船用泵电气设备运行监测系统设计

李喆 ,郭浩 ,潘永德

中国船舶集团有限公司第七六〇研究所  辽宁省大连市  116000

摘要：近年来，船舶业的蓬勃发展，带动了港岸的经济发展，对船用泵的要求越来越高，为了促进经济的发展，船用泵等电气设备正逐渐增加运行时间，导致运行事故频发。而船用泵作为船舶业发展的关键性因素，其运行监测能力格外重要。常规分布式监测系统监测效果较差，运行事故频发，已经不能适用于当下时代环境。因此，设计船用泵电气设备运行监测系统。由于分布式监测系统的内存量较小，很多运行故障资料不能存储，本文在硬件设计上利用 CC2530 芯片，设计了数据采集电路、时间基准电路、SD 卡存储电路和相应软件，实现了对电气设备运行提高系统内存，保证运行故障可以随时查找。

关键词：船用泵；电气设备；监测系统  

一、慨述

船舶上的电气设备主要包括通风机、压缩机、锚机、各种油泵水泵等电力拖动设备，它们的运行控制都由其电气控制箱完成，设备运行时的状态数据主要包括继电器、熔断器和接触器状态和电流、关键元件工作电压和电流、关键元件的线圈温度、控制箱内湿度等数据。为了能够准确、及时和可靠地记录相关的运行数据，需要在硬件电路设计、微处理器与存储介质的通信协议和软件实现中考虑功能的需要，进行合理的编排。

二、船用泵电气设备运行监测系统设计

1、硬件设计

（1）CC2530 芯片。使用的 CC2530 芯片为船用泵电气设备运行监测的主要控制芯片，其内集成了高新科技的射频收发功能，内存较高，最大内容量为 256 MB，可以使编程随加随改，并将随机储存 RAM 增强到电气设备标准的 8251MCU。其工作电压在1.0~5.6 V；工作频段在325 MHz、422 MHz、878 MHz、925 MHz以 及 2.5 GHz，拥有 USART定时监测能力、ADC、通用 GPIO，可以协同处理 256AES 的监测文件，支持 CSMA/CA，具有不同的工作状态，可以随意切换，最大程度地降低系统的能耗。

（2）采集电路。采用 WB3U412U01 型交流电压传感器对电网中的各个交流电压进行实时测量，将其变换为标准的直流电压输出，输出的直流电压为 0～5 V，可直接送入 MCU 进行 A/D 转换采集，被测的交流电压与输出的采集直流电压是相互隔离的，隔离耐压大于 2. 5 kV，可避免交流电网电压对后端采集电路造成影响。当输入电压 Ui 大于 10 V 时，其输入阻抗 Ri 计算公式为：Ri = Ui × 1 kΩ/V ，因此，传感器的输入阻抗较大，对被测电路影响可忽略。交流电流的采集采用 WB3I414U31 型电流传感器，对交流负载电路中的工作电流 IU ，IV 和 IW 等进行实时测量，输入端为穿心式感应电流，电流传感器模块将其变换为标准的直流电流输出。为方便进行后端采集，在电流传感器的输出端串入 100 Ω的标准负载电阻，将直流电流信号转换为电压信号。为提高电流传感器输出阻抗，电流传感器输出端的标准负载电阻后端，先经运放构成的射极跟随器，再接入到 MCU 的 RA0～RA2 数据采集口进行采样。为保护 MCU 数据采集口，在相应端口并接了限幅稳压二极管 D1～D6。

2、软件设计

（1）建立船用泵电气设备运行数据采集模块。一般情况下，船用泵电气设备运行监测系统的监控对象为设备温度、设备故障、设备老化等变量。通过采集模块的中间层功能，调用特殊程序，来完成设备变量数据的采集、传输以及存储。数据采集模块是系统实现非交互功能的重要因素，为了平衡船用泵电气设备运行模式，将采集到的数据通过电气设备进行分组，分组列表是一个基本单元。设备运行数据采集设备前列表的第一个对象，通过设备列表采集相似设备对象的公共集合，其中包含传感器状态变量，电气设备运行变量等。因此，采集的数据分为系统处理器、温度、远程终端数据，通过这些数据的采集，可以基本分析出数据

的可靠性。

（2）建立设备运行监测数据库。数据库采用 Zigbee 网络 - 服务器 - 监控端的结构，服务器是连接 Zigbee 模块和监控端的桥梁，在数据库的设计中，着重设计数据转换功能。因此设计 Oracle 数据库，此数据库具有容量小、速度快、成本低的优势，可以多次访问本地数据，本文考虑到数据库的开发和维护成本，将数据库设计成易于读写、管理和维护的软件，在此基础上，将成本降到最低。本文设计的监测系统可以通过数据库对采集到的数据进行优化，进而提高监测精准度。

3、分布系统的拓扑选择。Zigbee 网络定义了星状、簇（树）状和网状三种拓扑结构。其中，簇状结构由若干个星状结构组成，两种结构的网络各个节点是串接的，结构相对简便但稳健性不足，网状结构与簇状结构的不同在于网状结构的任意路由之间可以直接交互数据。对于没有金属障碍的理想空间而言，星状结构或簇状结构都可以实现数据交互，其中簇状结构还可以逐级扩展延伸。但在实际应用中，船舶的电气设备往往分布安装于各个舱室，金属舱室对无线信号具有屏蔽或衰减作用，容易导致通讯障碍。因此，考虑到船舶舱室内部布设 Zigbee 网络的结构冗余性，信息交互的灵活性和通讯的可靠性，采用网状的拓扑结构设计更为合适。特别是在舱室与舱室间的信号重叠区域，合理的增加布设带路由器采集终端，即使一个节点因为信号屏蔽或衰减而无法进行数据交互，Zigbee 网络也可以重新选择新路径，在各个带路由器采集终端间进行数据转发，绕开问题区域，从而提高了整个系统的可靠性和可用性。

三、系统测试

本次实验以某电气设备为运行监测目标，系统使用 C 语言，操作环境为 NET 环境，硬件选用本文设计的CC2530 芯片，软件采用数据采集模块、参数确定模块，以及 Oracle 数据库。

1、测试准备。将硬件进行安装与调试，确保其正常运行之后开始安装软件。首先，将电气设备运行监测数据采集模块通过接口，完成对设备运行数据的采集，并确定运行参数，通过建立的数据库进入检测系统内部，通过主页面，输入正确的密码后，即可登录检测系统。可知，为系统监测到的电气设备运行曲线，点击该页面上的警告节点，即可查找近日内的运行故障日期。

2、测试结果。随机船用泵电气设备，将常规分布式监测系统可知，船用泵电气设备在一个月内的实际故障次数在 50次以内，常规分布式监测系统监测到的故障次数与实际故障次数相差 ±5 次，监测效果较差，运行事故频发；而本文设计的监测系统监测到的故障次数，与实际故障次数相差 ±1次，监测到的故障次数无限趋近于实际故障次数，因此监测效果更佳，可以最大程度地减少运行事故的发生。

船用泵是向船舶输送水、油等物资的重要设备，是船舶正常航行的关键性环节。近年来，随着我国船舶业的发展，常规分布式运行监测系统不能适用于当下环境，采集船舶各类电气设备运行过程中的工作电流、电压、接触器或继电器的开关量，工作环境参量等信息，因此，对船用泵电气设备运行监控系统进行设计，旨在提高其监测效果。

参考文献：

[1] 薛佳. 基于ZigBee的船舶电气设备监测系统的设计[J]. 现代制造技术与装备, 2018,(1).

[2] 滕志军，李国强，何鑫. 基于ZigBee的高压电气设备温度在线监测系统[J]. 电测与仪表, 2017, 51(1).

[3] 张金勋，王晓初，李克天. 基于隔离技术的交流电压变送器设计[J]. 电测与仪表, 2019, 47(5).