滕建斌 王智磊

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，青島 202168）

1 研究背景

隨著人類活動的頻繁，海洋生態(tài)環(huán)境日益受到破壞。船舶壓載水處理裝置旨在杜絕大型船舶壓載水排放給海洋環(huán)境造成污染、生物入侵等海洋生態(tài)問題[1]。船舶壓載水裝置作為大型遠洋船舶的關(guān)鍵性設備，由于遠洋船舶的航行性質(zhì)，對船舶壓載水裝置的日常維護、更新及維修提出了更高要求。

針對壓載水處理裝置遠程監(jiān)測的實際需求，需開發(fā)壓載水設備的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。船舶壓載水裝置控制系統(tǒng)建立在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[2]，需要實時獲取壓載水裝置各關(guān)鍵部件的參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)及報警信息等，并能夠通過網(wǎng)絡與壓載水處理裝置的PLC建立實時連接，將實時采集的數(shù)據(jù)回收至數(shù)據(jù)中心，方便工程師進行遠程檢測、程序更新以及在出現(xiàn)故障時第一時間定位故障點[3]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

結(jié)合現(xiàn)場需求，開發(fā)船舶壓載水裝置遠程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件端由遠程監(jiān)測智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡交換機以及壓載水控制系統(tǒng)組成。網(wǎng)絡交換機與PLC系統(tǒng)、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）以及遠程監(jiān)測智能網(wǎng)關(guān)相連，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)線實時獲取PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過4G無線網(wǎng)絡或有線網(wǎng)絡將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至云端，并經(jīng)由云端傳送至本地數(shù)據(jù)中心，具體系統(tǒng)流程見圖1。

智能網(wǎng)關(guān)及交換機安裝于壓載水系統(tǒng)控制柜，由直流電源供電，且滿足船用環(huán)境要求，外接通信天線，方便搜索網(wǎng)絡信號。當網(wǎng)絡狀態(tài)不穩(wěn)定時，數(shù)據(jù)可存儲于內(nèi)部存儲器，支持斷點續(xù)傳功能。當網(wǎng)絡穩(wěn)定時，已存儲數(shù)據(jù)可繼續(xù)上傳至云端[4]。

擬選用ECU-1251網(wǎng)關(guān)，其主要硬件性能如表1所示。

表1 主要硬件性能

2.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件部分主要分為數(shù)據(jù)獲取模塊、云端存儲模塊、可視監(jiān)測模塊與虛擬專用網(wǎng)絡（Virtual Private Network，VPN）遠程模塊。數(shù)據(jù)獲取模塊實時回收采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)由網(wǎng)絡發(fā)送至云端存儲模塊。云端存儲模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至可視化監(jiān)測模塊，經(jīng)過個性化配置，最終通過可視化看板展示數(shù)據(jù)。VPN遠程模塊通過云存儲模塊中的VPN服務器實現(xiàn)與壓載水控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。軟件系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖2。

數(shù)據(jù)獲取模塊依托于智能網(wǎng)關(guān)，在使用前需要具體設置智能網(wǎng)關(guān)。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，需要將智能網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址設置成與壓載水系統(tǒng)PLC為同一網(wǎng)段。智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)不同PLC系統(tǒng)可設置多種通信協(xié)議。以本系統(tǒng)所用的三菱Q系列PLC為例，按傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）開放供智能網(wǎng)關(guān)進行通信的端口，智能網(wǎng)關(guān)通過該端口實時獲取采集數(shù)據(jù)。以典型超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）船為例，羅列需要監(jiān)測的壓載水裝置關(guān)鍵數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)列表見表2），并在智能網(wǎng)關(guān)中配置這些數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的PLC變量。配置完成后網(wǎng)關(guān)可以通過端口實時獲取數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至云端[5]。

云端存儲模塊作為數(shù)據(jù)中心，連接數(shù)據(jù)獲取模塊與可視監(jiān)測模塊，起到存儲實時數(shù)據(jù)并作為可視化網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)后臺的作用。

現(xiàn)階段云端存儲模塊采取租用公有云服務的方式，設計依據(jù)如下。

（1）實現(xiàn)租賃資源的彈性伸縮，即前期可使用小容量的云服務器，后期隨著應用項目的增加，可在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)云服務的快速擴容，不影響已部署軟件的使用。

（2）可實現(xiàn)跨區(qū)域數(shù)據(jù)的云同步，實現(xiàn)國內(nèi)/國外多節(jié)點部署。

（3）保證服務器的高可用性，減少服務器的運營維護成本，且后期可根據(jù)數(shù)據(jù)量和安全性需求，搭建本地服務器數(shù)據(jù)庫。用于存儲實時觀測數(shù)據(jù)。充分的數(shù)據(jù)支持將提供數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)分析方法，有利于構(gòu)建更完善、功能更加系統(tǒng)的壓載水處理裝置。

可視化監(jiān)測模塊基于云端存儲模塊，在Web端搭建可視化遠程監(jiān)測網(wǎng)頁。用戶可登錄網(wǎng)頁，實現(xiàn)對壓載水設備的實時監(jiān)測。可視化監(jiān)測模塊采用InsightAPM.M2I設備聯(lián)網(wǎng)解決方案，具體流程見圖3。通過M2I平臺可以管理云端數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的連接協(xié)議轉(zhuǎn)換、遠程設置以及多租戶管理等，并根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型選擇不同的可視化儀表盤，可進行實施監(jiān)控、歷史查詢、報警推送以及3D組態(tài)畫面。M2I的核心功能是利用各種模板，其中設備模板和可視化模板最重要。

設備模板根據(jù)壓載水裝置采集的數(shù)據(jù)進行定制化設計，主要包含總覽、報警信息、設備監(jiān)控、設備信息和報表信息5個頁面。其中，總覽頁面只有最高權(quán)限的管理員用戶才能查看。可視化模板根據(jù)搭載的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的船舶進行區(qū)分，并根據(jù)具體需求選擇設備模板中的不同界面?？梢暬窗寮啥喾N可視化控件，可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型進行定制化頁面設計。

VPN客戶端通常用來連接VPN服務器，以安全通過公共網(wǎng)絡訪問私有資源。VPN遠程模塊用于遠程連接壓載水系統(tǒng)PLC，完成日常的程序維護升級和發(fā)生故障時遠程監(jiān)測程序，快速定位故障點。本模塊使用的是OpenVPN協(xié)議，可以自動生成一個帶有驗證密鑰的.ovpn文件。將文件提供給所有連接到.ovpn服務器的用戶，也可以更改OpenVPN服務器的默認設置，為特定的連接類型提供一個自定義.ovpn文件。構(gòu)建一個虛擬專用網(wǎng)絡需要構(gòu)建服務器端和客戶端，客戶端包括智能網(wǎng)關(guān)和個人計算機（Personal Computer，PC）端。智能網(wǎng)關(guān)可以通過設置OpenVPN使其作為客戶端通過虛擬專用通道與VPN服務器相連，個人計算機端安裝VPN軟件并完成相關(guān)配置即可。

3 系統(tǒng)實驗與結(jié)果分析

在青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司的壓載水培訓平臺進行車間測試，壓載水培訓平臺配備一套完整的壓載水處理裝置，包括主管路過濾器、電解單元、加藥單元、中和單元、TRO檢測模塊以及整流器等完整的壓載水處理裝置，可以根據(jù)不同需求模擬各種壓載水處理場景，驗證網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)能否及時顯示和具體的實現(xiàn)效果。

（1）測試過程中，智能網(wǎng)關(guān)采用4G無線網(wǎng)絡進行云上傳，數(shù)據(jù)包上傳周期為1 min。通過智能網(wǎng)關(guān)軟件實時監(jiān)測網(wǎng)關(guān)，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過測算在不通過網(wǎng)關(guān)進行監(jiān)測的過程中每次傳輸消耗流量約為8 kB，在連接網(wǎng)關(guān)在線監(jiān)測軟件時每次傳輸消耗流量約為61 kB，網(wǎng)絡延遲穩(wěn)定在100 ms以內(nèi)。測試結(jié)果顯示，網(wǎng)絡連接情況良好，通信延遲小，能夠?qū)崟r、穩(wěn)定、準確地接收數(shù)據(jù)。

（2）利用網(wǎng)關(guān)遠程連接PLC進行程序?qū)崟r監(jiān)測和程序的上傳下載時，監(jiān)測過程能夠做到無延遲。在進行程序更新時，由于帶寬限制會出現(xiàn)一定的延遲。經(jīng)測算，延遲時間平均為10 s，程序更新時并不影響系統(tǒng)其他功能的運行，且沒有嚴格的時效要求。在當前網(wǎng)絡環(huán)境下，該延遲在可允許范圍內(nèi)。后期將通過改變網(wǎng)絡通信方式和擴大帶寬來進一步縮小延遲。壓載水設備僅在船舶進港壓載排載時間斷運行，且遠程監(jiān)測系統(tǒng)并不需要一直啟動。經(jīng)測算，一套遠程監(jiān)測系統(tǒng)全年的預估數(shù)據(jù)量應為200 MB以內(nèi)。

（3）在測試過程中，啟動壓載水設備并模擬實船運行時壓載水的壓載、加藥、中和以及排載等工序，并實時監(jiān)測網(wǎng)頁端各參數(shù)顯示情況，根據(jù)數(shù)據(jù)上傳周期將網(wǎng)頁刷新頻率設置為1 min。如圖4所示，在壓載過程中，溫度、鹽度以及槽壓均已顯示具體數(shù)值，電解槽進口流量、主管路流量、整流器電流以及過濾器壓差以折線圖的形式顯示，方便觀察在壓載過程中參數(shù)隨時間的變化情況。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運行過程中網(wǎng)頁端各控件均可正常顯示，設備各參數(shù)數(shù)據(jù)和報警信息能夠做到及時更新，界面整潔美觀，能夠滿足工程師及時了解現(xiàn)場設備運行情況的要求。

4 結(jié)語

此種船舶壓載水裝置的遠程監(jiān)測系統(tǒng)具備關(guān)鍵數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測、系統(tǒng)程序的遠程運維以及網(wǎng)頁端顯示等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對壓載水設備的定期系統(tǒng)檢查、故障排查、軟件程序的遠程更新，減少了對壓載水設備定期維護所消耗的人力和物力成本，并能夠結(jié)合大數(shù)據(jù)收集壓載水裝置運行數(shù)據(jù)，有利于系統(tǒng)深度挖掘數(shù)據(jù)，并進一步提升壓載水裝置性能。