简谈渡船汽渡船数据采集与监控体系运用研究

论文导读：08-0009-03根据汽渡船的自身特点和船舶机舱自动化系统的具体要求，对汽渡船的发电机组、主机、舵浆、离合器、跳板等船用重要设备状态建立完善的监控体系，包括运行参数显示、故障报警及诊断、历史数据和报警信息存储、查询，数据报表打印等。可以代替大量繁重的人工操作，减少频繁操作和减轻人员疲劳，有助于提高工作效率，在
摘要：渡船相关数据的采集是故障诊断和监控系统设计的关键之一，这些数据具有复杂性和多样性，利用普通的AD转换器对信号进行采集其准确性不高，通道数也受到限制。基于以太网的数据采集系统可以解决多通道和高精度问题。系统硬件采用双路监测报警系统，互为补充，采用网络型结构，并选取具有以太网接口的ADAM-5000/TCP数据采集模块，避免了设备接口的转化问题，使系统架构变得简单、快速。软件系统完成了参数显示、报警输出、故障诊断、曲线绘制、参数设置等功能。经实船运行，系统具有性能稳定、可靠性高、易于实现和操作等特点，达到机舱自动化的设计要求。
关键词：船舶机舱 故障信号 数据采集 监控 设计
1007-9416（2013）08-0009-03
根据汽渡船的自身特点和船舶机舱自动化系统的具体要求，对汽渡船的发电机组、主机、舵浆、离合器、跳板等船用重要设备状态建立完善的监控体系，包括运行参数显示、故障报警及诊断、历史数据和报警信息存储、查询，数据报表打印等。可以代替大量繁重的人工操作，减少频繁操作和减轻人员疲劳，有助于提高工作效率，在降低船舶维护成本的同时，提高操作的安全性和系统的可靠性。
1 机舱数据采集与监控系统硬件组成
系统的硬件组成如图1所示，系统中，计算机网络监控系统涉及要监控的所有模拟量和开关量。可编程系统主要用于常规报警和延伸报警，涉及一些重要的开关量监控点，如舵桨交、直流失电等。工控机的数据采集是通过与数据采集模块间的TCP/IP通讯完成的，两台主机及两个模块均设定了IP地址，通过交换机组成基于TCP/IP的局域网络[3]。两台工控机可以同时通过局域网访问数据采集模块的以太网端口读取监测数据。传感器所输出的模拟量经过32位的A/D转换[5]，写入模块特定寄存器中，局域网中的工控机可以通过调用模块所提供的动态链接库（DLL）程序，访问模块的接口，按一定顺序读取所需数据。对于开关量数据，本模块支持开关量的输入/输出，数据的读取与输出同样可以通过调用动态链接库程序实现，但是输出时的电流较小，需外加DC24V驱动。
2 机舱监控系统软件设计

2.1 设计思想

系统软件采用模块化程序设计[6]，分为监控组态模块、数据库操作模块、报警模块、数据通讯接口模块、数据库访问接口模块、数据库查询打印操作模块以及其他功能模块等。监控系统通过数据库访问接口从数据采集模块获取采样数据，并对采样数据进行分析、处理，处理后的数据保存在系统数据库中[7][8][9]。当发现有报警时则调用报警模块提供声光报警，并通过数据库通讯接口将报警信息记录到报警数据库中，供查询、分析使用，必要时可以使用历史曲线绘制等其他功能。处理的数据还可以通过数据通讯接口供局域网中的其他用户使用。由于系统使用的数据采集模块是32位的ADAM-5000/TCP转换器，精度非常高，而且在对温度、转速等模拟量进行测量时，还配有补偿输入端，进一步提高了采集数据的精度，因此实际输入精度取决于各被监控设备的参数输出精度。软件对于设备的采样频率设定为2Hz，所以系统故障报警延迟约为0.5秒，主模块程序流程如图2所示。

2.2 数据采集与通信功能实现

2.1 连接数据采集模块

（1）网络设置：
（2）初始化数据采集模块：启动模块的测试软件，检测到两个模块后设置模块的采集时间间隔为100ms，满足数据快速更新的要求以便程序调用。
（3）数据采集子函数（）：
①程序中调用连接DLL函数
均设定为2000，根据IPAddress的不同分别连接两个模块。
②程序中调用读值DLL函数或
根据参数类型的不同，分别调用⑴或⑵式读取模块寄存器中的模拟量数值或开关量状态（0或1）。
③判断连接状态。程序设定连接次数（nLS）不超过10次（nLianJie=10），否则关闭模块并退出，同时主界面标题栏显示“未连接数据采集模块”字样发出提示信息。

2.2 采集频率设定

将程序段放到子过程中运行，由时钟（）控件控制，在控件的属性中设定即0.5s运行一次，采样频率即为2Hz。

2.3.3 读取采样值

以压力信号为例：信号为4～20mA的电流信号，最大为20mA，最小为4mA，一般正常信号应在4～20mA之间，根据此理论，可论文导读：源于：论文的写法www.7ctime.com上一页12
以用如下线性关系公式计算压力的实际值。程序如下：
变量表示计算机的读入值；变量表示模拟量的实际值；为表头的量程范围。

2.3 粗差数据剔除算法

船舶系统存在如工频、发动机、机械振动等严重的干扰，这些干扰信号对实测数据产生一定的影响，如不有效滤除这些粗差数据，将大大降低数据处理的精度，甚至无法正确进行船舶故障诊断。
在足够小的时间段内的几个连续采样值的间隔应相差很小，一阶差分法的提出就是源于：职称论文www.7ctime.com
基于这种假设。设某时刻前一时刻的实测值为，该时刻预估值为，实测值与预估值的差值应较小[10]，在采样频率大于物理变化的最高频率的情况下，满足：
设采样数列为，，…，，…，，通过下列运算可得新数列
将数列从小到大排序后得到数列，其中，取n/4为整数N，并做下列运算：
若数列存在某个元素使，则将对应的及其后的值都剔除，数列剩下来的点的平均值即为。

2.3 报警与历史曲线功能实现

2.3.1 报警功能实现

采用数值越限报警方法，系统将采集处理后的参数数值与其参考值比较，得出其状态是否报警，若报警则跳转到相应的界面，并提供声光报警等输出。用变量表示模拟量的初始状态，变量表示模拟量的当前状态，用1表示处于报警状态，其他值表示非报警状态。如果发现为当前状态报警，初始状态不报警（或报警），则把置为1，指示灯变为闪烁3（或一直处于红色状态1），进行报警，信息提示框显示报警字样；若当前状态为不报警，初始状态报警，则把置为0，灯由红色1变为白色0，信息提示框显示恢复正常字样；否则，灯的颜色保持0不变。闪烁时按下消音按钮后则灯一直处于红色状态，直到恢复正常变为白色为止。 源于：论文的写法www.7ctime.com