船舶機艙機電設備集中監測報警系統

李 欣，李衛東，王德利

船舶機艙機電設備集中監測報警系統

李 欣1，李衛東2，王德利1

（1. 錦州航星艦船研究所有限公司，遼寧錦州 121000；2. 錦州航星集團有限公司，遼寧錦州 121000）

為了滿足機艙機電設備集中監控和管理，提出了一種集中設計方法。運用可編程控制器PLC和工控機技術，采用西門子的S7-300、觸摸屏和工控機進行組網，并且使用STEP7、WinCC、WinCC flexible 2008進行軟件設計。該方法實現了對機電設備的工作狀態和運行參數的實時監控，從而替代輪機員正確實現對機艙中主、輔機等設備的有效巡視和管理，給輪機管理工作帶來了質的飛躍。

集中監測報警 工控機 PLC WinCC

0 引言

在當代的船舶中，船舶管理趨于智能化和自動化[3]，機艙機電設備集中監測報警系統是輪機自動化的一個重要內容，而且它能夠準確可靠地監測機艙內各種動力設備的運行狀態及其參數。一旦運行設備出現故障，將自動發出聲光報警，故障狀態全部顯示在監控設備上。因此輪機員不需要到機艙進行巡視，只要在集控室內就可以掌握機艙所有設備的運行狀態及其參數。有效地改善了輪機員的工作條件，減輕了輪機員的勞動強度[3]。

目前，隨著船舶自動化技術的不斷提高，我國所建船舶中，大部分機艙機電設備監測報警系統都是使用國外產品。國內自主研發的產品，但是相對國外的知名產品還存在著功能少，穩定性差，界面不友好，可靠性低等不足之處。因此，仍需要加強對國內船舶機艙機電設備監測報警系統的研究。

1 系統概述

本機艙機電設備集中監測報警系統主要實現機艙中機電設備狀態的采集、顯示、歷史數據的存儲、查詢等功能。因此由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括機艙控制室內監控臺上安裝的監視器、打印機、專用鼠標鍵盤等，以及監控臺內安裝的工控機、西門子的S7-300PLC控制主站[1]、數據采集單元、報警延伸單元等。另外，在控制中心的集控臺也安裝了一臺西門子的觸摸屏MP377作為監視單元[2]，方便在控制中心進行集中監控與管理。整個系統的網絡拓卜圖如下：

圖1 系統網絡拓撲圖

其次，本系統軟件由智能控制主站S7-300[1]的程序模塊和監控計算機上運行的監控軟件及觸摸屏監控軟件組成。其監控計算機的監控軟件在Windows平臺下，采用WinCC進行開發設計，觸摸屏監控軟件采用WinCC flexible 2008進行軟件開發，兩監控室的人機界面能夠直觀監測機艙內主發電機組，應急發電機組的各項參數及各個機電設備的運行、報警狀態。且人機界面友好，操作簡潔方便，功能齊全。

2 硬件設計

本套監控系統采用分級分層的結構進行網絡設計[2]，其中工控機與控制主站S7-300[1]之間采用以太網通訊[2]方式進行數據交換，這種通訊方式能有效地克服船舶中的惡劣環境，保證工控機進行高效的數據采集，且設備之間數據通訊可靠穩定。智能型控制主站S7-300分別通過專用模塊與兩臺主發電機組，兩臺應急發電機組進行數據交換，實現對主發電機組和應急發電機組的數據采集，其主要采集數據包括每臺發電機組的主機轉速、滑油溫度、滑油壓力等參數。而對于機艙內的機電設備，控制主站通過報警延伸單元進行數據采集和數據交換。專用的采集模塊和報警延伸單元保證了數據的分類采集，減少接線長度和接線數量，使控制臺內的接線整齊有序，且與各個設備間接線簡單，降低了成本，使數據通訊更加高效可靠。集控室控制中心的監控單元與控制主站S7-300之間采用工業用現場通訊總線Profibus-dp[2]進行數據交換，這種高可靠的現場通訊總線有效的保證了數據交換的快捷和穩定。而且分級的網絡結構使得不同級別的數據通訊可以采用適用的通訊協議，使其抗干擾能力更強，更加保證了數據交換的穩定性和實時性，且可靠性更高[2]。

另外，本系統的供電電源都取自控制臺內的UPS不間斷電源，這種集中供電方式使電路的設計簡單可靠，更節省很多空間和成本。從集中監控管理的角度來講，這種設計也方便統一監控和管理，確保了監控系統中數據的有效性和完整性。

對于需要實現船舶機艙自動化的應用，本系統也可以提供數據通訊接口，給上位機或中央計算機上傳機艙內機電設備的運行參數，特別是發電機組的運行參數，方便船舶實現集中的自動控制和管理，特別是機艙的自動管理工作。同時也提高了整個船舶的自動化、智能化水平[3]。

3 軟件設計

本監控系統的軟件設計可分為三部分，包括控制主站S7-300中的程序設計，監控計算機上運行的監控軟件設計以及觸摸屏監控軟件設計。控制主站S7-300通過工業控制總線[2]實時采集現場數據，并在控制主站中進行數據分析和計算處理。這些數據可供本艙室監控計算機和控制中心的監控單元進行監測和管理，還可以通過數據通訊接口提供給中央計算機，在中央計算機上進行分析、統計和計算，實現整個船舶的集中管理和監控以及機艙無人值守的全船自動化。

3.1 控制主站的程序設計

控制主站S7-300[1]采用STEP7[1]進行程序開發設計，控制主站中包括一個主程序8個子程序，其中子程序分別為初始化子程序，1#主發電機組的數據采集和數據處理子程序，2#主發電機組的數據采集和數據處理子程序，1#應急發電機組的數據采集和數據處理子程序，2#應急發電機組的數據采集和數據處理子程序，機艙內機電設備的運行狀態及報警狀態的采集子程序，報警閥值的設置子程序，機電設備集中報警處理子程序。在發電機組的數據采集和數據處理子程序中要進行發電機組的轉速、滑油壓力、滑油溫度、淡水壓力、淡水溫度等參數采集計算，以及各個參數報警輸出的處理。報警閥值的設置子程序可以對機電設備的報警閥值進行設定。機電設備集中報警處理程序對各個子程序模塊輸出的報警值進行統一報警處理，當報警發生時，使控制臺上的報警指示燈閃亮，蜂鳴器鳴音，監控計算機和控制中心監控單元的報警畫面彈出，保證所有的監控站點都進行報警提示。主程序處理過程如圖2所示。

圖2 主程序處理流程框圖

在控制主站S7-300的主程序中，首先對所有運行狀態變量、報警變量、發電機組運行參數等進行初始化工作，確保各個工作變量不會出現不確定或隨機的狀態。初始化完成之后，主程序將循環執行報警閥值設置、發電機組數據采集與處理、報警處理子程序。保證監控數據的實時準確，報警指示及時有效。

3.2 監控計算機的軟件設計

監控計算機上運行的監控軟件采用WinCC組態軟件進行設計，監控軟件的界面直觀的展示了主發電機和應急發電機組的運行參數，集中顯示了機電設備的運行及報警狀態。而且人機操作界面的設計力求簡潔、直觀、操作性能更加人性化。

其中在軟件界面設計過程中，我們通過WinCC的圖形編輯器把各個現場的物理量進行分類，并設計相應的監控畫面，當設定好相關控件的特性及動作特性后，人機界面應能夠動態的顯示其監控畫面，可以在監控計算機上集中觀測機艙內機電設備的運行工況。啟動監控軟件后，用戶可以進入主界面總覽全船機艙機電設備的運行狀況，還可以分別進入主發電機組和應急發電機組監控界面單獨觀測主發電機組和應急發電機組的運行工況。當用戶進入報警界面后，便可以直觀的觀測所有機電設備的報警狀況。另外，無論監控軟件處于哪個監控界面，當有報警發生時，當前的監控界面都會自動彈出報警對話框，指示當前的報警位置和報警狀態，提示工作人員及時進行處理。

3.3 控制中心監控單元軟件設計

在控制中心的監控臺上安裝了西門子的觸摸屏，方便集控中心的工作人員在控制中心及時準確的了解機艙機電設備的運行工況。該監控軟件采用WinCC flexible2008組態軟件進行設計，其人機操作界面的設計與監控計算機上運行的監控軟件界面相同。而且監控畫面的設計過程中，也對現場的物理量進行分類，其監控界面應能夠動態的顯示其設備的工作狀態。界面的切換在操作上也非常簡潔方便，報警界面的彈出等都非常及時準確。

4 結束語

現代船舶的管理已經趨于智能化和自動化，實現駕駛、輪機、機艙等內容的綜合集中監控將使船舶的自動化[3]水平達到一個新的高度。目前本機艙機電設備集中監測報警系統已經投入使用，且可以實現對設備參數，狀態以及報警信息的記錄、打印、報表、歸檔等工作，不僅節約了人力，還大大的提高了工作效率。另外本報警系統還可以延伸到其他必要的地方，如駕駛室，輪機長室，集控室以及其他輪機員住所等。因此能夠有效的改善輪機管理人員的工作條件，很大程度地減輕輪機員勞動強度，給輪機管理工作帶來了質的飛躍，更是實現無人值守機艙的必要條件。

[1] 廖常初. S7-300/400PLC應用技術[M]. 第4版. 北京: 機械工業出版社, 2016.

[2] 廖常初. 西門工業通訊網絡組態編程與故障診斷[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009.

[3] 姜錦范. 船舶電站及其自動化[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2006.

The Centralized Monitoring and Alarm System for Mechanical and Electrical Equipment of Ship Engine Room

Li Xin1, Li Weidong2, Wang Deli1

（1. Institute of Ship Research Jinzhou Hangxing, Jinzhou 121000, Liaoning, China; 2. Jinzhou Hangxing Group Co., Ltd, Jinzhou 121000, Liaoning, China）

TP277

A

1003-4862（2019）09-0043-03

2019-01-08

李欣（1975-），女，工程師。研究方向：船舶設備控制系統設計開發。E-mail: xblixin@163.com