CN110220553A - 一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，包括传感器、PLC、网口、Anybus转换器、Anybus网关、北斗卫星通讯设备；该系统可以对船舶设备运行数据进行实时监测，先通过PLC处理数据，再用现场总线传输到交换机和北斗卫星通讯设备，利用北斗卫星作中转，将数据传输到岸上。该系统能够大大提高船舶设备运行数据采集的便捷性和可靠性，实现船岸一体化管理。

Description

一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种船舶设备数据采集与管理系统，尤 其涉及一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统。
背景技术
在船舶方面，智能化船舶是未来发展的方向，航运公司也需要能够实现船岸一体化管理的智能船舶来满足船东需求。智能化船舶更是全球智能化发展中必不可少的一环。
随着卫星通信技术的发展，我们克服了远距离传输信息的困难，能够迅速传 输大量数据信号，实现无缝对接，它是建立全球通信必不可少的手段。卫星通信 技术让远距离传输船舶设备数据从理论变成了可能。
然而由于船舶上设备繁杂，参数众多，通讯接口种类较多并且互不统一，这 对与设备数据的收集和传输造成了不小的困难。同时由于船舶机舱内设备林立， 构造复杂，容易形成反射面，使无线传输信号失真产生错误，严重影响了无线数 据传输系统在机舱内部的使用。
如果直接在机舱设置无线数据采集和发送设备，则会无法顺利传递准确的数 据，严重阻碍船岸一体化管理的进程和智能化船舶的使用。因此，根据船舶机舱 的实际环境采用不同的思路，是建立船舶设备数据采集与管理系统的重要基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据 采集与管理系统，研究通用的数据采集管理技术，解决通讯接口与无线数据传输 的问题，实现数据传输的顺畅，提升船岸一体化的通信水平。
本发明所采用的技术方案是：一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与 管理系统，其特征在于：包括传感器、PLC、网口、Anybus转换器、Anybus网 关、北斗卫星通讯设备；
所述传感器若干，分别设置在机舱集控室集控台、驾驶台、船舶电站和船舶 辅助设备处，用于采集船舶设备的运行参数，包括主机运行参数、发电机参数、 电站运行参数、锅炉运行参数、VDR运行参数；所述运行参数信号分为数字量 和模拟量；所述数字量通过数字量输入D/I模块输入，再通过数字量输出D/O模 块输出，进入到所述PLC中处理；所述模拟量通过模拟量输入A/I模块输入， 再通过模拟量输出A/O模块输出，进入到所述PLC中处理；
所述PLC处理后的数据分为两路：一路通过所述网口进入到所述交换机中与 外界设备连接；一路依次经过所述Anybus转换器、Anybus网关，进入到所述北 斗卫星通讯中。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1.统一了通讯协议和接口；
传统的船舶设备数据采集系统由于设备众多，参数繁杂，出于不同的考虑而 采用多种接口和通讯协议，给数据的采集和传输带来诸多不便。本发明把繁复的 参数、接口以及通讯协议用通用的技术统一在一起，减少数据传递和处理的时间， 同时对船舶的运营状态做到及时的监测管理。
2.解决机舱对无线数据传输的影响；
由于船舶机舱内设备林立，构造复杂，容易形成反射面，如果在机舱内部搭 建无线传输设备，会使无线传输信号失真产生错误，无法传递准确数据。本发明 采用北斗卫星通讯技术，利用CAN、Profibus-DP等数据总线，将设备数据传递 到交换机和船舶罗经甲板层的卫星通讯发射机，再通过北斗中转到岸上，规避机 舱内部设备的影响，实现船舶设备数据的顺畅传输。
3.采用双冗余的数据采集系统设计；
一路为Profibus-DP总线，连接网口和交换机，组成一套数据采集系统；另 一路为CAN总线，通过Anybus网关连接各数据采集部分形成闭环系统，此为 第二套数据采集系统。这两套数据采集系统互为备份，若一路出现问题，不影响 另一路的正常工作，大大提高了数据采集系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中单个设备的数据采集设备的结构示意图；
图3是本发明实施例中基于双冗余的数据采集系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对 本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解 释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理 系统，包括传感器、PLC、网口、Anybus转换器、Anybus网关、北斗卫星通讯 设备；
传感器若干，分别设置在机舱集控室集控台、驾驶台、船舶电站和船舶辅助 设备处，用于采集船舶设备的运行参数，包括主机运行参数、发电机参数、电站 运行参数、锅炉运行参数、VDR运行参数；运行参数信号分为数字量和模拟量； 数字量通过数字量输入D/I模块输入，再通过数字量输出D/O模块输出，进入到 PLC中处理；模拟量通过模拟量输入A/I模块输入，再通过模拟量输出A/O模 块输出，进入到PLC中处理；
PLC处理后的数据分为两路：一路通过网口进入到交换机中与外界设备连接； 一路依次经过Anybus转换器、Anybus网关，进入到北斗卫星通讯中，再通过卫 星通讯将数据传输到岸上。
本实施例的主机运行参数包括主机转速、扭矩、油耗、机舱温度、主机空气 冷却器进口温度、主机空气冷却器出口温度、主机冷却淡水进口温度、主机冷却 淡水出口温度、主机燃油进口温度、主机滑油循环柜温度、主机燃油加热器温度、 主机燃油雾化加热器温度、主机滑油进口温度、主机滑油冷却器海水出口温度、 增压器转速、增压器后排气管温度、增压器冷却淡水出口温度、增压器进气压力、 增压器排气压力、主机气缸冷却水出口温度、扫气总管温度、各缸排气温度、主 机燃油进口压力、主机滑油进口压力、主机起动空气压力、主机摇臂油压力、主 机扫气压力、主机滑油泵压力、主机高温海水泵压力、主机低温海水泵压力、燃 油增压泵压力、燃油循环泵出口压力等。
本实施例的发电机运行参数包括发电机转速、滑油进口压力、冷却淡水进口 压力、滑油进口温度、滑油出口温度、冷却淡水进口温度、冷却淡水出口温度等。
本实施例的电站运行参数包括发电机组电压、发电机组电流、发电机组功率、 发电机组频率、发电机组功率因数等。
本实施例的锅炉运行参数包括锅炉水位、锅炉炉膛温度、蒸发量、出口蒸汽 压力、蒸汽温度、燃料消耗量等。
本实施例的VDR运行参数包括船位、航向、航速、主机参数、舵令、应答、 安全参数、VHF、雷达数据等。
本实施例的机舱集控室是放置船舶主机和重要辅助设备(即辅机)的集中控 制、监测报警和通讯设施的舱室，而集控台则是集成了上述功能设备的集中控制 台。
本实施例的船舶驾驶台又名驾控台，是船舶的驾驶室。该舱室一般位于船舶 上层建筑最高层，安装有各种船舶驾驶控制设备。
本实施例的船舶电站是整条船舶的电力系统控制设备集成处，集成了各种发 电机、负载的开关。
本实施例的VDR即航行数据记录仪，也就是我们通常称的“黑匣子”，用于 在船舶发生事故后的数据还原。
本实施例的主机即船舶主柴油机，为船舶的推进动力设备，通过中间轴或尾 轴带动螺旋桨。
本实施例的遥控系统包含了主机和辅机的遥控设备，可在驾驶台和集控室实 现远程控制，均通过有线遥控。
本实施例的船舶辅助设备即辅机，包括发电机、锅炉等设备。船上发电机以 发电机组的形式设置，一般为柴油发电机。锅炉为船舶的动力设备提供蒸汽，需 要注意的是，此处的动力设备非船舶的推进动力设备，而是动力管系。
本实施例的数据信号分两种：数字量和模拟量。数字量定义为：在时间和数 值上都是断续变化的离散信号。最基本的数字量就是0和1，反映到开关上就是 指一个开关的断开是0或接通是1状态。数字量输入输出信号就是开关量信号， 1或者0。
模拟量信号是在时间和数上都是连续变化的信号，经各类传感器传送过来的 电压、电流、温度，频率等信号即为模拟量。比如用压力传感器检测锅炉压力， 它会输出一个模拟信号4--20mA或者0-10V的信号给PLC，PLC来进行数据处 理。而本文采用的西门子S7-200系列PLC则是模拟为4-20mA电流信号。
如果传感器测的是遥控系统里的开关量，则数据会走数字量输入输出这条通 道：通过数字量输入(D/I)模块输入，再通过数字量输出(D/O)模块输出，进入 到PLC中。
如果传感器测的是压力或者温度这种连续变化的信号，则数据会走模拟量输 入输出这条通道：通过模拟量输入(A/I)模块输入，再通过模拟量输出(A/O)模块 输出,进入到PLC中。
本实施例的交换机是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，即网络交 换机，用于交换通信网络的数据信息。以华为交换机为例，可通过上行GBIC接 口、上行SFP接口、上行RJ45接口、上行VDSL接口或下行模板接口与其余设 备相连，可插光接口板或电接口板，主要为兼容3526F，3526EF，3552F等老产 品。即可通过对应通讯协议接口的储存设备将数据转移出来或转移进去，就像U 盘插入主机中一样。
本实施例的PLC为西门子PLC，统一采用西门子S7-200系列，每个船舶设备 对应设置一个。其作用是对收集来的船舶设备数据完成数/模(D/A)转换、模/ 数(A/D)转换、数据处理、通信联网、实时监控等功能。
本实施例中，PLC处理后的数据，通过串口通信协议或Modbus通讯协议或 控制器后分成两路。
本实施例的串口通信协议为RS485串口通讯协议，用于为串行通信方式提供 扩展接口；接口协议采用标准的RS485串口通信协议，其中，波特率：9600bps； 起始位：1位；数据位：8位；停止位：1位；无奇异校验位。
本实施例的Modbus通讯协议的作用是为众多工业设备提供一种通用语言。Modbus协议详细定义了数据帧格式，是特定数据交换的必要内容。Modbus协议 只允许在主机和从机之间通讯，而不允许数据在独立的从机之间交换。
本实施例的网口之间通过Profibus-DP总线连接形成一个环形网络，这个环 形网络再连接到交换机。
本实施例的Anybus网关之间，以及Anybus网关与北斗卫星通讯设备之间， 均通过CAN总线连接通信。
Anybus网关的作用是允许工业设备通过有线或者无线的方式和任意现场总 线进行通讯协议转换。它通过内部的数据缓冲区将一种协议总线上的数据先读到 内部缓冲区，再将它们按照需要的协议发送出去，从而完成不同协议间的交互通 讯。通过网关内部的缓冲区实现网络上的自动化设备和PLC之间的数据交换。对 于两侧网络来说网关内部数据区中的输入/输出数据都是经过解包的纯数据。这 允许现场总线与速度相对较低的串行接口相接，对上层无需做任何限制。
本实施例的北斗卫星通讯设备的作用是发送和接收采集的船舶设备数据。
单个设备的数据采集设备的结构示意图如图2所示，由传感器、西门子PLC、 串口通信、Modbus通讯协议组成。从船舶设备处经传感器采集到的数据经过西 门子PLC处理后，通过串口通信协议或Modbus通讯协议或控制器后分成两路： 一路接串口通信/Anybus转换器或Modbus/Anybus转换器或控制器/Anybus转换 器，数据流向Anybus网关和CAN总线，最终进入北斗卫星通讯设备；另一路跟 网口相连，数据流向Profibus总线和交换机。
基于双冗余的数据采集系统结构如图3所示，细点虚线为Profibus-DP总线， 连接网口和交换机，组成一套数据采集系统；双箭头实线为CAN总线，通过Anybus 网关连接各数据采集部分形成闭环系统，此为第二套数据采集系统。这两套数据 采集系统互为备份。来自机舱集控室、驾驶台、船舶电站和船舶辅助设备的实时 参数经过DI/DO或者AI/AO两个模块后进入西门子PLC中。
经处理到达控制器并分为两路：一路传到网口，把数据送到交换机中；一路 经过控制器/Anybus转换器到Anybus网关，进入CAN总线中。主机/遥控系统通 过Modbus采集数据，然后分为两路：一路经Modbus/Anybus转换器传到CAN总 线；一路经网口传递到交换机。来自VDR、发电机和锅炉的参数分别由各自的采 集设备采集，经过串口通讯同样分为两路：一路通过网口进入到交换机中；一路 通过串口通讯/Anybus转换器进入CAN总线。
本实施例的CAN总线网络可根据协议探测和纠正数据传输过程中因电磁干 扰而产生的数据错误。所采用的滤波算法为算术平均滤波，即连续取N次采样值 后进行算术平均。连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时，信号平滑 度较高，灵敏度较低；N值较小时，信号平滑度低，灵敏度较高。
本发明专利提供的一种基于北斗的船舶设备数据采集与管理系统，研究通用 的数据采集管理技术，解决通讯接口与无线数据传输的问题，实现数据传输的顺 畅，提升船岸一体化的通信水平。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是 对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不 脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发 明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，其特征在于：包括传感器、PLC、网口、Anybus转换器、Anybus网关、北斗卫星通讯设备；
所述传感器若干，分别设置在机舱集控室集控台、驾驶台、船舶电站和船舶辅助设备处，用于采集船舶设备的运行参数，包括主机运行参数、发电机参数、电站运行参数、锅炉运行参数、VDR运行参数；所述运行参数信号分为数字量和模拟量；所述数字量通过数字量输入D/I模块输入，再通过数字量输出D/O模块输出，进入到所述PLC中处理；所述模拟量通过模拟量输入A/I模块输入，再通过模拟量输出A/O模块输出，进入到所述PLC中处理；
所述PLC处理后的数据分为两路：一路通过所述网口进入到所述交换机中与外界设备连接；一路依次经过所述Anybus转换器、Anybus网关，进入到所述北斗卫星通讯中。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，其特征在于：
所述主机运行参数包括主机转速、扭矩、油耗、机舱温度、主机空气冷却器进口温度、主机空气冷却器出口温度、主机冷却淡水进口温度、主机冷却淡水出口温度、主机燃油进口温度、主机滑油循环柜温度、主机燃油加热器温度、主机燃油雾化加热器温度、主机滑油进口温度、主机滑油冷却器海水出口温度、增压器转速、增压器后排气管温度、增压器冷却淡水出口温度、增压器进气压力、增压器排气压力、主机气缸冷却水出口温度、扫气总管温度、各缸排气温度、主机燃油进口压力、主机滑油进口压力、主机起动空气压力、主机摇臂油压力、主机扫气压力、主机滑油泵压力、主机高温海水泵压力、主机低温海水泵压力、燃油增压泵压力、燃油循环泵出口压力；
所述发电机运行参数包括发电机转速、滑油进口压力、冷却淡水进口压力、滑油进口温度、滑油出口温度、冷却淡水进口温度、冷却淡水出口温度；
所述电站运行参数包括发电机组电压、发电机组电流、发电机组功率、发电机组频率、发电机组功率因数；
所述锅炉运行参数包括锅炉水位、锅炉炉膛温度、蒸发量、出口蒸汽压力、蒸汽温度、燃料消耗量；
所述VDR运行参数包括船位、航向、航速、主机参数、舵令、应答、安全参数、VHF、雷达数据。
3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，其特征在于：所述PLC处理后的数据，通过串口通信协议或Modbus通讯协议或控制器后分成两路。
4.根据权利要求3所述的基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，其特征在于：所述串口通信协议为RS485串口通讯协议，用于为串行通信方式提供扩展接口；接口协议采用标准的RS485串口通信协议，其中，波特率：9600bps；起始位：1位；数据位：8位；停止位：1位；无奇异校验位。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，其特征在于：所述网口之间通过Profibus-DP总线连接形成一个环形网络，这个环形网络再连接到交换机。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的基于北斗卫星通讯的船舶设备数据采集与管理系统，其特征在于：所述Anybus网关之间，以及Anybus网关与北斗卫星通讯设备之间，均通过CAN总线连接通信。
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