絡；Profinet總線

0 引 言

燃油輸送系統是大型船舶動力輔助系統的重要組成部分之一，其主要作用是將燃油儲存艙的燃油轉注到日用燃油艙內，供主動力裝置使用。為實現船舶姿態的調整或便于油艙的檢修，燃油輸送系統還可以將燃油在儲存艙之間轉注，并能根據需要將燃油向岸上卸載。

大型船舶的燃油儲存艙眾多，分布在全船底艙；燃油輸送管路上配置的閥件較多，也是全船分布；配置的燃油輸送泵也有多臺。因此，迫切需要開展相關研究，實現其狀態監測和系統各相關設備的協調控制。

目前在大型船舶燃油輸送監控技術方面，未見專門研究，相似的研究有大型油輪油艙和液化氣運輸船液艙監控系統的研究與設計［1-2］，但僅實現了液位、溫度等參數的遙測和集中顯示，閥件開/關的操作仍以人工為主，監控主機以單機模式為主，其網絡化、自動化程度不高。據相關資料顯示，其測點規模較小（測點只有20多個），基本處于監測顯示階段，未實現監、控一體化。

而本文所研究的測控點規模大（達到上千個），并將利用現代傳感器技術及模塊化數據采集處理技術，實現系統運行所需要的液位、溫度和壓力的在線監測，以及對泵、閥等設備的自動控制。

1 功能需求分析

燃油輸送監控系統主要功能如下：

1）采集、顯示燃油艙的液位、溫度等狀態信息，并有超限報警功能。

2）監測、控制燃油輸送系統（泵、閥等）的運行工況。

應能實現集中監控，在遙控模式下，燃油輸送泵可在燃油輸送監控臺上進行遙控啟、停，并能監測顯示泵的運行狀態、泵前管路內燃油的溫度、泵出口的壓力、泵吸入口的真空度和泵故障指示；液動蝶閥可在燃油輸送監控臺上遙控開關，并能顯示蝶閥關閉或開啟的狀態。

在監控主站和監控分站間借助平臺主干網絡傳輸數據。按要求為其它系統提供OPC服務器，實現信息共享，并保證為其它系統提供的實時數據與監控系統內部的實時數據同步［3］。

2 方案研究

2.1 通訊網絡

2.1.1 網絡選型

據不完全統計，用于現場智能設備互聯的總線網絡有40多種［4］，但常用于艦船監控網絡的主要有CAN總線、485總線、Profibus總線和Profinet總線。

CAN總線的數據通訊采用CAN協議，物理接口為CAN接口，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。但其不能直接與Internet互聯，若要聯網，則需要專用的接口卡和特定的網關，數據傳輸速率最低為1 Mb/s時其傳輸距離約40 m［5］。

485總線主要采用Modbus通訊協議，物理接口為RS-485串行接口，其特點是結構簡單、成本低廉，適合小型監控系統，它允許的最大速率為10 Mb/s（傳輸距離 15 m）［6］。

Profibus總線速度較快（最大12 Mb/s），組態配置靈活，可以實現總線供電。但Profibus的參數不容易設定，在網絡增加、刪除節點時需要進行邏輯環重構［7］。

Profinet總線是一種基于工業以太網的通信解決方案。一種總線多種協議并存，硬件實時通訊部分（S7通訊協議）和軟件實時通訊部分（標準TCP/IP協議）經過優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，其節點的擴、減均十分方便，具有很大的靈活性［8］。Profinet是基于ASIC專用芯片的硬件實時通訊的現場總線，由于其通訊速率達100 Mb/s，在寬帶范圍內，Profinet的通訊性能甚至要優于ProfibusDP，而其可靠性則要遠遠高于普通工業以太網［9］，是未來監控系統發展的方向［10］。

根據上述分析、對比，結合大型船舶燃油輸送監控系統測控點多且分散的特點，確定選用Profinet總線做為其現場網絡。

2.1.2 通訊網絡的原理

1）系統組成及數據流向。

監控裝置主要由機電集控室2臺中央控制站微機、1臺數據處理微機、6臺分站和遠程I/O處理模塊等組成。數據流向（圖1）如下：

（1）各分站采集各自所屬的遠程I/O信號，處理后將信息分別發送到3臺監控微機。

（2）各監控微機分別向各分站發送控制指令。

（3）各監控微機之間相互交換部位切換和授權等信息。

圖1 通訊系統信息流向圖Fig.1 Data flow in the communication system

2）數據流量及帶寬要求。

（1）測點統計：總點數約為1 000點。

（2）帶寬需求計算。

分站與監控微機之間的通訊協議為基于TCP/IP的S7協議，可初步估算傳送幀所需的字節數：根據各個分站的測點統計，一個分站與一臺監控微機之間傳送的信息量平均為200點參數（含監測、控制和報警信息）；根據基于TCP/IP的S7協議規定，1次需傳送完200點參數信息，因此，傳送幀的帶寬約為2 kb。

為滿足監控微機界面數據1～2 s內刷新一次的要求，6個分站應在500 ms內完成1次與1臺監控微機的數據傳送；又由于基于TCP/IP的S7協議中加入了令牌機制，所有分站不能同時傳送數據，因此6個分站只能依次獲取令牌與1臺監控微機進行數據傳送；所以，若要滿足監控微機界面數據刷新的實時性要求，1個分站應在1/12 s內完成1次與1臺監控微機的數據傳送，交換頻率為每秒12次。基于TCP/IP的S7協議是面向連接的（connection-oriented），即分站要分別與2臺機電集控室燃油輸送監控微機和1臺數據處理微機共建立3個連接，同樣的數據幀要求每臺監控微機傳送1次，共計3次。

集控室燃油監控微機與平臺主干網管理系統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3 kb。為滿足監控微機界面數據1～2 s內刷新一次的要求，燃油監控微機應在500 ms內完成1次與平臺主干網管理系統1臺監控微機的數據傳送。因此，要滿足監控微機界面數據刷新的實時性要求，監控微機就應在1/2 s內完成1次與1臺平臺主干網管理系統監控微機的數據傳送，交換頻率為每秒2次。由于是與平臺主干網管理系統1臺監控微機進行數據傳送，因此連接數為1。

2.2 體系架構

燃油輸送移注監控裝置采用網絡化、模塊化結構設計。結合平臺主干網強大的通訊保障能力，以及成熟的現場總線技術，將傳感器、控制驅動機構、現場采集處理模塊、監控分站和各級監控主站等設備集成為一個適合燃油輸送系統的扁平化3級架構的監控裝置。基本原理如圖2所示。

2.3 傳感器選型

2.3.1 連續液位傳感器

傳感器的選型要滿足環境條件的需求，包括溫度、大氣壓力、振動、電磁干擾、灰塵、雨水和煙霧等，而船用傳感器則首先應滿足船舶環境要求：高溫、高濕（有凝露）、煙霧、霉菌，以及傾斜搖擺。

2.3.2 點式液位傳感器

圖2 系統組成基本原理圖Fig.2 System architecture

針對油料特性，點式液位傳感器選取了音叉式液位開關。振動元件（音叉）通過壓電供能，在壓電陶瓷的驅動下以1 200 Hz的機械諧振頻率振動。壓電陶瓷因受到機械固定，不易受溫度驟變的影響。一旦振動元件接觸到被測介質，振動頻率就會改變，然后應用一體式電子部件檢測該振動頻率的變化，并轉換成開關命令。

2.3.3 溫度傳感器

油艙及管路溫度傳感器使用傳統熱電阻式傳感器配以溫變模塊，選型中，需根據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，24 V DC輸入，輸出4～20 mA電流信號。

2.4 數據采集處理系統

2.4.1 數據采集處理模塊

數據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、閥門監控等）；

2）通過Profinet現場總線，將信息發送到對應的監控分站；

3）按監控分站指令信息，控制驅動相應的執行單元（泵、閥）。

數據采集處理模塊原理：利用系統現場分布式I/O，進行A/D和D/A轉換，把指令數據通訊信號轉為電壓、電流驅動信號，控制對應的驅動機構（泵、閥），采集處理液位、油溫、閥位等信號，并發送到監控分站。

2.4.2 監控分站

燃油輸送監控分站的功能：

1）收集所屬分區內所有現場采集單元的監控信息。

2）通過平臺主干網，傳送監控信息到各監控主站。

3）根據中央控制臺發送到分站的控制指令，對相對應的泵和閥進行開關控制。

4）向數據采集處理模塊提供24 V DC電源。

5）分站數據采集濾波功能：每個循環分站對遠程I/O端口進行一次掃描，并進行濾波。

6）分站報警處理功能：對每次處理好的數據進行報警設置，并把處理結果發給中央監控臺進行報警顯示。

燃油輸送監控分站工作原理：利用分站的PLC主機和網卡向上接入全艦平臺主干網和控制主站進行數據通訊，向下接Profinet現場總線和分區內的各個數據采集處理模塊進行數據通訊，對上位的控制指令和下位的監測信息進行上傳下達。

2.4.3 監控主站

1）監測原理及功能。

監控主站實時監測燃油液位、溫度、液位高低位及燃油輸送泵運行狀態等參數，現場信號經采集變換后，通過Profinet總線傳輸至分站，分站與上層加固微機通過建立在平臺主干網上的虛擬以太網進行數據交換。

在中央監控臺上主要實現如下監測功能：（1）參數顯示功能：對所有監測的參數進行實時顯示。

（2）報警功能：對各超限參數可進行實時聲光報警。

（3）數據共享功能：通過OPC服務器向管理部門提供油艙的液位和油量等數據。

2）控制原理及功能。

控制的主要原理為：在遙控狀態下監控主站程序，檢查、檢驗油艙聯鎖條件，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，將燃油輸送泵、閥的控制等指令傳送到監測分站，然后由監測分站通過Profinet總線傳送到相關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泵的遙控。

2.5 軟件開發研究

軟件的編制采用Windows XP環境下的LabVIEW編程［11］，通過數據采集、人機對話、參數顯示、報警記錄和圖形顯示等來實現對燃油系統有關參數的記錄和監測，并對一些泵和閥進行控制。人機界面截圖如圖3所示。

圖3 人機界面的截圖Fig.3 Screenshot of the human-machine interface

主程序框圖如圖4所示，數據采集處理模塊程序框圖如圖5所示。

3 測試與交驗

3.1 聯調測試

試驗目的：檢查裝置內、外部接口的正確性和協調性；檢查裝置功能的正確性和完整性。

主要進行了如下測試：

1）系統監測控制功能調試；

2）系統與傳感器的匹配調試；

3）模擬實船布置的系統功能測試等。

圖4 主程序框圖Fig.4 Block diagram of the main program

圖5 數據采集處理模塊程序框圖Fig.5 Program flow chart of data collection modules

其中，模擬實船布置是指將監控分站與監測模塊之間的供電和通訊電纜的距離按照實船最大的供電和通訊電纜長度進行敷設測試。

在模擬實船布置的系統功能測試中，出現了當布置在監控分站以下的數據采集處理模塊超過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：監控分站以下數據采集處理模塊的供電及通訊電纜的連接方式為串式拓撲，系統設備設計供電模式為長距離直流供電，為保證數據采集處理模塊的電壓處于規定范圍內，每個模塊內部均設置了開關電源模塊用以升壓穩壓。模塊使用的電源為監控分站內從西門子SITOP電源AC 380 V轉換來的DC 24 V。由于同一條線纜上的開關電源模塊數量過多，放大了DC 24 V上的7次諧波［12-14］，而西門子SITOP電源抑制諧波能力有限，串接至5級時在末端造成直流供電DC 24 V出現了約±2 V的紋波；另高精度的導波液位傳感器對紋波敏感，超過±1 V即無法開機。查找到原因后，修改了設計，從監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據處理模塊不超過2個。經測試，在2級時，紋波降低至±0.3 V，液位傳感器能正常使用。

通過陸上聯調試驗，解決了裝船設計問題。

3.2 實船測試

主要進行傳感器測試、單機恢復試驗、聯調試驗和功能效用試驗等。試驗方法有模擬法或效用法。連續液位傳感器的調試需要借助測深尺進行零位校核。測量精度檢查，是采用注入或抽出相應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），用經檢驗合格的測深尺將測得的讀數與液位測量裝置測量的讀數進行比較，判斷其誤差大小，然后進行相應的處理。對于泵和閥的遙控，先進行空載試驗，成功后再進行負荷試驗。

所有單機檢測完成后，進行聯調試驗和功能效用試驗，重點檢查測試監控軟件的正確性和可靠性，以及網絡共享數據的完整性和實時性，最終完成全部試驗，交付用戶。

4 結 語

由于在設計前對技術體制進行了反復論證，開展設計后經過了樣機驗證，制造完畢交付前又經過了陸上聯調試驗，因而解決了原理驗證和裝船設計問題，保證了系統研制的成功。經過船上調試，最終解決了適配性問題和功能問題。

本系統的成功研制，提高了同類船舶燃油輸送系統的自動化水平。

［1］趙一飛.大型油輪油艙溫度及液位監測系統的設計與實現［D］.大連：大連理工大學，2004.

［2］吳敏，李景，王永驟.液化氣運輸船液貨監控系統的設計研究［J］.艦船電子工程，2002（6）：25-29.

［3］殷文華，楊萍.基于OPC Server的工業以太網監控技術的應用［J］.南陽理工學院學報，2009（6）：15-18.

［4］夏德海.現場總線的現狀及其應用（二）［J］.中國儀器儀表，1998（2）：3-5.

［5］陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［6］劉樂善，葉濟忠，葉永堅.微型計算機接口技術原理及應用［M］.武漢：華中理工大學出版社，1996.

［7］袁海洲，劉少克.PROFIBUS技術概述［J］.電工技術，2000（2）：1-2.

［8］張銳，潘澤友.新一代工業通信標準——PROFINET［C］//第二屆全國信息與電子工程學術交流會暨第十三屆四川省電子學會曙光分會學術年會論文集，2006.

［9］劉喜梅，李程.PROFINET IO通信實時性分析［J］.微型機與應用，2010（2）：37-39.

LIU Ximei，LI Cheng.Analysis of PROFINET IO com-munication［J］.Microcomputer&Its Applications，2010（2）：37-39.

［10］薛旻，劉赟.PROFINET技術在船舶動力裝置監控領域的應用及發展［J］.柴油機，2009，31（2）：13-16.

XUE Min，LIU Yun.Application and development of PROFINET on monitoring of marine power system［J］.Diesel Engine，2009，31（2）：13-16.

［11］雷振山.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［12］張鈞.供電系統的電壓波動和電壓高次諧波產生原因、危害及抑制［J］.河北理工學院學報（社會科學版），2003，3（增刊1）：111-113.

ZHANG Jun.The discussion on the cause and harm?fulness of voltage ware theory，resonant ware in power net work and the countermeasures［J］.Journal of He?bei Institute of Technology（Social Science Edition），2003，3（Supp 1）：111-113.

［13］王柏強.整流電路諧波電壓的危害及治理［J］.銅業工程，2003（8）：59-60，72.

WANG Baiqiang.Harm of non-harmonious voltage in rectified circuit and its control［J］.Copper Engineer?ing，2003（8）：59-60，72.

［14］胡黎明，劉磊.電網電壓諧波放大與抑制的研究［J］.沈陽工程學院學報（自然科學版），2010，6（4）：330-332.

HU Liming，LIU Lei.Study on harmonics magnifying and suppression of network voltage in power system［J］.Journal of Shenyang Institute of Engineering（Nat?ural Science），2010，6（4）：330-332.

Research and Design of the Fuel Transfer Monitoring System on Ships

ZHANG Jianping，TUO Aili，XIN Yu

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The monitoring system of fuel transfer system（MSFTS）used in large ships is studied in this paper，with its divisional design philosophy introduced.To guarantee the advancement，reliability，and applicability of equipment，the design of field bus network and the selection of sensors are particularly discussed，and a straightforward human-machine interface is programmed into the MSFTS.Also，the monitoring management function，the components of network，and the data processing unit are studied in detail.For optimization，a debug test has been conducted，with some typical problems being identified.Finally，the host net is built based on the system's main network，whose robustness and reliability greatly enhance the communication and data transfer capacity of MSFTS and eliminate the risk and cost of using individual networking.

large ship；fuel transfer；monitoring；field network；Profinet bus

U664.5

A

1673－3185（2014）02－111－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.020

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.020.html

期刊網址：www.ship-research.com

2013－08－14 網絡出版時間：2014-3-31 16:33

張建平（1964－），男，高級工程師。研究方向：船舶動力裝置。E-mail：zjp7011＠163.com

庹艾莉（1980－），女，碩士，工程師。研究方向：船舶動力裝置

張建平

［責任編輯：喻 菁］