船舶压载水处理装置远程监测系统设计与开发

滕建斌 王智磊

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，青岛 202168）

1 研究背景

随着人类活动的频繁，海洋生态环境日益受到破坏。船舶压载水处理装置旨在杜绝大型船舶压载水排放给海洋环境造成污染、生物入侵等海洋生态问题[1]。船舶压载水装置作为大型远洋船舶的关键性设备，由于远洋船舶的航行性质，对船舶压载水装置的日常维护、更新及维修提出了更高要求。

针对压载水处理装置远程监测的实际需求，需开发压载水设备的远程监测系统。船舶压载水装置控制系统建立在可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工控系统的基础上[2]，需要实时获取压载水装置各关键部件的参数、历史数据及报警信息等，并能够通过网络与压载水处理装置的PLC建立实时连接，将实时采集的数据回收至数据中心，方便工程师进行远程检测、程序更新以及在出现故障时第一时间定位故障点[3]。

2 系统设计

2.1 硬件设计

结合现场需求，开发船舶压载水装置远程监测系统。系统硬件端由远程监测智能网关、网络交换机以及压载水控制系统组成。网络交换机与PLC系统、中央处理器（Central Processing Unit，CPU）以及远程监测智能网关相连，网关通过以太网线实时获取PLC系统数据，通过4G无线网络或有线网络将实时监测数据传送至云端，并经由云端传送至本地数据中心，具体系统流程见图1。

智能网关及交换机安装于压载水系统控制柜，由直流电源供电，且满足船用环境要求，外接通信天线，方便搜索网络信号。当网络状态不稳定时，数据可存储于内部存储器，支持断点续传功能。当网络稳定时，已存储数据可继续上传至云端[4]。

拟选用ECU-1251网关，其主要硬件性能如表1所示。

表1 主要硬件性能

2.2 软件设计

系统软件部分主要分为数据获取模块、云端存储模块、可视监测模块与虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）远程模块。数据获取模块实时回收采集的数据，经由网络发送至云端存储模块。云端存储模块将数据发送至可视化监测模块，经过个性化配置，最终通过可视化看板展示数据。VPN远程模块通过云存储模块中的VPN服务器实现与压载水控制系统的数据交互。软件系统拓扑结构见图2。

数据获取模块依托于智能网关，在使用前需要具体设置智能网关。为了实现数据交互，需要将智能网关的网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址设置成与压载水系统PLC为同一网段。智能网关根据不同PLC系统可设置多种通信协议。以本系统所用的三菱Q系列PLC为例，按传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）开放供智能网关进行通信的端口，智能网关通过该端口实时获取采集数据。以典型超大型油轮（Very Large Crude Carrier，VLCC）船为例，罗列需要监测的压载水装置关键数据（数据列表见表2），并在智能网关中配置这些数据关联的PLC变量。配置完成后网关可以通过端口实时获取数据，并将其发送至云端[5]。

云端存储模块作为数据中心，连接数据获取模块与可视监测模块，起到存储实时数据并作为可视化网页端数据后台的作用。

现阶段云端存储模块采取租用公有云服务的方式，设计依据如下。

（1）实现租赁资源的弹性伸缩，即前期可使用小容量的云服务器，后期随着应用项目的增加，可在几分钟内实现云服务的快速扩容，不影响已部署软件的使用。

（2）可实现跨区域数据的云同步，实现国内/国外多节点部署。

（3）保证服务器的高可用性，减少服务器的运营维护成本，且后期可根据数据量和安全性需求，搭建本地服务器数据库。用于存储实时观测数据。充分的数据支持将提供数据挖掘、大数据分析等数据分析方法，有利于构建更完善、功能更加系统的压载水处理装置。

可视化监测模块基于云端存储模块，在Web端搭建可视化远程监测网页。用户可登录网页，实现对压载水设备的实时监测。可视化监测模块采用InsightAPM.M2I设备联网解决方案，具体流程见图3。通过M2I平台可以管理云端数据，包括数据的连接协议转换、远程设置以及多租户管理等，并根据不同数据类型选择不同的可视化仪表盘，可进行实施监控、历史查询、报警推送以及3D组态画面。M2I的核心功能是利用各种模板，其中设备模板和可视化模板最重要。

设备模板根据压载水装置采集的数据进行定制化设计，主要包含总览、报警信息、设备监控、设备信息和报表信息5个页面。其中，总览页面只有最高权限的管理员用户才能查看。可视化模板根据搭载的远程监测系统的船舶进行区分，并根据具体需求选择设备模板中的不同界面。可视化看板集成多种可视化控件，可根据采集的数据类型进行定制化页面设计。

VPN客户端通常用来连接VPN服务器，以安全通过公共网络访问私有资源。VPN远程模块用于远程连接压载水系统PLC，完成日常的程序维护升级和发生故障时远程监测程序，快速定位故障点。本模块使用的是OpenVPN协议，可以自动生成一个带有验证密钥的.ovpn文件。将文件提供给所有连接到.ovpn服务器的用户，也可以更改OpenVPN服务器的默认设置，为特定的连接类型提供一个自定义.ovpn文件。构建一个虚拟专用网络需要构建服务器端和客户端，客户端包括智能网关和个人计算机（Personal Computer，PC）端。智能网关可以通过设置OpenVPN使其作为客户端通过虚拟专用通道与VPN服务器相连，个人计算机端安装VPN软件并完成相关配置即可。

3 系统实验与结果分析

在青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司的压载水培训平台进行车间测试，压载水培训平台配备一套完整的压载水处理装置，包括主管路过滤器、电解单元、加药单元、中和单元、TRO检测模块以及整流器等完整的压载水处理装置，可以根据不同需求模拟各种压载水处理场景，验证网页端数据能否及时显示和具体的实现效果。

（1）测试过程中，智能网关采用4G无线网络进行云上传，数据包上传周期为1 min。通过智能网关软件实时监测网关，监测数据经过测算在不通过网关进行监测的过程中每次传输消耗流量约为8 kB，在连接网关在线监测软件时每次传输消耗流量约为61 kB，网络延迟稳定在100 ms以内。测试结果显示，网络连接情况良好，通信延迟小，能够实时、稳定、准确地接收数据。

（2）利用网关远程连接PLC进行程序实时监测和程序的上传下载时，监测过程能够做到无延迟。在进行程序更新时，由于带宽限制会出现一定的延迟。经测算，延迟时间平均为10 s，程序更新时并不影响系统其他功能的运行，且没有严格的时效要求。在当前网络环境下，该延迟在可允许范围内。后期将通过改变网络通信方式和扩大带宽来进一步缩小延迟。压载水设备仅在船舶进港压载排载时间断运行，且远程监测系统并不需要一直启动。经测算，一套远程监测系统全年的预估数据量应为200 MB以内。

（3）在测试过程中，启动压载水设备并模拟实船运行时压载水的压载、加药、中和以及排载等工序，并实时监测网页端各参数显示情况，根据数据上传周期将网页刷新频率设置为1 min。如图4所示，在压载过程中，温度、盐度以及槽压均已显示具体数值，电解槽进口流量、主管路流量、整流器电流以及过滤器压差以折线图的形式显示，方便观察在压载过程中参数随时间的变化情况。经过测试，系统运行过程中网页端各控件均可正常显示，设备各参数数据和报警信息能够做到及时更新，界面整洁美观，能够满足工程师及时了解现场设备运行情况的要求。

4 结语

此种船舶压载水装置的远程监测系统具备关键数据远程监测、系统程序的远程运维以及网页端显示等功能，能够实现对压载水设备的定期系统检查、故障排查、软件程序的远程更新，减少了对压载水设备定期维护所消耗的人力和物力成本，并能够结合大数据收集压载水装置运行数据，有利于系统深度挖掘数据，并进一步提升压载水装置性能。