基于云平台的船舶低压电力推进系统研究

谢鑫刚 梁静坤 钟鹏飞

（海南热带海洋学院海洋信息工程学院 海南省三亚市 572000）

2020年3月1日，中国船级社发布《智能船舶规范（2020）》，涉及实现沿海或近海无人船舶的试验/试营运提供全面的技术研发。为了实现航海设备的远程信息共享及优化控制，适应船舶智能化发展需要，以船舶低压电力推进系统为例，设计了一套基于云平台的船舶低压电力推进系统平台，在数据融合及远程控制等方面进行了优化，为船舶设备提供一种适合本地及远程监控的操作模式。为船级社提出的智能船舶能通过设备实现以远程故障诊断、数据挖掘等船岸信息交互提供实验支持。

1 系统的组成结构

船舶电力推进装置一般由原动机﹑发电机﹑电动机﹑螺旋桨以及控制单元组成，升级后的远程系统总体结构如图1 所示，系统包括硬件单元和软件单元，硬件单元由原动机带动发电机（本系统只涉及柴油机的部分参数采集），发电机带动推进电机，电机驱动螺旋桨，推动船舶航行。为了更好的模拟螺旋桨的工作状态，系统加入了模拟负载部分。软件部分包括HMI 的本地人机交互程序、云平台监控程序、PLC 采集控制程序。系统采用本地模式或远程模式切换运行，对螺旋桨进行的优化控制，本地监控模式采用触摸屏组态控制，远程监控模式采用云平台信息显示及控制，实现了基于本地和云平台的多模式监控设计。

图1 ：系统总体结构

2 硬件设计

船舶电力推进系统模拟器硬件设计中，选用西门子PLC S7-1200 系列，是一种含网络通信功能及单屏或多屏HMI 交互的自动化系统，易于设计和实施，系统自带2x COM 接口，RS232 用于和触摸屏通讯，进行人机界面交互；一个RS485串口，连接无线透传设备PLCnet500，与云端服务器进行数据交互；工业以太网接口为2x 100Mbit/s Ethernet（RJ45）。网口用于与PC 机通讯，实现控制程序的参数修改，也可为后期功能扩展提供本地开发平台。

2.1 西门子PLCS7-1200及扩展模块

PLC 编程器及扩展模块为系统的控制和检测核心器件，控制部分通过变频器控制机组的启动、停止、调速；检测部分负责采集和处理传感器的信息。

2.2 模拟量传感器

模拟实际船舶的机舱的部分监控系统，通过PLC 模块采集系统信息，同时PC 机和触摸屏可以选择性显示模拟传感器的量值，系统设有部分参数阈值，用于完成反馈和声光报警功能。

2.3 变频器模块

系统采用西门子变频器驱动电动机，变频器的调速可以采用手动调整钮或船用车钟调整；变频器与PLC 通讯，采集推动电机信息并实现对电机的控制，进而实现对螺旋桨的控制。

2.4 推进模块

系统采用西门子变频器驱动电动机，变频器的调速可以采用手动调整钮或船用车钟调整；变频器与PLC 通讯，采集推动电机信息并实现对电机的控制，进而实现对螺旋桨的控制。

2.5 上云设备

数据上云设备是实现远程监控的媒介，采用PLCnet500模块，通过有线或无线方式实现本地设备与云端服务器之间的信息交互，完成远程数据采集及控制信息的传送。

3 软件部分

3.1 本地参数检测和控制

本地参数的检测主要包括通过模拟量传感器采集柴油发电机、变频器等几个模块的参数，如滑油压力、冷却水温度、燃油进机温度，变频器的功率、推进电机电压、电流、转矩、转速等参数，通过闭环控制系统进行参数调整，软件控制流程如图2 所示。

图2 ：软件控制流程

3.2 本地组态界面

采用昆仑MCGSE 组态软件完成触摸屏及PC 机的本地组态设计，触摸屏用于系统参数显示、设置及运行模式的选择，包括传感器量程设置、传感器阈值设置、传感器的量值显示、报警记录等功能，PC 机界面功能较全，能够进行参数显示、参数设置、数据分析、PLC 程序的上载、下载、调试和仿真，组态主界面如图3 所示。

图3 ：组态主界面

系统根据螺旋桨水动力性能原理，生成螺旋桨负载特性曲线和螺旋桨反转特性曲线。在船舶正常航行时，螺旋桨的转矩T 和推力F 与转速n 之间关系如下：

式中，k为转矩系数；k为推力系数；D 为螺旋桨直径；ρ 为水密度。

根据进速比公式：

式中，v为螺旋桨进速，当船舶在静水中稳速航行，J=C 可得到自由航行特性曲线（C 为常量）；当J=0 可得到系缆特性曲线；当船速不变时，可得到螺旋桨的反转特性曲线，特性曲线均可在主界面的下级菜单进行查询和分析。

3.3 云监控平台

系统的工业云监控平台是一个可以一站式完成终端设备数据采集、实时控制、报警推送、分组管理、组态设计等功能的物联网系统，结构如图4 所示。

图4 ：云连接方式

云平台集合了虚拟资源管理、监控、软件调度及信息共享等强大功能，各功能之间通过统一的接口进行消息传送，按照物理资源层、虚拟逻辑层、监控数据采集层、数据分析处理层及最终数据展示层的5 个层次进行设计，完成信息通信和管理功能，如图5 所示。

图5 ：云监控平台层次图

本系统借助云平台的数据融合处理能力，将采集的数据直接上传到云服务器完成数据分析和远程监控。数据上云设备采用有人物联网技术有限公司PLCnet500 模块，工业级 PLC 联网设备，主要用于帮助 PLC 联网，实现 PLC 的远程组网。该设备具有主动数据采集、边缘采集的功能，并可免费适配有人云平台，可实现远程监视和控制PLC相关节点，其联网方式有网线、Wi-Fi 和4G 模式三种，并可实现不同模式间无缝切换，保证设备不掉线，接口设计有以太网接口与串口，其中以太网接口可以下接交换机来连接多个PLC/HMI（Human Machine Interface）等网络设备，功能强大。

试验中负责将系统采集的柴油发电机、变频器、推进电机的各种参数传送到云平台，云平台通过数据融合处理，以数值或二维曲线的形式在智能大屏上显示，实现实时数据监测、性能分析及报警功能。操作者可以根据参数分析结果，远程更新PLC 程序，实现对船舶电力推进系统的优化控制，特别是在动态调速方面表现出良好的响应特性。

4 系统测试及分析

为了验证系统的功能，试验设置1 号场地为海南热带海洋学院船员培训中心（本地），2 号场地为三亚航空旅游学院船员培训中心（远程），实际物理设备放置于1 号场地，主要采集数据包括主机滑油温度、主机淡水温度、主机滑油压力、柴发滑油压力、柴发冷却水温、柴油进机温度等，尽可能多的采集低压电力推进系统各参数，采集数据通过PLC串口与PLCnet500 模块连接，同时PLCnet500 模块连接1 号场地海南热带海洋学院船员培训中心（本地）网络接口，通过PLCnet500 模块采集设置与网络云平台设置，完成系统采集与云端传输、云端显示与PLC 控制。云平台端数据采集如图6 所示，同时2 号场地三亚航空旅游学院船员培训中心可通过网络连接云平台，远程实现数据采集、云平台数据显示、数据分析、运程PLC 控制等功能。通过测试，各类传感参数可在1、2 号场地同时显示采集结果与分析，实现了本地、远程的数据采集及云服务器的数据分析，同时可以完成PLC 程序远程下载、数据历史查询等功能。实验表明：系统可以实现本地及远程数据采集和处理，通过云端服务器的数据分析功能，操作者可以根据参数及时远程修改本地PLC 控制程序，实现设备远程优化控制功能，在一定程度上解决了设备操作受地域限制的问题，实现了船舶低压推进系统的远程云端监控功能。

图6 ：云平台数据采集显示

5 结论

本设计利用PLC 的数据采集及控制功能，结合变频器、推进电机及螺旋桨模拟负载，实现了船舶低压电力推进系统的设计，通过云平台，完成了船舶低压电力推进系统的远程数据可视化分析及优化控制。通过实验验证，该设计将采集数据实时传输至云平台，传输过程中数据准确率高，在远程数据分析、诊断设备故障方面表现出了较大的优势，同时可以实现远程修改并下载控制程序，实现了系统的远程监控功能，同时，由于PLCnet500 模块具有通过以太网接口连接交换机，可实现多个PLC/HMI 等网络设备的同步接入，可同时通过多个账号完成云平台端数据采集、显示与远程PLC控制，实现1 套设备本地化，多个远程平台同时使用，简少重型设备成本，同时为沿海或近海无人船舶的监控提供一种参考模式。目前，在试验过程中由于存在网络延时、网络切换等，使得远程控制功能稍有滞后，特别是变频调速的动态响应问题是未来重点研究的内容。