摘 要

随着监控与通信领域技术的不断成熟，工业环境下实现监管和远程通信一体化已经成为一种趋势。本文针对武汉理工大学所研制的船用光伏系统，设计一套相应无线远程监控装置。

在完成监控装置的功能定义和系统总体结构设计的基础上，开展硬件选型设计：包括温湿度、总辐射、霍尔电流等传感器、PLC、交换机、人机交互界面及路由器等；完成了监控装置的软件设计，包括数据采集用户程序设计和人机操作界面的设计；最后确定无线远程通信方式，解决对PLC的远程访问，实现船岸数据互通。该无线远程监控装置在船用光伏系统中的应用，定能完善监控功能，提高工作效率。

本文的特色：将光伏系统各设备集中管理，通过4G网络实现船岸数据互通并进行远程监管。

关键词：船舶，光伏设备，监管，远程通信，数据交互

Abstract

With the continuous maturity of technologies in the field of monitoring and communication, the integration of monitoring and remote communication in the industrial environment has become a trend. This paper designed a set of corresponding wireless remote monitoring devices for the marine photovoltaic system developed by Wuhan University of Technology.

On the basis of completing the function definition of the monitoring device and the overall structural design of the system, the hardware selection design including sensors such as temperature and humidity, total radiation, Hall current, PLC, switch, human-computer interaction interface and router was carried out. The software design of the monitoring device, including the design of the data acquisition user program and the man-machine interface. finally, to get the remote access to the PLC and realize the ship-to-shore data intercommunication, the wireless remote communication mode was determined. The application of the wireless remote monitoring device in the marine photovoltaic system can perfect the monitoring function and improve the working efficiency.

The characteristics of this paper: centralized management of photovoltaic system equipment, port-to-shore data intercommunication and remote monitoring through 4G network.

Key word：Ship, photovoltaic equipment, monitoring, remote communication, data interaction

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景、目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1远程监控技术现状 1

1.2.2无线通信技术现状 2

1.3本文的主要研究内容 3

第2章 船用光伏系统无线远程监视装置总体设计 4

2.1船用光伏系统简介 4

2.2无线远程监视装置方案 5

2.2.1系统整体结构设计思路 5

2.2.2监控装置功能分析 6

2.2.3通信设备功能分析 6

2.3系统方案总体设计 7

第3章 监控装置硬件设计 9

3.1传感器选型 9

3.2 PLC硬件配置及选型 10

3.3上位人机交互界面选型 12

3.4交换机和4G路由器选型 13

3.4.1交换机选型 13

3.4.2 4G路由器选型 13

3.5通信方式 14

3.5.1 RS-485通信 14

3.5.1 Ethernet通信 15

第4章监控装置软件设计 16

4.1系统数据采集软件设计 16

4.1.1控制器、逆变器和BMS数据采集 16

4.1.2环境参数采集 17

4.2人机交互界面设计 18

4.2.1 iX Developer组态软件 18

4.2.2系统界面及功能设计 19

第5章 基于4G网络的无线远程通信 23

5.1无线远程通信方式的选择 23

5.2 4G网络的搭建 24

5.2.1 4G网络通信概述 24

5.2.2 4G网络搭建结构 24

5.3 4G无线网络远程访问PLC的配置 25

5.3.1 PLC和4G路由器的网络配置 25

5.3.2远程访问测试 26

第6章 结论与展望 27

6.1本文完成的工作 27

6.2后续工作的展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1课题研究的背景、目的及意义

信息技术日新月异，近年来网络技术和无线传输技术已被普遍应用。信息以通信、网络、数据库技术为基础，汇集目标的各特点，为人类社会的生活、工作、辅助决策等提供了技术支撑。使用该技术，不仅改善了技术人员的工作环境，极大提高生产、生活行为的效率，还保证了系统或设备安全可靠的运行，推动了工业生产技术的进步^[1]。随着现代船舶设备及系统自动化程度的加深，为了实时掌握准确的设备信息以及预测可能存在的故障，急需设计一套无线远程监控装置。

人工管理为管理船舶的主要方式，但信息化的方式处理船舶事物的优越性愈发凸显，逐渐取代了部分甚至全部人工职能，辅助管理者高效、便捷、迅速的获知船舶信息。同时，对设备系统信息化的管理能迎合交管部门对航运业的信息化规范，控制成本提高竞争力。通过无线通信技术将船舶的工作参数，以及有关的设备图片实时地传回岸基终端，通过专家或支持，给出故障判断和排除对策，解决船舶设备的突发问题。因此，信息化时代的到来，使无线远程监控装置及通信传输技术成为航运业适应新环境进程、实现现代船舶管理的主要方法^[2]。

本文针对武汉理工大学研发的船用光伏系统，设计一套无线远程监控装置。光伏发电系统受其能量的限制仍有包括设备可靠性、电能存储容量等问题，极大影响了船用光伏系统的稳定性、经济性和高效性，同时给船舶航行的安全带来风险^[1]。虽然陆路光伏监控管理系统应用较多，但在近海或内河船舶上的光伏远程监控系统却研究较少，因此急需研制出一种新的船舶无线远程监控系统来提高船舶监管水平，保障该光伏系统的稳定高效运行。

1.2国内外研究现状

1.2.1远程监控技术现状

科技的不断进步，使得监控技术在日常或工业应用中的重要性逐渐被人们重视起来。早期的监控系统，一般采用较为大型的仪器来监控系统各设备的运行状态，通过其他操作仪器进行集中地管理。由于当前社会生产力的高速提升，设备分布愈发离散，传统独立的监测系统已经不适应当前的需求。由于当前设备产生了大量的状态参数，需要对这些参数进行实时监控，故产生了分布式系统。这种系统一般通过局域网络发布及执行命令，通常限制于同一地点,具有一定的地区局限性。所以通过互联网、卫星等进行数据传输的无线远程监控系统逐渐得到研究发展。通过远程信息传输，使岸基平台获取在航船舶的各系统的实时参数，并对船上的设备进行修改调试。

国内外都充分开展了在工业领域中运用远程监控技术的探究。国外顶尖的斯坦福和麻省理工在上世纪曾召开了基于因特网的远程监控技术会议，会议对于监控系统的信息规程、结构体系及传输协议方面进行探讨并给出了未来的发展方向。多家公司给予支持与配合，推出了实验性的监控系统Testbed，其采用嵌进式Web组网，通过Java语句和贝叶斯网络形成了在互联网领域内的初步实现进行信息监控功能^[1]。许多公司也添加了互联网功能，如Bentley公司研发的计算机在线设备运行监测系统DataManager200可以向远程终端无线发送设备运行状态信息，美国国家仪器公司National Instruments在它的产品LabWindows/CVI操作面板及其组态软件LabView中加入了网络通讯模块^[1]。

国内的研究主要为产学结合的方式进行，各高校在初期的研发具有重要意义。如哈工大的微计算机化机组故障诊断与状态监视系统MMMDES、华科的汽轮机工况监测和诊断系统KBGMD，西交的大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD等^[1]。

1.2.2无线通信技术现状

近年互联网技术及计算机技术的飞速进步，使无线通信技术得以发展，诞生了各种标准及协议的无线信息传输技术。无线通信通过电磁波信号传递从而实现信息交换及远程沟通，其本质是一种信息的通信方式^[1]。信号传输不受空间限制，没有电缆、光缆的地下铺设，其工程量极少且成本较低，在拓展性、延展性及适应性上较传统通信有了显著的提高。在偏远地区如近海或江河等地，一般通过远距离无线传输技术实现通讯功能。目前应用较为广泛的的无线通信技术主要有GPRS、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、3G及4G移动网络等。其中ZigBee、蓝牙及Wi-Fi等方式的传输范围较小，在工业领域内的大范围应用受到限制。GPRS实际应用较多。GPRS在第二代移动通信和第三代通信间得以发展，也称2.5G，是一种无线分组交换技术。其通过把数据封装成许多独立的、互不影响的数据包，这些数据包被发送时则占用通道逐个地发送出去，以包量计价，这样能有效提高网络的利用率^[1]。

如今3G、4G甚至5G等移动通信飞速发展。其传送速率较快，传输范围较广，可拓展性较强且无需搭建电缆电线，建设成本较低，从其他传统电力通信中脱引而出，在工程应用中具有巨大的优势。3G在我国的应用已开始下降，依其发展规划，3G网络技术将会在2020年前全部退网，而5G网络至今没有进行正式应用，故在4G及GPRS中进行分析。

表2.1GPRS与4G无线网络对比

通信 方式	通信 范围	传输速率	建设 成本	运营 成本	应用场合
GPRS	大	21.4kbit/s～85.6kbit/s	较低	较低	适合简单 参数的传输
4G无线网络	大	10Mbit/s～20Mbit/s	较低	较低	适用于多媒体 信息传输

由表2.1可看出，4G传输速率相较于GPRS最大提高了20倍左右。同时，4G传输的信息种类繁多，可通过不同媒介获取信息，包括视频、音频或其他信号等。4G的优势不言而喻，未来，4G通信工程技术在工程应用中将产生更加深远的影响。

1.3本文的主要研究内容

在相关课题的支持下，开展关于船用光伏系统无线远程监视装置的设计，主要工作内容包括：

1. 学习光伏技术基础，熟悉船用光伏发电系统结构和相关设备的通信协议；
2. 光伏发电监控装置功能和结构设计；
3. 光伏发电监控装置各硬件设计及选型；
4. 学习ABB AC500系列PLC编程软件，光伏发电监控管理装置下位机系统软件设计，上位人机交互界面设计，远程访问调试。

第2章 船用光伏系统无线远程监视装置总体设计

2.1船用光伏系统简介

在后化石能源时代，为适应当前社会节能减排的需求，太阳能将成为最主要的自然能源之一。国内关于太阳能在船舶上的应用仍处于发展阶段，但随着各研究部门的不断拓展，船用光伏发电系统也逐步得以应用。

本套光伏系统能为船舶照明等负载提供最大稳定的电力，整套光伏发电系统包括太阳能电池板、光伏控制器、逆变器和蓄电池组及BMS（蓄电池管理系统）构成。船用光伏系统的组成框图如图2.1所示。

控制器

图2.1 船用光伏系统组成框图

2.2无线远程监视装置方案

2.2.1系统整体结构设计思路

文章以PLC作下位机实现对光伏设备各状态参数的集中管理，充分利用了信息传输技术和计算机技术。在船舶上通过以太网进行有线传输，上位机直接对各光伏设备的运行情况监控管理，同时通过4G路由器无线接入因特网将信息传输至岸端^[3]。对光伏设备进行无线监控及管理，是推动智能船舶发展的有效手段。工业现场总线和IT技术充分融合，为实现基于4G的网络的远程访问，使工程师易能对远在海上的船舶设备进行远程调试及维护。船用光伏系统无线远程监视装置的提出，实现了对船用光伏系统各设备的实时监控和管理，及时发现因外界环境或操作不当出现的各种故障问题^[2]。

光伏发电系统无线远程监视系统结构如图2.2所示。由于PLC技术成熟、编程简单、可靠性高、功能丰富及经济性高，PLC作为监管系统的数据处理单元，实现对数据的采集、处理及控制。通过RS-485总线采集各参数后通过Ethernet将信息传至触摸屏上显示，另一方面路由器通过因特网传至陆地4G基站，在岸端办公地区4G路由器接收并上传库中。岸端远程访问PLC，对光伏设备进行远程调试或向值班人员传达信息，实现数据互通共享。

图2.2无线远程监视整体结构图