远洋船舶燃油加装计量远程监控系统的设计

张浩，姜尚洁，王傧，郝祝，辛克梁

(1．齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266100；2．青岛中乌特种船舶研究设计院有限公司，山东 青岛 266100；3. 青岛杰瑞工控技术有限公司，山东 青岛 266100)

船舶燃油消耗是航运公司最主要的成本之一，为了追求企业的最大经济效益，船东及租船人越来越关注燃油费用。但是船舶耗油量由人为测定，既不能保证数据的实时性，也不能确保数据的精确性[1]。因此，船舶油量信息不能只局限于船舶自身对现场状态的监测和控制，还需要向岸基提供燃油信息。

船舶内部数据传输可以通过局域网进行，采用有线网络可以很好地完成监控[2]。目前国内外大多船舶的智能燃油测量装置只是布置在柴油机上，现场采集柴油机各项参数，包括转速、水温、油温、累计用油量等，然后通过信号采集箱将采集到的数据传到集控室的机舱自动化系统，但不具备远程监测功能[3]，船舶与岸基上的数据通信必须通过无线网络实现。一些船舶设备厂家已设计出岸基远程船舶油耗监控系统，比如斯蓝盾公司的远程船舶油耗监控系统可以显示和记录发动机所使用的各种燃油总消耗、结存量、以及不同状态下的燃油平均消耗等数据信息，然而由于数据量大，其远程数据传输方式只能采用卫星通信，但是卫星通信花费较高[4]，在船舶上应用并不广泛。此外，单纯的监控发动机用油量并不能避免偷漏油情况的发生。为了解决以上问题，本文设计的燃油远程监控系统从燃油加装源头开始测量，采集小流量数据，传输选择成本低的GPRS或GSM无线通讯方式[5]。一般燃油加装都在港口进行，能够保证无线网络的覆盖，可以达到安全使用要求。若在没有GPRS或GSM无线网络覆盖的远洋区域应急补给时采用船舶F站卫星通信，本文只介绍采用GPRS或GSM无线网络通信方式。此方式既保证了数据的精确性和实时性，又能降低成本。

本文设计的燃油加装计量远程监控系统以ZigBee无线网络、RTU(remote terminal unit)控制终端和GPRS DTU(data terminal unit)模块为核心，辅以椭圆齿轮流量计、显示终端等设备，实现了燃油加装计量的在线远程监控。

1 燃油加装计量远程监控系统整体设计

本文以远洋船舶燃油整体消耗状况为监测目标，设计了一个基于流量采集、RTU远传终端和GPRS DTU技术的燃油整体消耗的监测系统，此系统在燃油加装处计量监测，并实时地将小流量数据远传到岸基平台上，既保证了油耗信息的准确性，又能降低成本。

图1 燃油加装计量系统图Fig.1 Diagram of refueling measurement system

如图1所示，系统总共分为三大模块：

(1)数据采集模块：首先利用椭圆齿轮流量计将采集到的数据通过采集模块以RS485通信的方式传给ZigBee无线网络。

(2)数据处理模块：数据经ZigBee无线网络传输到远程控制终端(RTU)，RTU对流量进行积算，对定量进行控制，工业显示屏现场显示数据和修改参数。

(3)数据传输及显示模块：经RTU处理后的数据再次转发给GPRS DTU模块，通过GPRS网络将这些数据以2G无线方式或GSM短信的方式发送到岸上的船舶管理公司相关人员的手机上，及时上报船舶燃油加装状况，实现轮船燃油加装自动测量和远程监控。

2 硬件系统设计

本系统适用于已经运营的船舶，可直接安装在加油口处，具体的轮船燃油加装自动测量和远程监控系统的硬件总体实现如图2所示。

图2 系统硬件总体框图Fig.2 Fundamental diagram of system hardware

首先，流量传感器将采集到的流量信号以脉冲的方式输出，温度传感器和压力传感器将采集的温度和压力信号以4～20 mA电流形式输出，经采集模块由ZigBee无线通信传输到RTU，可避免电缆铺设的麻烦；RTU对数据进行加工处理，可以得到瞬时流量、累计流量、本次总加装量等船东关注的关键信息，最后通过GPRS DTU模块将最终数据远传到岸基管理人员手中。

船舶燃油具有粘度较大、温度较高、流速较慢、回油有脉动等特点，本文依照远洋船舶的环境特点，选用铸钢椭圆齿轮流量计，精度等级为0.5级，特别适用于燃油的计量，在船舶环境条件下工作稳定[6]。流量计输出电脉冲信号，采用RS485串口传输，可与计算机和其他智能仪表联机工作。流量计在安装之前应配套过滤器，且过滤器的出口紧接流量计的入口，两者指向应与液体流量一致。

3 软件系统设计

数据采集主要是利用传感器采集管路中的信息，并把采集的信息利用ZigBee传输到数据处理模块。数据处理模块主要对现场信号进行监测和控制，达到用户的要求。GPRS DTU模块负责将最终数据远传到用户手中。ZigBee数据短距离无线传输、RTU数据处理和GPRS DTU模块的软件设计如下。

3.1 ZigBee模块

此系统利用F8913D ZigBee模块传输传感器数据，可实现简单的无线传感器网络[7]。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[8]。作为一种无线连接，ZigBee克服了Bluetooth传输距离的限制和抗干扰能力差的问题，并且与Wi-Fi相比，功耗更低。ZigBee可以工作在2.14 G全球通用的频段上，首先通过RS485串口方式采集传感器数据，将其看做终端。然后，另一个ZigeBee作为协调器与单片机或电脑通信，接收终端发送过来的数据。ZigBee之间以串口透传方式传输，当有数据传送需求时则立刻发送，发送的每个数据分组都必须等待接收方的确认消息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了冲突，将重传一次。采用这种方法，可以提高系统信息传送的可靠性。在本系统中ZigBee收发数字信号，实现现场与工控箱的近距离无线传输。

3.2 RTU数据处理与通信

RTU主要用于室外恶劣环境中，比如在一些无人值守的站点，本文采用的RTU为BH系列。RTU远程终端控制系统通过监视和测量安装在现场的传感器和设备，实现对现场信号、工业设备的监测和控制[9]。流量计采集到的数据通过RS485通信的方式，经由ZigeBee无线网络传送到远程控制终端(RTU)，RTU首先将这些信号转换为可以在通信媒体上发送的数据格式，同时还将从中央计算机发送来的数据转换成命令，实现对设备的功能控制，并给出预警信息[10]。

具体的方法为：当RTU接收到RS485信号后，完成现场信号的数据采集和预处理，调用子程序对流量数据进行滤波；当管路堵塞压力超出阈值、温度过高超出阈值时进行声光报警；发送中断服务，利用串口将处理后的数据发送到GPRS DTU模块；当GPRS DTU检测到有数据输入时，监控指示灯亮，同时触发上线，与RTU建立连接；当GPRS有信号时则通过接收中断服务，把信号指令回传到RTU，RTU将数据传输给GPRS DTU模块，并完成数据上报；若GPRS没有信号，RTU保存数据到本地，直到接收到信号回传指令。另外，当DTU设备连接上数据中心，若在一定的时间里没有来自串口的数据，DTU会自动下线，直到有来自串口端的数据后再触发上线。其中，RTU处理流量数据的流程图如图3所示。

图3 RTU数据处理子程序流程图Fig.3 Flow chart of RTU data processing subprogram

3.3 GPRS DTU远传模块

本文采用的GPRS DTU无线数传模块为DATA-6123，能够在无人值守的情况下长期保持数据可靠传输，内部集成了PPP和TCP/IP协议栈，可以很容易地实现串口设备的远程通信功能[11]。

该模块与RTU之间通过RS485串行口通信，通信速率最快可以达到115 200 bit/s。模块与控制器间的通信协议是AT命令集，并将配置好的参数保存到内部的永久存储器内[12]。RTU与GPRS模块之间还有一些硬件握手信号，如DTR、DCD等,DCD信号可以检测GPRS模块是处于数据传送状态还是AT命令传送状态,DTR信号用来通知GPRS模块传送工作已经结束。

软件上实现数据通信采用分层的结构，从底到上分别为串口驱动层、GPRS模块驱动层、PPP协议层、IP协议层、UDP协议层和应用层。上层函数的实现需要应用到底层函数，而底层函数的任务就是为上层函数提供服务[13]。图4描述了RTU与GPRS之间通信的流程。

GPRS DTU与数据中心之间的通信过程可以描述为：GPRS DTU上电后，首先读取永久储存器中保存的工作参数；然后登陆GSM网络，进行GPRS PPP拨号；拨号成功后，GPRS DTU将获得一个由移动随机分配的内部IP地址，通过移动网关来实现与外部Internet公网的通信[14]。

图4 RTU向GPRS DTU传送数据流程图Fig.4 Flow chart of data transmission from RTU to GPRSS DTU

4 测试结果

为了验证系统的准确性，本文以行驶在无限航区9 500吨多用途货船为例，比较每次燃油舱燃油增加量和监控系统远传回来的燃油加装总量。此货船燃油舱容量为 501.86 m3，燃油舱燃油总量为舱容量的90%，以防止溢油。

由GPRS DTU模块远传回来的数据通过组态王显示到屏幕上，图5给出了某次燃油加装完成后的燃油数据界面。为了节约成本，瞬时流量、温度和压力值每半小时更新一次。图6为燃油舱注油量与远传回来的燃油加装总量四次比较曲线，从图中可以看出，每次比较的燃油舱注油量和燃油加装总量远传数据基本一致。

图5 燃油数据界面Fig.5 Interface of fuel data

图6 燃油舱注油量与燃油加装总量远传数据比较曲线Fig.6 Comparison curve of fuel tank increments and refueling remote data

5 结论

本文设计的远洋船舶燃油加装计量远程监控系统，从燃油加装源头开始计量监控，确保了燃油数据的准确性。利用ZigBee短距离无线传输传感器数据，避免了电缆铺设的麻烦；采用RTU远传控制终端对采集数据进行加工处理，实现了对现场信号的控制；GPRS DTU将得到的燃油加装信息远传到船东手中，保证了数据的实时性。

本系统还存在不足之处，流量计安装在无人值守的站点，输出的脉冲信号会受到船舶上一些复杂情况的干扰，出现一定的失真。另外，燃油总流量的计算只是从燃油开始加装到结束加装，没有计算每个舱的加装量。为了更好地适应要求，系统将来应采用更先进的抗干扰措施，提高系统的可靠性；与阀门遥控相结合计算每个燃油舱加装的流量，使比较结果更加明确。

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