新型四极式冷藏箱监测系统研究及应用

沈 恺，严兴春，陈 驹

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴214433)

0 引言

随着国际贸易和集装箱运输的迅速发展，进出沿海港口的集装箱船舶和各类型的集装箱数量日益增多，冷藏集装箱运输也越来越发达。由于传统的人工监测冷藏箱的运作状态的方法，极易发生差错，因此对全冷型集装箱船建立一个先进的冷藏集装箱遥控监测系统是极其重要的。

本文对冷藏箱监测系统的几种类型进行分析，并结合某冷藏集装箱船的装载航线、装载工况及相关规范要求，通过机舱监测报警系统集成研究，在常规四极冷藏监测系统的方案基础上，详细分析新型四极式冷藏箱监测系统的应用过程。

1 系统分类

根据目前国内外集装箱船已经安装的冷藏集装箱监测系统情况，遥控监测系统一般分为电力载波(PCT)式和四极监测式。电力载波式主要是利用船舶电站自带的电力电网传送数据，能极大地节省信号传输电缆，但对电网的要求很高。四极监测式由于冷箱上的四极信号传输是独立组网的,整个信号传输系统不会被船舶其他系统干扰,系统稳定性较高，但配套设备较多,尤其是每只冷藏集装箱都需有一条四芯电缆,且相应的信号输入输出设备数量也较多,投资相对较大[1]。2个系统的数据传输形式见图1。

图1 冷藏箱数据输出的2种形式

另外，还有串口通信的监测方式。该系统虽然采集内容丰富，但需要按照各大集装箱厂商的协议标准进行设计，且造价昂贵，一般只用于码头。

1.1 四极监测系统

四极监测系统主要是将冷藏集装箱的信号由集装箱自带的四芯插座通过船上敷设的多芯电缆传输给就地布置的输入输出模块采集箱，再通过TCP/IP或RS485通讯方式将采集到的数据信号传输到船舶冷藏箱遥控监测主站内的中央数据处理系统进行分析处理。中央数据处理系统主要是对采集到的冷藏箱状态进行分析对比，对不符合要求的冷藏箱进行报警提示，并给出具体分析数据，便于船员进行管理，同时对于先前的历史记录信息进行归纳分析。

四极监测系统主要传输冷箱中3个主要信号，即冷藏箱解冻状态、压缩机的运行状态及冷藏箱温度正常状态。这些信号常规都是AC 24 V有源信号。因此，在采集过程中要注意模块的输入电压。除了上述这些信号，还有一个是与冷藏箱接地线之间的电缆连接，用于判断冷藏箱是否与监测系统正常连接。不难看出，温度正常状态信号是最重要的，一旦检测到异常，整个系统会发出相关报警，其他只是作为辅助信息提供给船员观察。如：解冻(融霜)可用来抑制温度报警(融霜时温度会偏离正常值)， 而制冷压缩机的长时间连续运行(压缩机运行)在低温模式下则预示集装箱内有故障[2]。

1.2 PCT监测系统

电力载波式系统首先将冷藏集装箱的相关数据调制到一个高频载波上；然后经过功率放大器通过耦合电路耦合到冷藏箱的三相电源系统中，经电源电缆直接传输到监测系统中的解调模块箱中，由一个或多个主调制解调器将其解调出来；最后通过现场总线系统传至船舶冷藏箱遥控监测中心。电力载波式系统的传输过程，仅仅是通过已有的电源电缆进行信号传输，不需要额外的采集信号电缆，避免了因额外的信号电缆而出现的相关问题。

相比四极监测系统，电力载波式系统数据传输量是不受任何限制的，可以将冷藏箱上所有的数据传输至集控中心，而且这种信号传输是双向的，即：远程监测系统不仅可以接收冷藏集装箱的数据；还可以对冷藏集装箱的温度点等进行远程修改；也可以前期在船上或码头上就对冷藏集装箱进行自检，在一个航次结束后再读取数据记录仪的信息，从而更节省成本[3]。但电力载波系统也面临技术上的困境。随着冷藏集装箱船规模的增大、船用变频设备的增多，电力载波这种信号传输方式愈发不稳定，其信号易受干扰的缺点无法从根本上解决。

2 系统集成研究与分析

某冷藏集装箱船航线主要是南美至北美的航线，航线固定，行程相对较短。同时，船东有自己的码头堆场，所有的集装箱数据在船上都有存档。对于冷藏集装箱来说，最重要的监测数据其实就是冷藏集装箱是否运行在正常温度范围内，其他很多监测数据只是起到一些辅助作用。另外，该船东装运的货物主要是一些水果。对于这样的航线行程及货物运输，冷藏集装箱船上的实时遥控监测数据要求并不高。

为此，本文结合监测报警系统软硬件的分析，提出了一种新型的四极监测系统。

2.1 硬件通道分析与选用

监测通道是监测系统最重要的结构元素，用于实现大多数系统的采集和运算功能。通常，一个监控的主要任务通道的作用是监视一个值，并在适用的情况下生成事件和/或告警，因此，通道的选用非常有必要。监测通道一般分为硬件通道和软件通道，而硬件通道是现场处理装置(FPD)实际的物理输入和输出通道与外部传感器连接，如接触器和传感器。其中二进制报警通道是用来监控交换机或其他二进制信号及二进制报警可选择的通道，当开关打开或关闭时发出报警。一个二进制报警通道进入报警状态时，监控的报警信号犹如一个开关，已预先设定了延迟时间。当监控信号一直存在时，通道离开告警状态超过另一个预定义的延迟时间(开/关延迟)。二进制通道可以检测2个状态值之一，如运行或停止，这是由一种开关或由不同的二进制输入信号来决定的。

本文选用的BI.40-INT-EXT-E是一种具有监测和接地故障检测功能的40路二进制输入模块。该模块分为20个内部供电模块通道和20个外部供电通道。20个通道均设有断线监控和通用接地故障检测器，20个外部通道是电隔离的，这些模块只能接收开关量信号，而冷藏箱输出的是AC 24 V的有源信号，所以还需增加转换模块，见图2。通过A1、A2端输入AC 24 V“正常温度内”信号，再通过11端子和14端子输出信号给采集模块，以便于系统能正常接收并及时处理该信号。

A1、A2、11、12、14—端口。图2 转换模块原理图

2.2 软件通道分析

输入信号和输出信号，一般指监控(软件)通道。与硬件通道不同，监控通道(内部软件通道)是一种软件，它需要实现以下功能：

(1)读取硬件输入。

(2)将输入值/状态转换为可理解的信息。

(3)将该值/状态与预先设置的告警限制/状态进行比较。

(4)发布告警。

当系统检测到报警时，则通过监控通道发出报警。该报警系统由可听的蜂鸣器或喇叭信号和可视信号组成。可视信号包括报警LED和各种类型的文本显示。响应报警通知，船员必须停止蜂鸣器或喇叭和确认警报，并确认警报内容。如果船员没有在可配置的时间内响应警报通知，系统将该警报通知输出至所有操作人员，在所有轮机员、领航员、操作人员的舱内呼叫，即宣布警报所有的公共房间都要注意警报。然而，在系统运行中，仍然有可能改变一些监控通道参数，如限值和报警延迟。

二进制通道可以使用1个或2个输入信号。如果使用2个输入信号，则监控状态可以由多个不同的逻辑条件定义输入信号。逻辑条件是船员在定义通道时选择。信道的输出值也可以用手动输入。“n”输入分别为A和B，“high”表示告警或事件状态“on”，见图3。

图3 二进制通道逻辑图

图3中的条件具有以下含义：

①单路输入：高时为高输出值与输入值相同；

②NOT:单输入，输出低时高；

③AND:如果A和B的地位高，则为高；

④XOR:当A或B的地位高时为“高”；

⑤OR:当A与B不同时为高；

⑥XNOR:当A等于B时为高。

根据上述分析，本文制定如下监控状态：K1为冷藏箱插座断路器的脱扣信号触点，K2为冷藏箱插座断路器的合闸信号触点，K3为冷藏箱“正常温度内(IN RANG)”AC 24 V信号触点，并采用绿、红、白3个颜色来表示该冷藏箱的运行状态，见图4。

图4 冷藏箱监测状态

2.2.1 状态1

冷藏插座断路器合闸。触点K2闭合，触点K1断开。冷藏箱“正常温度内(IN RANG)”信号处于监测状态。当K3触点闭合，系统则没有温度报警，冷藏箱处于正常工作状态，同时MIMIC图上冷箱图标颜色转为绿色。

2.2.2 状态2

冷藏插座断路器合闸。触点K2闭合，触点K1断开。冷藏箱“正常温度内(IN RANG)”信号处于监测状态。当K3触点断开，系统则将会报警，报警将被打印，冷藏箱处于异常状态，同时MIMIC图上冷箱图标颜色转为红色。

2.2.3 状态3

冷藏插座断路器跳闸。触点K2断开，触点K1闭合。由于开关跳闸，冷藏箱电源被切断，“正常温度内(IN RANG)”信号处于监测状态， K3触点断开，系统则将会报警，报警将被打印，冷藏箱处于异常状态，同时MIMIC图上冷箱图标颜色转为红色。

2.2.4 状态4

冷藏插座断路器分闸，触点K2断开，触点K1断开。冷藏箱“正常温度内(IN RANG)”信号处于非监测状态， K3触点断开，系统不会出现报警，冷藏箱处于关闭状态或该位置没有冷箱，同时MIMIC图上冷箱图标颜色转为白色。

对上述4种监测信号的状态进行整理，见表1。从中可以看出其实系统只需识别3种状态，即正常运行、报警及关闭状态。其中，插座故障和冷箱故障都会导致K3触点断开，所以状态2和状态3可以合为一个报警，无需加以区分。因为一旦报警船员都需到就地查明原因并处理报警。

表1 冷藏箱监测信号状态

2.3 整个系统硬件配置

整个系统主要由操作站(或称总站)、现场控制站(或称分站)和通信总线3部分组成。该系统主要实现报警和监视显示、打印记录、自检和故障诊断功能。

全船冷箱监测报警装置的总容量近2 000点，如此多的信号采集需要稳定的采集模块及合理布置位置，根据冷藏箱的分布状况及就近布置采集箱的原则。全船按照冷箱布置排号(BAY)进行分配，共9个采集分站。

操作站部分包括1台电脑、1台打印机、1台UPS及1套硬件防火墙。操作站用于监测冷藏集装箱，通过TCP网络总线接收DPU模块送出的现场信息，并可向DPU模块发送指令、参数和程序。操作站一方面可以监控每个连接到DPU模块的通信，并对DPU模块的所有数据进行备份；另一方面通过防火墙将冷藏监测数据传输到装载计算机电脑。该冷藏集装箱船有别于其他船，是由装载计算机来接收冷藏监测数据并进行装载分析的。

整个操作站可实现如下功能：

(1)通过TCP总线和DPU模块进行双向数据传送，即从DPU模块接收数据或向DPU模块传送指令、数据和程序。

(2)所有报警信息的显示、监测及应答。操作站同样可以作为系统的数据库，用于操作站和不同DPU模块的软件储存在操作站的PC机中。当现场变量或状态发生变化时，DPU模块将刷新每个操作站中的数据库，这就意味着在任何一个操作站上显示的数据总是最新的。

另外，该系统还配有7块冷藏箱监测延伸报警板，主要布置在桥楼驾驶室、冷箱操作员舱室和相关人员出没的公共处所，以便于工作人员及时了解冷藏箱的运行状况。该延伸报警板具有LCD显示功能，除了报警组显示功能外，还能详细查看每个报警的具体信息和各个输入输出通道的当前状况。

2.4 数据通讯

数据通讯系统同样与装载计算机进行共享数据，不同于其他项目，是将监测数据通过TCP/IP通讯方式，将相关数据实时传输到装载计算机。装载计算机根据现有的装载方案直接在电脑上自动对比，省却了人工操作的繁琐。在驾驶室同样配置了1台装载电脑，相关人员可以同时在驾驶室和船舶办公室进行装载方案的对比。装载计算机通讯接口图见图5。

图5 装载计算机通讯接口图

2.5 经济性分析

本文提出的新方案比常规的四芯接口系统节省1～2个信号监测点，冷箱数越多，节省的采集模块和电缆长度更多。同时，相比于PCT系统，新方案实施更方便。由于PCT模块的集装箱装箱率目前为止还是很低，如果冷藏集装箱本身没有PCT模块的话，需在插座箱里或者采集站增加PCT模块，但是PCT模块价格昂贵，前期投入会非常大。本文采用的新型四极式冷藏箱监测系统相比于常规系统节省了10多万美元/船。两者物量对比见表2。

表2 各监测系统的物量对比表

3 结语

新型四极式冷藏监测系统集成采用的是Platinum监测系统。该系统完全可以将整个冷藏箱监测系统集成到机舱综控系统中。对于一些支线箱船，可以根据船东需求、实际的运行工况及前期投入的成本来制定具体的冷藏箱监测方案；同时，可以集成到机舱监测报警系统及装载计算机中，简化工作站的硬件配置，方便船员操作和管理流程。此外，还能在前期投入方面节省很多费用。