基于IoT的船舶电能质量监测系统的开发

摘要：电力推进船舶系统具有环保节能、动力系统容量大、系统复杂等特点。如果能够利用物联网技术为船舶电力推进系统设计一个良好的远程电能质量监测系统，对提高船舶航行安全具有重要意义。该设计基于物联网监测装置，可实现船舶电力推进系统的电力参数监测和电能质量检测分析，并实现故障报警。

关键词：物联网;电能质量;监视系统

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-0038-02

随着国际海事组织（IMO）对船舶排放标准越来越严格以及石油资源的逐渐枯竭，内燃机将逐渐退出历史舞台，绿色电力推进系统将成为未来船舶动力发展的方向。船舶电力推进是现代船舶发展的趋势，其监控系统在船舶综合管理系统中尤为重要。

然而，传统的监控装置无法反映船舶电力系统复杂多样的运行状态。电力故障的复杂性、随机性和不可预测性要求监控系统实时捕捉电力参数的变化并有效传递预警信息。其次，传统的船舶监控设备全部是有线电缆传输，从位置获取电力参数受环境限制，一旦传输电缆出现故障，故障排除比较麻烦。另外，传统船舶只能在驾驶室中获取实时参数，无法防止因引航员失职和现场仪表设备故障获取实时参数信息失败而引发的事故，导致有不幸的人员伤亡和巨大的财产损失。

该系统可在大船内部固定范围内铺设WiFi中继器，可实现全船无线网络覆盖，随时随地实现船内电力参数信息采集。使用的WiFi路由器是一款抗干扰能力强、丢包率低的强信号路由器，可以实现实时准确的远程数据传输。本设计可实现电能质量参数的实时有效采集、记录和分析，可有效提高操作人员的工作效率，降低能耗，减少故障的发生，对船舶安全运行具有重要意义。

1 系统设计

本产品采用两台智能电力参数表和PLC，可实现对整个系统内电能质量和电力可靠性的集中连续监测，反映谐波含量、电压闪变和扰动、频率偏差、不平衡、功率因数等实时多种形式，并进行相关评估分析，并可实现超限报警功能。系统同时记录相关数据，显示趋势图并生成报告。

电力推进系统监控装置现场监控层采用RS-485串口通讯，系统管理层采用基于tcp/ip的工业以太网通讯。测量仪具有RS-485通讯接口，可与网关连接。数据采集​​完成后，通过网关进行数据接收、数据传输和状态判断。经过网关转换，通过Modbus tcp/ip协议与交换机连接，将数据和状态上传到管理层。通过现场总线技术和以太网技术可以实现系统三层设备之间的实时通信和数据共享，实现对整个系统运行状态的实时监控。将无线路由器连接到交换机，外接工控电脑和数据掌上电脑可以通过连接无线WiFi读取电源参数，通过铺设无线中继器，可以实现全船无线覆盖。

Matlab软件用于设计开发用户图形界面，分为启动界面、电网侧界面和负载侧界面。电网侧界面和负载侧界面显示仪表寄存器中记录的几乎所有重要参数，如电压、电流、不平衡度、thd、基波幅频和相角、最大值/最小值等，主要实时显示这些带有数字标签的参数，有的还设置有上下限颜色识别。当超过限值时，故障报警框显示为红色，方便监控人员在画面中获取整个系统的重要参数信息。

无线手持终端的设计开发可以通过连接船舶内部的WiFi中继器，随时随地读取PLC寄存器内部参数，可实时检测电压、电流、不平衡、thd、基波幅频、相角等重要参数，可使用SD卡保存历史数据记录，在工控机终端打开fault.csv文件查看。发生重大故障时，蜂鸣器发出警告声，LED灯闪烁报警，并可根据不同类型的故障发出不同的声光报警。

2 系统实现

2.1 系统总体构架

电力推进船舶电能质量监测装置监测系统由触摸屏、戴尔工控机、网关、交换机、Modicon m340 PLC、pm850电力参数测量仪、ion7650电能质量监测装置、ATV61变频器等组成。系统使用电动机为电力驱动装置。模拟仪表、pm850电参数测量仪和ion7650监测装置用于获取和显示电力系统电网侧和负荷侧的各种参数。采用PLC和变频器控制电机慢启动、变频调速、控制模式无干扰切换等功能，工控上位机采用MATLAB软件绘制用户图形界面，对电能质量进行监测和分析整个系统的实时信息。LCD手持终端采用STM32F103开发板显示和记录重要参数并发出声光报警。

2.2 感知层技术

该装置的传感层主要采用pm850和ion7650两款智能电力参数测量仪，分别带有电压传感器和电流互感器，分别测量船网侧和负载的参数。

Pm850是一款基于真有效值的测量仪器，可精确测量高度非线性负载和63次谐波的真有效值。Pm850 支持同时监测多达 50 个测量值并随时更新最新值。Pm850具有RS-485串行通讯接口，可集成到船舶电力推进监控系统中。Pm850具有实时测量、功率分析、功率读数等功能。系统采用pm850实现以下功能：监控电网侧常规电力参数; 电网侧电力系统故障监测; 对电网侧电能质量进行评估。

Ion7650可以非常准确地记录数据，包括电压、电流、功率和千瓦时的有效测量值。它還具有先进的电能质量测量和电能质量标准验证功能。就本设计的监测装置的应用而言，ion7650和pm850的区别在于pm850只能监测50Hz或60Hz的系统，而ion7650没有这种限制，所以使用ion7650监测逆变器的输出端Ion7650不仅具有瞬时测量和电能读数功能，还具有突降/突升和瞬态捕捉功能。系统采用Ion7650实现以下功能：监控负载侧常规电力参数、负载侧电力系统故障监测、评估负载侧电能质量。

2.3 传输层技术

在现场监控层，pm850和ion7650采用RS-485串口通讯，通过网关转换通讯协议。上层设备网关、PLC和RJ-45端口可通过普通网线实现以太网通讯。路由器与交换机相连，工控机与手持终端通过连接WiFi即可实现无线网络通讯。

该设备采用基于Modbus协议的分布式现场总线监控系统，定义了一个独立于基本通信层的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的 Modbus 协议映射可以将一些附加字段引入应用程序数据单元 （ADU）。

M340 PLC作为主站通过ADDM和read_Var实现从从站读取数据。ADDM 的作用是将从设备的地址格式转换成六个单精度整数的数组，作为数据读取功能块read_Var 地址输入。

Atk-esp8266 是一款高性能 UART WiFi 模块。它使用LVTTL与MCU（或其他串口设备）通信，并内置TCP/IP协议栈，可以实现串口和WiFi之间的转换。通过atk-esp8266模块，传统的串口设备只需要简单的串口配置，就可以通过网络（WiFi）传输自己的数据。该模块作为无线WiFi STA，用于连接无线网络，实现串口与其他设备之间的无线（WiFi）数据转换和相互传输。

2.4 软件开发技术

为了通过网络在PC机上实现对船舶电力系统电能质量的远程监控、分析和报警，本系统采用MATLAB软件设计了用户图形界面，可以在现场仪表上更加清晰直观地获取电力参数。

系统通过调用matlab函数“TCP/IP”配置IP地址和端口号，实现上位机与现场设备PLC的通讯。数据通过Modbus TCP/IP通讯协议读取，数据按照Modbus数据帧格式传输。获取参数值后，对需要的参数进行处理，通过Matlab GUI绘制所需的显示变量名、数据显示框和图形等属性，实现数据显示框和图形需要配置变量地址，编辑变量处理m文件程序。

主界面可以配置路由器连接的现场层设备的PLC的IP地址，配置通信端口502，完成上位机与现场设备的通信配置。欢迎界面有网络侧或负载侧实时数据选项。用户可根据当前需求选择参数界面进行观察。

电网侧集中数据监控界面显示pm850仪表寄存器中记录的所有重要参数，如电压、电流、不平衡度、thd、基波幅频和相角、最大值/最小值等，这些参数主要实时显示时间通过数字标签，有的设置有上下限颜色标识，超过正常范围报警。同时，折线图能显示电压电流，直方图能显示谐波畸变率，是否反映数据变化趋势方便监控人员在同屏中获取全网侧各种重要参数信息。与电网侧数据采集界面相同，负载侧数据采集界面显示了ion7650表寄存器中记录的所有重要参数，可以及时反映负载侧实时功率参数的变化。

stm32f1系列是ST公司生产的低端32位ARM微控制器，核心为Cortex-M3。手持终端监控装置是基于准点原子舰V3开发板设计开发的。

LCD手持终端采用TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）。它在LCD的每个像素上设置了一个薄膜晶体管（TFT），可以有效克服不选通时的串扰，使LCD的静态特性与扫描线数无关。因此，图像质量大大提高。与工控机用户图形界面类似，本设备开发的手持显示器主要分为主界面、网络侧界面和负载界面。该程序不仅可以显示重要的电气参数，还可以显示折线图和条形图。帮助分析当前电能质量、查看历史数据并预测未来趋势。当出现故障时，界面可弹出红色警告框并显示故障类型，提醒操作人员及时处理故障。

FATFS是一个完全免费开源的FAT文件系统模块，专为小型嵌入式系统设计。它完全采用标准C语言编写，具有良好的硬件平台独立性。FATFS 的这些特点，再加上自由开源的原则，使得FATFS得到了广泛的应用。FATFS模块层次结构的顶层是应用层，用户无须关注FATFS的内部结构和复杂的FAT协议，它们只需要调用FATFS模块提供的一系列应用接口函数，如f_open、f_read、f_write和f_close等，就可以像在PC上读写文件一样简单。中间层FATFS模块实现了FAT文件的读/写协议。 FATFS模块提供 ff.c和ff.h。除非有必要，用户一般不需要修改，使用时，可以直接包含头文件。

手持终端的数据集中显示分为三个界面：主界面、网络侧界面和加载界面。系统主要采用波形图、相位图和直方图显示实时功率参数，方便直观观察数据趋势。当系统检测到任何故障时，会在任何界面发出报警，报警框为红色，手持终端使用SD卡保存故障历史，電脑终端可以查看历史故障记录。

IPC数据集中显示界面主要由负载侧和网络侧组成。进入界面前，有一个欢迎界面，可以配置IP地址，选择要查看的界面数据，可分别显示船舶电力系统负载侧和电网侧电力参数监控界面和基于IPC的船舶电力系统故障监测界面。

3 结束语

系统采用WiFi路由器接入交换机，配合中继器收发WiFi信号，实现数据远距离无线传输。上位机可以通过连接中继器读取PLC 寄存器的数据。在MATLAB软件中编辑GUI界面程序，可实现工控计算机实时读取电能质量数据。此外，为了提高观测参数和船舶安全系数的便利性，系统采用STM32F103处理芯片制作带有WiFi模块的便携式手持终端，方便船舶工作人员随时随地获取船舶功率相关数据，并且可以在发生故障时立即进行声光报警。该设计还充分结合了以往的研究成果和创新成果，将科技应用于特定场合，具有较高的经济效益和社会效益。

参考文献：

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[2] 包子建.基于IoT的污染监测系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能车系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：179-180.

【通联编辑：代影】

收稿日期：2021-06-26

.作者简介：包子建（1975—），男，江苏南通人，高级工程师，硕士，主要从事物联网和信息服务方面的教学和研究。