基于 PLC 的机舱报警监控系统的设计与故障诊断分析计算机专业

1、基于 PLC 的机舱报警监控系统的设计与故障诊断分析Design and Fault Diagnosis Analysis of Engine Room Alarm Monitoring System Based on PLC摘要机舱报警监控系统作为船舶自动化的重要部分，它能及时准确的反映出机舱内各动力设备、控制设备以及机电设备的运行状态，只要系统检测到所监测设备运行发生故障或者异常，该系统会触发报警机制，启动声光报警与并通过延伸报警板通知其他值班舱室，同时所有报警状态将被记录并打印出来。系统会实时监测机舱各个监控点的参数状态，各个监视屏上都会显示相关运行信息，使操作者能清楚的了解到船舶实时的

2、运行状态。这些显示屏通常安放在集控室或者延伸报警面板上。本文以镇江亿华系统集成有限公司与天津航道局合作研发的“通途”号耙吸挖泥船改造项目为基础， 从理论与实践相结合的角度来设计出一套完整的机舱报警监控系统及其故障诊断系 统。论文首先介绍了机舱报警监控系统的发展背景与意义，结合系统本身的基本功能与设计要求，阐述国内外对该系统的研究现状并给出总体的设计方案。系统下位机采用西门子的S7-400 作为控制器，其中数据采集与PLC 的CPU 模块之间采用PROFIBUS 总线通讯，上位机与 PLC 模块之间采用工业以太网实现数据共享。编程软件采用西门子公司开发的 Step-7 软件，实现硬件组态以及网络

3、结构的创建，编程语言采用梯形图语言的方式，简单易懂，直接明了，整个系统采用模块化的编程思想，涉及到 OB 模块、DB 模块、FB 模块以及 FC 模块。其次将从理论的角度设计出一套以神经网络算法为主的新型故障诊断系统。该部分将详细研究 BP 网络算法，RBF 网络算法以及 ELMAN 网络算法的模型结构、参数设置、训练函数以及每个函数各自的优缺点。其中故障诊断对象为船舶增压系统，通过对历史数据的拟合对网络模型进行训练，再将采集数据作为网络模型的输入，实现对系统故障的识别以及预测的效果。最后将针对神经网络模型自身存在的缺点，设计出以遗传算法为主的优化方案， 利用遗传算法收敛性强的特点对神经网络的

4、阈值以及权值进行优化，使得神经网络的预测精度提升，提高故障诊断的准确性，达到最优的预测结果。关键词：监控系统 S7-400 总线通讯 神经网络 故障诊断 遗传算法IAbstractThe nacelle alarm monitoring system is an important part of ship automation. It can accurately and accurately reflect the operating status of various power equipment, control equipment and electrical equipment

5、in the nacelle. As long as the system detects that the monitored equipment has malfunctioned or is abnormal, the system will trigger The alarm mechanism activates sound and light alarms and informs other duty cabins by extending the alarm board. All alarm conditions are recorded and printed out. The

6、 system will monitor the parameter status of various monitoring points in the cabin in real time. The relevant operation information will be displayed on each monitoring screen, so that the operator can clearly understand the real-time operating status of the ship. These displays are usually placed

7、in a central control room or an extended alarm panel. Considering the backwardness of our country's relevant technologies in the current large environment, after reading the literature on the cabin monitoring system of the relevant ship, this paper will design a set of ship cabin alarm monitorin

8、g systems that are feasible and meet relevant regulations.The thesis first introduces the background and significance of the cabin alarm monitoring system, combines the basic functions and design requirements of the system itself, elaborates the research status of the system at home and abroad, and

9、gives the overall design plan. The lower computer of the system adopts Siemens S7-400 as the controller, in which data acquisition and PLC CPU module use PROFIBUS communication between the host computer and the PLC module using industrial Ethernet to achieve data sharing. The programming software us

10、es Step-7 software developed by Siemens to realize the hardware configuration and the creation of the network structure. The programming language adopts the ladder language method, which is easy to understand and straightforward. The whole system adopts a modular programming concept and involves OBs

11、. Modules, DB modules, FB modules, and FC modules.After the system is designed, a new fault diagnosis system based on neural network algorithm will be designed from the theoretical point of view. This part will study the model structure, parameter setting, training function of BP network algorithm,

12、RBF network algorithm and ELMAN network algorithm in detail as well as the respective advantages and disadvantages of each function. The fault diagnosis object is the ship supercharging system. The network model is trained by fitting the historical data, and the collected data is used asVIIthe input

13、 of the network model to realize the recognition of the system failure and the effect of the prediction.In the end, aiming at the shortcomings of the neural network model itself, an optimization scheme based on genetic algorithms is designed. The genetic algorithm is used to optimize the thresholds

14、and weights of the neural network based on its strong convergence characteristics, so that the prediction accuracy of the neural network is improved. Improve the accuracy of fault diagnosis and achieve optimal forecast results.Keywords: Monitoring System, S7-400, Field bus Communication,NeuralNetwor

15、k,Fault Identification,Fault Prediction,Genetic Algorithm目 录摘要IAbstractII目 录VContentsIX第 1 章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 机舱报警监控系统国内外发展现状11.2.1 集中型监视系统21.2.2 集散型监视系统21.2.3 全分布式系统31.2.4 现场总线型监控系统31.3 船舶故障诊断系统国内外发展现状31.3.1 智能化船舶诊断41.3.2 信号处理技术41.3.3 综合船舶诊断技术41.4 课题主要研究内容4第 2 章 机舱报警监控系统总体结构设计72.1 机舱报警监控系统的功能与要

16、求72.1.1 系统基本功能72.1.2 技术标准以及规范要求82.2 系统总体框架设计92.3 机舱报警监控系统的硬件介绍102.3.1 电缆的选型102.3.2 UPS102.3.3 网络设备102.3.4 报警打印机112.4 本章小结10第 3 章 机舱报警监控系统的下位机以及界面设计133.1 下位机 PLC 介绍133.1.1 PLC 概述133.1.2 PLC 模块选择143.2 PLC 程序以及控制流程设计153.2.1 PLC 编程语言种类介绍153.2.2 PLC 硬件组态163.2.3 PLC 编程设计183.2.4 控制流程设计223.3 系统通讯网络结构设计233.3

17、.1 PROFIBUS 现场总线技术介绍233.3.2 PROFIBUS-DP 网络建立243.3.3 工业以太网的建立253.4 监控界面设计273.5 本章小结27第 4 章 基于神经网络的船舶机舱报警监控系统的故障诊断研究304.1 船舶故障诊断技术概述304.1.1 船舶故障诊断技术类别304.2 神经网络概述324.2.1 神经网络的发展324.2.2 神经网络的研究内容334.2.3 神经网络模型334.3 BP 神经网络模型介绍344.3.1 BP 网络结构344.3.2 BP 网络模型建立规则354.3.3 BP 网络设计技巧384.4 RBF 神经网络模型介绍384.4.1

18、径向基函数神经元模型384.4.2 径向基函数网络结构及其工作原理394.4.3 径向基函数网络结构的构建404.5 Elman 神经网络模型介绍414.5.1 Elman 网络的结构414.5.2 Elman 网络的构建424.6 基于神经网络的故障识别实例分析与仿真424.6.1 故障问题描述与神经网络模型设计424.6.2 RBF 神经网络的故障识别模型设计与仿真444.6.3 BP 神经网络的故障识别模型设计与仿真474.7 基于神经网络的故障预测实例分析与仿真534.7.1 Elman 神经网络的故障预测模型设计与仿真534.7.2 BP 神经网络的故障预测模型设计与仿真624.8

19、本章小结69第 5 章 基于遗传算法的机舱报警监控系统的故障诊断优化研究715.1 遗传算法的基本原理与方法715.1.1 编码715.1.2 选择725.1.3 交叉735.1.4 变异755.1.5 适应度函数765.2 遗传算法优化 BP 神经网络仿真分析775.2.1 遗传算法工具箱与功能函数介绍775.2.2 编码规则与程序设计78VI5.2.3 仿真分析785.3 本章小结81总结83参考文献85ContentsAbstract(chinese)IAbstractIIContents(chinese)VContentsIXChapter 1 Introduction11.1 Top

20、ic Research Background and Significance11.2 Development Status of Cabin Alarm Monitoring System at Home and Abroad11.2.1 Centralized Monitoring System21.2.2 Distributed Monitoring System21.2.3 Fully distributed system31.2.4 Field Bus Monitoring System31.3 Development Status of Ship Fault Diagnosis S

21、ystem at Home and Abroad31.3.1 Intelligent Ship Diagnostics41.3.2 Signal Processing Technology41.3.3 Integrated Ship Diagnostics41.4 Top Research Topics4Chapter 2 Overall Design of Cabin Alarm Monitoring System72.1 Functions and Requirements of Cabin Alarm Monitoring System72.1.1 Basic System Functi

22、ons72.1.2 Technical Standards and Specification Requirements82.2 Overall System Framework Design92.3 Hardware Introduction of Cabin Alarm Monitoring System102.3.1 Cable Selection102.3.2 UPS102.3.2 UPS102.3.3 Network Devices112.3.4 Alarm Printer11Chapter 3 Lower Computer Design of Cabin Alarm Monitor

23、ing System133.1 3.1 The PLC Introduction of Lower Computer133.1.1 PLC Overview133.1.2 PLC Module Selection143.2 The Design of PLC Program and Control Flow153.2.1 Introduction to PLC Programming Languages.153.2.2 PLC Hardware Configuration.163.2.3 PLC Programming Design183.2.4 Control Flow Design223.

24、3 System Communication Network Structure Design233.3.1 Introduction to PROFIBUS Fieldbus Technology.23IX3.3.2 PROFIBUS-DP Network Establishment243.3.3 Establishment of Industrial Ethernet253.4 Monitoring Interface Design273.5 Chapter Summary27Chapter 4 Research On The Engine Room Alarm Monitoring Sy

25、stem Based on Neural Network304.1 Ship Fault Diagnosis Technology Overview304.1.1 Fault Diagnosis Technology Class304.2 Neural Network Overview324.2.1 Development of Neural Networks324.2.2 Research Content of Neural Network334.2.3 Neural Network Model334.3 Introduction to BP Neural Network Model344.

26、3.1 BP Network Structure344.3.2 Establishing Rules for BP Network Model354.3.3 BP Network Design Tip384.4 Introduction to RBF Neural Network Model384.4.1 Radial Basis Function Neuron Model384.4.2 Radial Basis Function Network Structure and How It Works394.4.3 Construction of Radial Basis Function Ne

27、twork Structure404.5 Introduction to Elman Neural Network Model414.5.1 Structure of the Elman Network414.5.2 Construction of the Elman Network424.6 Analysis and Simulation of Fault Recognition Based on Neural Networks424.6.1 Fault Description and Neural Network Model Design424.6.2 Fault Identificati

28、on Model Design and Simulation of RBF Neural Network 444.6.3 Fault Identification Model Design and Simulation of BP Neural Network474.7 Analysis and Simulation of Fault Prediction Based on Neural Networks534.7.1 Fault Prediction Model Design and Simulation of Elman Neural Network534.7.2 Fault Predic

29、tion Model Design and Simulation of BP Neural Network624.8 Chapter Summary70Chapter 5 Research On The Engine Room Alarm Monitoring System Based on Genetic Algorithm715.1 Basic Principles and Methods of Genetic Algorithms715.1.1 Encoding715.1.2 Selection725.1.3 Cross735.1.4 Variation755.1.5 Fitness F

30、unction765.2 Genetic Algorithm Optimization BP Neural Network Simulation Analysis775.2.1 Introduction to the Genetic Algorithm Toolbox and Function Functions775.2.2 Coding Rules and Programming78X5.2.3 Simulation Analysis785.3 Chapter Summary81Conclusions83References85XI第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及意义进入二十世纪八十

31、年代以来，由于经济与造船技术的发展，我国已经从造船小国、造船弱国逐步向造船大国、造船强国转变，因此，船舶技术的要求也越来越严格。船舶技术要求的提高也促进了船舶自动化技术的发展。在船舶自动化技术中，机舱报警监控系统是最为重要的一门技术。最原始的监控还是依靠人员，由于计算机技术的引入与快速发展，船舶机舱报警监控系统由集中监控型向集散监控型转变，再到后来现场总线技术的应用，船舶机舱报警监控系统又开始向分布式系统发展。到目前为止， 机舱报警监控系统正在发展的更集成、更标准化、更网络化、更智能化且更系列，做到真正的无人机舱，实现船舶机舱的高自动化。为了能保证实现无人机舱，就必须要满足数据的及时通讯以及实

32、时控制。在船舶发生故障时，系统要能第一时间检测到故障发生位置以及异常情况详情，并且快速将以上信息传达到监控室、驾驶台、值班室以及各公共场所，实现地第一时间报警，对于系统不能自身解决的故障，将会通知相关维修人员解决。第二部分要做到的是当已发故障没有在规定设置时间内解决的话， 将会再次触发报警系统，直到该问题被成功解决。这样的功能实现，会大大降低值班人员的工作强度，不用实时在船舱来回巡视，节省成本。由于现代社会对环境的保护意识越来越强以及对工业成本的控制，使得一些技术落后、人力成本巨大的船舶逐步被淘汰。随着各种相关规定的出台，使得所有的船舶向大型化以及高度的自动化发展，这样就会减少船舶工作人员的工

33、作强度，降低人力的成本。机舱配备了完整的监控报警系统，除了劳动成本上有所减少，更重要的是能够保证船舶的安全运行，增强设备运转的可靠性，一旦发现故障能及时解决，较少零部件的损耗，也可以在一定程度上增加各部件的使用寿命。就目前市场的行情来看， 船舶机舱报警技术占据优势的依旧是国外产品，比如挪威的康斯伯格等，他们的产品在市场上已经占据了很大的份额。从国内的先阶段产品来看，还与国外存在着一定的差距，这就显得研究这套系统并且设计出属于自己的系统尤为重要。1.2 机舱报警监控系统国内外发展现状随着经济全球化的发展，海上贸易的往来日益增多，更加推动了航运事业的蓬勃发展，其地位越来越重要，由此带来的是船舶的吨

34、位相较于之前来讲有了质的飞跃1。3船舶在向大型化发展的过程中，逐渐产生了以下问题：船舶体积的庞大增加了管理难度，船舶工作人员的工作强度也不断增加等。考虑到这些问题的存在，在二十世纪六十年代，船舶机舱自动化技术开始逐步被提出，其思想宗旨就是为船舶运营行业减低运营成本，保障船舶在运行状态的安全。一直到了二十世纪七十年代，船舶机舱自动化的发展取得了实质性的结果.第一就是轮机自动化装置开始应用，此装置可以对船舶设备进行集中的控制并且能够监视到各个设备的运行状态；第二就是辅控制站远程操控技术的应用，驾驶室通过这项应用，可以远程操控船舶设备，这样一来在船舶人员数量的需求上就没有之前那么多，工作的强度也得到

35、了降低；第三就是可以初步实现机舱无人值班，只是这种无人值班只是间歇性的，为以后真正意义上的无人值班机舱技术的研究与应用提供了很好的经验基础。就目前现阶段应用的机舱报警监控系统来看，计算机技术是目前最核心的技术，而机舱报警监控系统的分类也是又计算机系统的结构特点来决定，一共可大致分为四类：集中型监控系统、集散型监控系统，全分布式系统以及现场总线型监控系统2。1.2.1 集中型监视系统集中型系统的最大特点就是开始引进计算机软件管理技术，由于是初步的引用计算机，在数量上很少，通常为单台计算机操作。即便是单台计算机，比较之前传统的系统，该系统的硬件结构得到了很程度的简化，能够实现对船舶动力设备监视与报

36、警的功能，该类型的典型代表有挪威 NORCONTROL 公司研发的 Data Chief 系统。在上世纪七十年代初，集中型监控系统是最具有代表性的一种，应用也比较广泛， 但其弊端也显而易见，由于计算机数量的限制，导致系统的可靠性比较差。一旦这台计算机死机或者有其他故障，整个系统都会崩溃，造成不可估量的代价，用户体验没有那么好。因此，这套系统的发展逐渐受到限制。1.2.2 集散型监视系统集散型系统的特点从其名字就可以看出，它是融合了集中与分散两种结构的特点。与集中型系统最显著的不同就是集散型系统的计算机数量不再是单台，在监控过程中， 多台计算机同时工作，它们组成若干个子系统，将采集到的信息通过上

37、位机实现所有信息的共享。更重要的是，多台计算机的稳定性比单台计算机要大大增强，在用户体验上也非常友好。所以，在集散型系统问世之初就得到了快速的发展。当然，集散型系统也存在着一定的问题，由于在系统刚开始设计应用的时候，传输的信号类型为模拟信号，当传输距离很长的时候，模拟信号的的干扰问题随之显现出来。在材料成本方面，电缆的需求量大大提高，无疑是增加了不少额外的支出,此系统的代表为西门子公司生产的集散型监控报警系统3。针对集散型系统的这些暴露出的问题，有些公司提出了以下的解决方案：在收发模拟信号的环节中添加相关的现场处理单元模块，这些模块一般情况下安放在设备的附近，而在与主控单元的数据交换通讯时所用

38、到的方式为电流环等网络，这种的方案的核心理念就是在子系统中加入传统的控制网络技术。该方案的应用的确可以在信号稳定方面的能力得到了显著的提升，但也不是没有缺陷，由于传统控制网络自身就存在问题包括无法实现全双工传输以及传输距离的限制等等。该类系统的典型代表有德国西门子公司生产 SIMOSIMC32C 系统。1.2.3 全分布式系统全分布式系统的最大特点是引入现场总线技术。与前文的提到的两种系统相比， 分布式系统采用了模块化的设计思想，是监控功能得到最大限度的释放。在系统组态方面，加入了具有通信功能的智能化现场处理单元，各个子系统之间通过现场总线来进行通讯，因为现场总线的通讯协议具有开放的特点，所以

39、信息的共享更加便捷，系统在运行方面更加可靠安全。此系统的应用也为船舶机舱综合控制信息系统的统的发展积累了宝贵的经验。 因此，全分布式监视系统结合了集中型和集散型系统的优点并且有效的克服了其缺点，对船舶自动化技术的发展有着重大的意义。该系统的典型代表有挪威 KONGSBERG 公司生产的 Data Chief C20 监控系统。1.2.4 现场总线型监控系统现场总线型监控系统是在全分布式系统的基础上加以改进而实现的一种新型监控系统，在全分布式系统中已经开始引进现场总线技术，而在现场总线型监控系统中， 总线的应用已经相当成熟。常用的总线有 CAN 总线、PROFIBUS 总线、LONGWORK 总

40、线以及 MODBUS 总线。在总线型的系统中，分布式处理单元的应用非常多，这是考虑到其扩展性强的特点，在船舶机舱比较恶劣环境下能够满足需要。分布式处理单元的一段临街在总线上， 一段与各传感器相连，一些上层的监控设备用工业以太网连接，实现数据的共享功能。该系统的典型代表有挪威 KONGSBERG 公司生产的 K-Chief500、K-Chief600 以及K-Chief700 等。从上述的系统介绍可以看出，船舶自动化技术的发展离不开计算机技术、模块化设计思想以及总线通讯技术。由此可以得出这样的结论：在未来的船舶机舱自动化技术的发展应用中，研究如何将上述三种技术高效的结合在一起将会是一个很有意义且

41、具有巨大社会经济效益的研究方向。1.3 船舶故障诊断系统国内外发展现状从上个世纪六十年代开始，船舶事故发生的频率急剧增加，为了解决这些问题给船舶行业带来的巨大损失，人们开始对故障诊断技术进行深层次的研究。船舶故障诊断技术的作用主要是在船舶运行过程中，针对船舶各设备的状态进行监控，在发现故4障的时候能及时识别出故障并且能迅速应对。更深层次的故障诊断技术还将要具备故障预测的功能，这样可以将被动解决故障的形式转变为主动去预防的态势，在保障安全性能的同时还能为船舶行业节省巨大的成本。随着现代科学技术的快速发展，船舶故障诊断技术不再是一门单一的技术，从最初的直接测量法到现在的智能化，计算机技术、神经网络

42、算法以及信号处理急速的引进，这已经发展成了一门多学科交叉的新技术。1.3.1 智能化船舶诊断考虑到船舶技术的发展，船舶自动化程度的大幅度提高，传统的故障诊断方法即通过检测信号的处理实现船舶运行状态的监测已经远远不能满足现代船舶的需求，由此开辟出了一条智能化道路的技术，这些技术包括神经网络、模糊理论以及专家系统等。这种新式的诊断体系在监测手段、数据计算量和诊断时间方面都较传统故障诊断技术有了极大的提升，比单一地依靠专家经验来实现诊断更加精确和高效。因此，随着时代的发展与技术的成熟，智能化船舶诊断技术定会成为未来故障诊断技术的风向标。1.3.2 信号处理技术在现实的船舶航行过程中，一方面会遇到碰撞

43、、震动和冲击，一方面船舶的船龄在增加，造船工艺的不完善，导致船舶的故障发生率会大大提高，这些变化会使信号的峰值产生极大的波动，而这些信号的波动里实际上包含着非常多的信息，所以，信号处理技术就是利用这些信息来定位故障的发生地点与类型，比较典型的技术应用就是小波技术，这方面的技术已经很成熟，应用的效果也很理想。1.3.3 综合船舶诊断技术在船舶发生故障时，它的故障原因一般很难用一种因素去判定它，更多的时候是由不同的因素共同作用的效果，考虑到其原因的复杂性，单一技术的缺陷就很明显。比如神经网络的非线性功能比较强大，可是其往往会过早的收敛，导致运行结果的随机性很大；专家系统的数据库丰富，数据量庞大，随

44、之带来的问题救赎建立数据的难度增加而且缺少灵活性等。随着现代计算机技术以及数学理论的发展，多种技术的结合已经成为当下故障诊断领域里新的研究方向。常用的组合有神经网络与遗传算法相结合，利用遗传算法的寻优功能来弥补神经网络的过早收敛的缺点，还有模糊理论、神经网络与专家系统的结合，既保证了数据量的多样性，也可以提高使用的灵活性等等，这些最新技术的交叉结合对船舶故障诊断技术的发展起到了重要的要推动作用。1.4 课题主要研究内容本课题以镇江亿华系统集成有限公司的“通途”号项目为基础，在实践的基础上结合理论研究，设计出一套船舶机舱报警监控系统以及故障诊断系统。其具体工作如下：（1） 在阅读了多种关于机舱报

45、警监控系统文献后，综合多种系统的结构，确定出本次机舱报警系统所需实现的功能，最终设计出系统的整体结构图。（2） 根据已经设计好的系统结构，选择各种满足功能需要的硬件模块，包括电缆的选型、UPS 的规格、网络设备以及打印机的型号等。（3） 设计出系统的工作流程以及控制流程，在 Step7 软件中选择梯形图的编程方式进行项目编程，既满足功能需求又做到简洁明了。（4） 设计出了系统的网络通讯结构。在设计结构前，详细了解 PROFIBUS 总线以及工业以太网的特点及结构，熟悉 Step7 软件中关于 PROFIBUS-DP 的组态以及 Ethernet 组态的的基本操作。在建立通讯网络结构的时候，按要

46、求设置好各个模块属性以及选择需要的功能模块组态到通讯网络上。（5） 在故障诊断部分，熟悉 BP 神经网络、RBF 神经网络以及 Elman 神经网络的结构。利用 MATLAB 软件编写程序，实现故障识别和故障诊断的效果并比较出各自模型的不足，选择出相对满足需求的最优模型。（6） 在故障诊断优化部分，详细介绍了遗传算法的结构以及各功能参数的性质，利用遗传算法收敛性强的特点，对神经网络的不足进行优化，达到最终的理想效果。56第 2 章 机舱报警监控系统总体结构设计本章节机舱报警监控系统的设计思想以镇江亿华系统集成有限公司的“通途”号耙吸挖泥船改造项目为基础。在项目中，本人参与了机舱报警监控系统的模

47、块安装、产品接线、功能调试以及部分程序编写的环节，对机舱报警监控系统的构造、要求以及应用有着一定的了解，该系统现已成功在“通途”号上运行。“通途”号“总长 165.7米，宽为 30 米，总装机功率为 22320 千瓦，载泥量为 29830 吨，最大挖深为 90 米， 是目前亚洲疏浚领域的领头羊，目前在天津港投入使用中，进一步加快了天津港国际化进程的脚步。2.1 机舱报警监控系统的功能与要求本次“通途”号机舱报警监控系统系统共设有 3 个信号采集箱，分别对船舶的船用柴油机系统、泥泵控制系统、齿轮箱推进推进系统、压力系统（包括水压和气压）、温度系统（水温、排气温度和油温）、发电系统与配电系统等多个

48、系统的监测点进行数据的采集与监测，基本覆盖了“通途”号运行过程所涉及的各个方面。该系统所应该具备的功能如下所示。2.1.1 系统基本功能由于不同的船舶运行环境不一样，不同功能的船舶对设备的要求也各不相同，因此，每条船舶的硬件系统与软件系统不可能用同一种精度的标准作为规范4。在设计“通途”号机舱报警监控系统的时候，根据实际工程应用的需求，该系统包括的功能如下所示。（1） 声光报警功能声光报警功能作为机舱报警功能最基本、最必不可少的功能，它的作用是无可取代的。声光报警功能作为机舱报警功能最基本、最必不可少的功能，它的作用是无可取代的。当系统检测到监测点的数据与标准值产生重大误差时，声光报警系统将会

49、被启动，同时在监控软件界面中准确显示出发生故障的监测点位置以及故障详情，以用来通知相关工作人员。当工作人员收到报警信息后，按下消音键并在软件界面上确认报警信息，此时声光报警会将报警声音消除，报警灯变为平光，直到故障被消除才会熄灭5。（2） 参数显示与状态显示当船舶设备都在正常运转时，在监控界面上会将各设备的运行参数都显示出来， 除此之外，每个监测点的报警限值也会显示出来供工作人员参考。当没有异常发生时，9指示灯一般用绿色，有报警发生时，指示灯会变成红色。（3） 报警延时功能报警延时功能最大的作用就是针对易波动的信号，防止其频繁报警，影响系统正常的工作住状态。其工作原理就是在数据产生波动达到报警

50、值的第一时间会开始启动计时器，只有达到了一定时间才会产生报警信号，计时时间一般按经验设定。（4） 报警回差功能报警回差功能与上文的报警延时功能有相似的地方，它们都是为了针对易波动信号带来的误操作，不过不同的是报警回差是作用在通道恢复功能上。若某信号的限值为 50，回差值设定为 5，其模式为监测值大于 50 的话就会报警,。当触发报警后，经过管理人员的操作，值回落到 45 时，通道才会关闭报警，恢复正常。若模式为小于50 报警，那么当触发报警后，其值必须恢复到 55，报警才会解除。（5） 报警应答功能报警应答其实就是操作人员给系统的反馈操作。当声光报警启动时，操作人员按下相关按键，会进行消音操作

51、，此时操作人员需要立即去解决故障，当故障被完全解决时，操作人员按下相关按键，报警会立即解除，报警红光被转为绿色平光，同时报警软件界面会将该报警解除。（6） 报警打印功能报警打印功能一般分为两种，一种是实时打印，一种是历史打印。实时打印就是每当产生一个报警时，打印机就会将其打印出来。进行历史打印操作时，先要进入查询界面，查询出来的历史报警记录可以被打印出来，根据不同的需求可以选择打印部分记录或者打印全部记录。（7） 延伸报警功能延伸报警的作用通常是向船舶上工作的其他人员通知报警信息，一般延伸报警装置安放在驾驶室、机长室以及特定的公共场所等。延伸报警装置实现方式有多种，包括触摸屏和指示灯6。2.1

52、.2 技术标准以及规范要求参考钢质海船入级与建造规范和船舶机舱监视报警装置技术条件对船舶所采用的机舱监测报警系统的技术要求，在设计“通途”号机舱监测报警系统时，应考虑如下技术标准及规范要求：（1） 报警装置应在如下环境中能够正常工作：环境温度范围为 055；相对湿度范围为 95%100%，振动频率范围为 2.013.2Hz，位移幅值为±1.0mm，加速度幅值为±0.79mm7。（2） 当发生故障时，如果操作人员没有及时的将故障完全解决，那么系统将再次触发声光报警机制，直到故障被完全解决后才会恢复正常监控状态。（3） 由于各船舶的工作环境不一样，所以系统在设计的时候需要考虑到

53、各监测点的报警限值的差异，即要方便管理人员灵活地修改监测点的限值。（4） 系统在供电模块的设计上需要具备冗余功能，能够在主供电系统断电的时候维持报警系统的正常工作，通常持续供电的时间至少为半个小时8。2.2 系统总体框架设计系统的主要设备有 S7-400PLC 模块、机舱数据采集单元、工作站、延伸报警板、工业交换机以及通讯模块等。系统采用良好的人机界面，操作员通过操作轨迹球和操作员键盘可以很容易地在显示屏上选择报警页面和图形模拟页面，查看报警及设备运行状态，并执行控制指令或自动控制程序，其结构如图 2.1 所示。机舱数据采集单元可以安装在船舶的各个部位，具有输入/输出功能，包括模拟量和开关量。

54、机舱报警监控系统设有延伸报警系统，在居住区域和驾驶室安装有延伸报警板。系统可扩展若干个工作站和若干个延伸报警板，工作站和延伸报警板可安装在船上若干部位9。在网络通讯方面，信号采集模块、接口模块等模块与 PLC 的 CPU 模块之间的通讯方式采用 PROFIBUS 总线，CPU 与上位机之间的数据共享采用工业以太网，考虑到船舶机舱实际的工作环境恶劣，工业以太网在抗干扰能力方面效果显著且通讯距离比较远，适合船舶机舱的工作环境。图 2.1 系统结构图Fig.2.1 System structure2.3 机舱报警监控系统的硬件介绍2.3.1 电缆的选型考虑到船舶工作环境的恶劣以及各种船用建材规范的要

55、求，船用电缆的选择要比其他情况的要求更加严格10。在设计船舶机舱报警监控系统之前，首先要将电缆选好， 因为电缆在船舶上的应用非常之多，无论是电源供电还是数据的传输或者网络通讯， 都要用电缆。电缆的选择不仅要考虑到是否符合相关规定，也要注意到成本的控制。在船舶工作场所，由于水雾、有害蒸气以及凝结水的存在，相关规定中明确要求在任何地点铺设的电缆必须加上护套，除此之外，船用电缆还要满足防火、防水、防压力、防电磁干扰以及防腐蚀的功能需求。综上所述以及考虑到公司成本的控制，结合镇江亿华系统集成有限公司的实际项目实施规格，采用的型号是 CKJPJ85/ SC 型电缆。该电缆最高承受 250 度高温，其绝缘

56、材料采用聚氯乙烯，能够基本满足船用需要。2.3.2 UPSUPS（Uninterruptible Power Supply）即不间断电源，它是一种储能装置，是一种恒压恒频的不间断电源，主要组成部分是逆变器11。UPS 一般主要用在给机舱报警系统提供不间断的电源供给。当机舱内的供电正常时，UPS 的作用就是稳压，将供电稳压后供给其他负载使用，当机舱供电系统出现异常时，发生断电的情况时，UPS 立即将机内电池的电能通过逆变的方式将 220V 的电供给其他的负载，使系统正常工作， 避免硬件的损坏。2.3.3 网络设备（1）网络交换机网络交换机的参数如表 2.1 所示。表 2.1 网络交换机参数Table2.1 Network switch parameter table传输速率10/100Mbit/s电气接口4 x RJ45 接口(10/100 Mbit/s； TP)光学接口2 x BFOC ports（100Mbit/s，Multimode FOC）电源连接1 x 4 针端子排信号触发连接1x 2 针端子排交换媒介插槽C-PLUG电源电压2 x 24 V DC (18 V to 32 V)组环能力有冗余管理器功能有12（2）网关网关用于采集通讯设备的信号，在基础配置方面必须具备以下功