遠洋船舶燃油加裝計量遠程監控系統的設計

張浩，姜尚潔，王儐，郝祝，辛克梁

(1．齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100；2．青島中烏特種船舶研究設計院有限公司，山東 青島 266100；3. 青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266100)

船舶燃油消耗是航運公司最主要的成本之一，為了追求企業的最大經濟效益，船東及租船人越來越關注燃油費用。但是船舶耗油量由人為測定，既不能保證數據的實時性，也不能確保數據的精確性[1]。因此，船舶油量信息不能只局限于船舶自身對現場狀態的監測和控制，還需要向岸基提供燃油信息。

船舶內部數據傳輸可以通過局域網進行，采用有線網絡可以很好地完成監控[2]。目前國內外大多船舶的智能燃油測量裝置只是布置在柴油機上，現場采集柴油機各項參數，包括轉速、水溫、油溫、累計用油量等，然后通過信號采集箱將采集到的數據傳到集控室的機艙自動化系統，但不具備遠程監測功能[3]，船舶與岸基上的數據通信必須通過無線網絡實現。一些船舶設備廠家已設計出岸基遠程船舶油耗監控系統，比如斯藍盾公司的遠程船舶油耗監控系統可以顯示和記錄發動機所使用的各種燃油總消耗、結存量、以及不同狀態下的燃油平均消耗等數據信息，然而由于數據量大，其遠程數據傳輸方式只能采用衛星通信，但是衛星通信花費較高[4]，在船舶上應用并不廣泛。此外，單純的監控發動機用油量并不能避免偷漏油情況的發生。為了解決以上問題，本文設計的燃油遠程監控系統從燃油加裝源頭開始測量，采集小流量數據，傳輸選擇成本低的GPRS或GSM無線通訊方式[5]。一般燃油加裝都在港口進行，能夠保證無線網絡的覆蓋，可以達到安全使用要求。若在沒有GPRS或GSM無線網絡覆蓋的遠洋區域應急補給時采用船舶F站衛星通信，本文只介紹采用GPRS或GSM無線網絡通信方式。此方式既保證了數據的精確性和實時性，又能降低成本。

本文設計的燃油加裝計量遠程監控系統以ZigBee無線網絡、RTU(remote terminal unit)控制終端和GPRS DTU(data terminal unit)模塊為核心，輔以橢圓齒輪流量計、顯示終端等設備，實現了燃油加裝計量的在線遠程監控。

1 燃油加裝計量遠程監控系統整體設計

本文以遠洋船舶燃油整體消耗狀況為監測目標，設計了一個基于流量采集、RTU遠傳終端和GPRS DTU技術的燃油整體消耗的監測系統，此系統在燃油加裝處計量監測，并實時地將小流量數據遠傳到岸基平臺上，既保證了油耗信息的準確性，又能降低成本。

圖1 燃油加裝計量系統圖Fig.1 Diagram of refueling measurement system

如圖1所示，系統總共分為三大模塊：

(1)數據采集模塊：首先利用橢圓齒輪流量計將采集到的數據通過采集模塊以RS485通信的方式傳給ZigBee無線網絡。

(2)數據處理模塊：數據經ZigBee無線網絡傳輸到遠程控制終端(RTU)，RTU對流量進行積算，對定量進行控制，工業顯示屏現場顯示數據和修改參數。

(3)數據傳輸及顯示模塊：經RTU處理后的數據再次轉發給GPRS DTU模塊，通過GPRS網絡將這些數據以2G無線方式或GSM短信的方式發送到岸上的船舶管理公司相關人員的手機上，及時上報船舶燃油加裝狀況，實現輪船燃油加裝自動測量和遠程監控。

2 硬件系統設計

本系統適用于已經運營的船舶，可直接安裝在加油口處，具體的輪船燃油加裝自動測量和遠程監控系統的硬件總體實現如圖2所示。

圖2 系統硬件總體框圖Fig.2 Fundamental diagram of system hardware

首先，流量傳感器將采集到的流量信號以脈沖的方式輸出，溫度傳感器和壓力傳感器將采集的溫度和壓力信號以4～20 mA電流形式輸出，經采集模塊由ZigBee無線通信傳輸到RTU，可避免電纜鋪設的麻煩；RTU對數據進行加工處理，可以得到瞬時流量、累計流量、本次總加裝量等船東關注的關鍵信息，最后通過GPRS DTU模塊將最終數據遠傳到岸基管理人員手中。

船舶燃油具有粘度較大、溫度較高、流速較慢、回油有脈動等特點，本文依照遠洋船舶的環境特點，選用鑄鋼橢圓齒輪流量計，精度等級為0.5級，特別適用于燃油的計量，在船舶環境條件下工作穩定[6]。流量計輸出電脈沖信號，采用RS485串口傳輸，可與計算機和其他智能儀表聯機工作。流量計在安裝之前應配套過濾器，且過濾器的出口緊接流量計的入口，兩者指向應與液體流量一致。

3 軟件系統設計

數據采集主要是利用傳感器采集管路中的信息，并把采集的信息利用ZigBee傳輸到數據處理模塊。數據處理模塊主要對現場信號進行監測和控制，達到用戶的要求。GPRS DTU模塊負責將最終數據遠傳到用戶手中。ZigBee數據短距離無線傳輸、RTU數據處理和GPRS DTU模塊的軟件設計如下。

3.1 ZigBee模塊

此系統利用F8913D ZigBee模塊傳輸傳感器數據，可實現簡單的無線傳感器網絡[7]。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術[8]。作為一種無線連接，ZigBee克服了Bluetooth傳輸距離的限制和抗干擾能力差的問題，并且與Wi-Fi相比，功耗更低。ZigBee可以工作在2.14 G全球通用的頻段上，首先通過RS485串口方式采集傳感器數據，將其看做終端。然后，另一個ZigeBee作為協調器與單片機或電腦通信，接收終端發送過來的數據。ZigBee之間以串口透傳方式傳輸，當有數據傳送需求時則立刻發送，發送的每個數據分組都必須等待接收方的確認消息，并進行確認信息回復，若沒有得到確認信息的回復就表示發生了沖突，將重傳一次。采用這種方法，可以提高系統信息傳送的可靠性。在本系統中ZigBee收發數字信號，實現現場與工控箱的近距離無線傳輸。

3.2 RTU數據處理與通信

RTU主要用于室外惡劣環境中，比如在一些無人值守的站點，本文采用的RTU為BH系列。RTU遠程終端控制系統通過監視和測量安裝在現場的傳感器和設備，實現對現場信號、工業設備的監測和控制[9]。流量計采集到的數據通過RS485通信的方式，經由ZigeBee無線網絡傳送到遠程控制終端(RTU)，RTU首先將這些信號轉換為可以在通信媒體上發送的數據格式，同時還將從中央計算機發送來的數據轉換成命令，實現對設備的功能控制，并給出預警信息[10]。

具體的方法為：當RTU接收到RS485信號后，完成現場信號的數據采集和預處理，調用子程序對流量數據進行濾波；當管路堵塞壓力超出閾值、溫度過高超出閾值時進行聲光報警；發送中斷服務，利用串口將處理后的數據發送到GPRS DTU模塊；當GPRS DTU檢測到有數據輸入時，監控指示燈亮，同時觸發上線，與RTU建立連接；當GPRS有信號時則通過接收中斷服務，把信號指令回傳到RTU，RTU將數據傳輸給GPRS DTU模塊，并完成數據上報；若GPRS沒有信號，RTU保存數據到本地，直到接收到信號回傳指令。另外，當DTU設備連接上數據中心，若在一定的時間里沒有來自串口的數據，DTU會自動下線，直到有來自串口端的數據后再觸發上線。其中，RTU處理流量數據的流程圖如圖3所示。

圖3 RTU數據處理子程序流程圖Fig.3 Flow chart of RTU data processing subprogram

3.3 GPRS DTU遠傳模塊

本文采用的GPRS DTU無線數傳模塊為DATA-6123，能夠在無人值守的情況下長期保持數據可靠傳輸，內部集成了PPP和TCP/IP協議棧，可以很容易地實現串口設備的遠程通信功能[11]。

該模塊與RTU之間通過RS485串行口通信，通信速率最快可以達到115 200 bit/s。模塊與控制器間的通信協議是AT命令集，并將配置好的參數保存到內部的永久存儲器內[12]。RTU與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號，如DTR、DCD等,DCD信號可以檢測GPRS模塊是處于數據傳送狀態還是AT命令傳送狀態,DTR信號用來通知GPRS模塊傳送工作已經結束。

軟件上實現數據通信采用分層的結構，從底到上分別為串口驅動層、GPRS模塊驅動層、PPP協議層、IP協議層、UDP協議層和應用層。上層函數的實現需要應用到底層函數，而底層函數的任務就是為上層函數提供服務[13]。圖4描述了RTU與GPRS之間通信的流程。

GPRS DTU與數據中心之間的通信過程可以描述為：GPRS DTU上電后，首先讀取永久儲存器中保存的工作參數；然后登陸GSM網絡，進行GPRS PPP撥號；撥號成功后，GPRS DTU將獲得一個由移動隨機分配的內部IP地址，通過移動網關來實現與外部Internet公網的通信[14]。

圖4 RTU向GPRS DTU傳送數據流程圖Fig.4 Flow chart of data transmission from RTU to GPRSS DTU

4 測試結果

為了驗證系統的準確性，本文以行駛在無限航區9 500噸多用途貨船為例，比較每次燃油艙燃油增加量和監控系統遠傳回來的燃油加裝總量。此貨船燃油艙容量為 501.86 m3，燃油艙燃油總量為艙容量的90%，以防止溢油。

由GPRS DTU模塊遠傳回來的數據通過組態王顯示到屏幕上，圖5給出了某次燃油加裝完成后的燃油數據界面。為了節約成本，瞬時流量、溫度和壓力值每半小時更新一次。圖6為燃油艙注油量與遠傳回來的燃油加裝總量四次比較曲線，從圖中可以看出，每次比較的燃油艙注油量和燃油加裝總量遠傳數據基本一致。

圖5 燃油數據界面Fig.5 Interface of fuel data

圖6 燃油艙注油量與燃油加裝總量遠傳數據比較曲線Fig.6 Comparison curve of fuel tank increments and refueling remote data

5 結論

本文設計的遠洋船舶燃油加裝計量遠程監控系統，從燃油加裝源頭開始計量監控，確保了燃油數據的準確性。利用ZigBee短距離無線傳輸傳感器數據，避免了電纜鋪設的麻煩；采用RTU遠傳控制終端對采集數據進行加工處理，實現了對現場信號的控制；GPRS DTU將得到的燃油加裝信息遠傳到船東手中，保證了數據的實時性。

本系統還存在不足之處，流量計安裝在無人值守的站點，輸出的脈沖信號會受到船舶上一些復雜情況的干擾，出現一定的失真。另外，燃油總流量的計算只是從燃油開始加裝到結束加裝，沒有計算每個艙的加裝量。為了更好地適應要求，系統將來應采用更先進的抗干擾措施，提高系統的可靠性；與閥門遙控相結合計算每個燃油艙加裝的流量，使比較結果更加明確。

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