蔣曉亮，黃 丞，王 蓉

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

50 000 t半潛船自動化系統(tǒng)的設計與應用

蔣曉亮，黃 丞，王 蓉

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

基于半潛船對自動化技術要求高的特點，對50 000 t半潛船舶自動化技術進行了研究。主要介紹了船舶自動化系統(tǒng)的構成，詳細描述了機艙控制監(jiān)測系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)以及壓載控制系統(tǒng)的功能，認為利用網(wǎng)絡化和數(shù)字化技術實現(xiàn)的全船自動化控制是未來發(fā)展的方向，具有廣闊的應用前景。

半潛船;自動化系統(tǒng);監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

自動化系統(tǒng)已廣泛應用于各類船型，不僅減輕了工作人員的勞動強度，而且可以有效降低運輸成本和風險。半潛船是一種裝載大型鋼結構件、海洋平臺以及無動力艦艇等高附加值特種貨船，其裝卸貨時需進行上浮下潛作業(yè)，相比其他散貨船該船型監(jiān)控設備更多，控制邏輯更為復雜，因此對自動化系統(tǒng)的要求更高。本文以50 000 t半潛船為研究對象，闡述了自動化系統(tǒng)在半潛船上的設計與應用。

1 系統(tǒng)框架

50 000 t半潛船的自動化系統(tǒng)是集成了監(jiān)測、報警以及控制于一體的綜合監(jiān)測報警控制系統(tǒng)，采用分布式處理結構，基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)相結合的開放網(wǎng)絡系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和上層管理網(wǎng)絡。下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡提供接口接入設備系統(tǒng)，收集設備系統(tǒng)實時運行的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)至上層管理網(wǎng)絡。上層管理網(wǎng)絡包含各種應用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，處理、監(jiān)測及存儲下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡發(fā)來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構如圖1所示。

系統(tǒng)包括7臺工作站(OS):1臺設置在駕控臺，主要用于推進控制和操舵控制;2臺設置在貨控臺，用于上浮下潛作業(yè)時的排壓載控制;1臺設置在右低壓配電板間、1臺設置在左變頻器間，用于電站管理;2臺設置在集控臺，主要用于設備的監(jiān)測報警以及艙底水控制等。各個工作站相互獨立且不互相依賴，當其中1臺發(fā)生故障，不會引起其他工作站的異常。同時，可根據(jù)每個工作站的用途，設置不同的權限來避免誤操作，保證系統(tǒng)的可靠性。整個網(wǎng)絡采用了冗余設計，網(wǎng)絡分配單元(NDU)作為星形連接器，由路由器、轉(zhuǎn)換器構成，連接上下層網(wǎng)絡。全船設有16個采集箱(SAU)，安裝在機艙或推進器艙等靠近傳感器和執(zhí)行機構的處所，用來采集模擬和數(shù)字信號，同時可以向設備提供輸出信號。該模塊具有監(jiān)測和自動控制功能，是整套系統(tǒng)的核心部分。主干網(wǎng)絡采用的光纖連接，滿足了長距離以及高速率的傳輸要求。

2 系統(tǒng)組成

全船自動化系統(tǒng)分為4個功能模塊，包括推進控制系統(tǒng)、機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)以及壓載控制系統(tǒng)。

2.1 推進控制系統(tǒng)

本船采用的是電力推進，其控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的柴油機控制系統(tǒng)有較大的差異。主推進電動機由脈寬調(diào)制控制的變頻器供電，通過控制變頻器可實現(xiàn)調(diào)節(jié)推進電機轉(zhuǎn)速，控制船舶航速，設定推進特性曲線，保護電機馬達等功能。在設計推進控制系統(tǒng)時需要考慮各種工況，尤其如緊急停車等對全船電站沖擊的影響，以及發(fā)電機組的負荷承受能力，因此需要通過控制系統(tǒng)本身，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速、功率等方式改善電網(wǎng)的狀態(tài)，同時在推進器發(fā)生故障時通知電站管理系統(tǒng)采取必要的措施進行調(diào)整。

另外還配有動力定位系統(tǒng)。動力定位是憑借自動或手動控制的水動力系統(tǒng)，使船舶在其作業(yè)時，能夠在規(guī)定的作業(yè)范圍和環(huán)境條件下保持其船位和艏向。動力定位系統(tǒng)在中國船級社規(guī)范中分為3個等級:DP-1、DP-2、DP-3。其中 DP-1對控制系統(tǒng)的構成沒有太大的影響，而DP-2和DP-3對系統(tǒng)提出了冗余要求，其控制系統(tǒng)結構有著根本的變化。本船是基于DP-2的設計，即在出現(xiàn)單個故障(不包括1個艙室或幾個艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向［1］，這就要求至少需配置2套獨立的推進系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)。如圖1所示，配置的2套推進系統(tǒng)相互獨立，且分別布置在左右機艙，實現(xiàn)物理分割，一側設備出現(xiàn)故障將不會影響到另一側。動力定位在駕駛室的貨控臺位置進行操作，其包括監(jiān)測、控制于一體，是一種多回路反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。安裝在船身的傳感器和定位系統(tǒng)測量出風、浪、流等作用在船上的環(huán)境力以及當前船位和艏向，系統(tǒng)通過比對測量值和設定值，輸出偏差信號，然后計算出消除環(huán)境干擾使船體到達期望位置所需的合力，再對各個推進器進行動力分配，使船舶保持在設定的位置或航向。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2.2 機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)

機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)負責收集機艙內(nèi)設備的參數(shù)及運行狀態(tài)。當監(jiān)測信號狀態(tài)發(fā)生變化或參數(shù)超過正常范圍，且該監(jiān)測點沒有被閉鎖時，則系統(tǒng)會立即或延遲發(fā)出聲光報警信號。如果報警點短時間自動恢復正常，仍需要輪機員去進行報警復位。在惡劣的機艙環(huán)境中，一些監(jiān)測信號容易受到干擾。為避免誤報警，設有延時報警單元，在延時時間之內(nèi)即使報警點參數(shù)超出正常范圍也不會激活報警。系統(tǒng)還具有報警閉鎖功能，用來屏蔽一些不必要的報警點。另外還兼有延伸報警、輪機員安全等基本功能。

2.3 電站管理系統(tǒng)

本船采用的是中壓配電系統(tǒng)。由于需滿足DP-2的要求，主電站在機艙左右配電間各布置1組中壓配電板以及低壓配電板。每組中壓配電板連接2臺發(fā)電機，母排通過聯(lián)絡開關連接。當一側發(fā)生故障時，聯(lián)絡開關能瞬間自動斷開，從而不會影響另一側電站的正常工作。

電站管理系統(tǒng)是全船自動化系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，它從系統(tǒng)決策層面管理和分配電能，是控制策略的制定者。特別是對于電力推進系統(tǒng)，在推進電機運行當中，受到復雜多變的海況影響，螺旋槳負荷可能短時間內(nèi)在10%～100%變動，這樣可能會導致電網(wǎng)瞬時功率過大，因此本船系統(tǒng)采用一種基于事件算法的功率限制和保護方法，其通過采集的發(fā)電機斷路器狀態(tài)量和中央處理器采集系統(tǒng)各點后的計算量相結合，快速實現(xiàn)推進功率的限制和保護［2］。

由于中壓電站具有高電力容量、多電壓等級的特性，同時推進電機的負荷較大，在起動、調(diào)速和制動時都會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，而推進系統(tǒng)的變頻器變壓器、導航控制設備等又需要穩(wěn)定低濾波的電源，因此電站管理系統(tǒng)不單要對各個設備進行優(yōu)化管理，還要綜合考慮整個電網(wǎng)系統(tǒng)，以整體優(yōu)化為目標，提高全船運行的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性［3］。

2.4 壓載控制系統(tǒng)

壓載系統(tǒng)是半潛船的重要系統(tǒng)之一，通過對全船壓載水的注入、排出或調(diào)駁，達到上浮下潛及調(diào)整船舶穩(wěn)性等目的。本船使用的是與潛艇類似的壓縮空氣壓載系統(tǒng)，其工作原理為通過控制壓載空壓機調(diào)整壓載艙內(nèi)空氣墊的容積來控制壓載水量。與其他壓載模式相比，進排水速度明顯較快，能耗小，成本較低，但其缺點是設備管路多，閥門與空壓機控制邏輯關系復雜。如果通過船員手動控制，操作復雜、控制難度大。為便于監(jiān)視和管理，本船的壓載空壓機系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)以及液位遙測系統(tǒng)均通過通訊接口將數(shù)據(jù)輸入至自動化系統(tǒng)，經(jīng)處理之后工作站便可集中顯示設備運行狀態(tài)、壓載艙液位以及遙控閥開閉等信息，并且能夠遙控遙控閥的開閉和壓載空壓機等設備的起停。另外系統(tǒng)還能夠按照預設的程序進行自動控制，完成上浮下潛作業(yè)，無需逐步操作閥門和壓載空壓機，從而降低了控制難度。

3 結語

通過應用船舶綜合自動化系統(tǒng)，不但能夠保證船舶運行的安全，還可以進一步提高船舶設備的運行效率和性能。伴隨著信息技術的進步，今后的自動化系統(tǒng)將全面向數(shù)字化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，通過采用衛(wèi)星等無線通訊技術，船內(nèi)自動化網(wǎng)絡將與船舶運營管理中心或海上安全中心等計算機網(wǎng)絡緊密連接，建立起船岸一體化監(jiān)控管理網(wǎng)絡，在岸基即可監(jiān)控船上重要設備的狀態(tài)信息和船舶運行的重要參數(shù)，能夠快速對船舶進行調(diào)度，及時預警海上突發(fā)事件，遠距離維護船內(nèi)重要設備等，大大增強了營運的競爭力。在現(xiàn)代航運企業(yè)追求實時、高效、綠色環(huán)保的先進理念下，船舶綜合自動化系統(tǒng)的應用前景將十分廣闊。

［1］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2014.

［2］ 劉建波，張浩.功率管理技術在艦船電力推進中的應用［J］.船電技術，2011，31(7):65-69.

［3］ 王加雷.船舶高壓電站功率管理系統(tǒng)的設計與管理［D］.大連:大連海事大學，2011.

U674.2

A

2015-01-17

蔣曉亮(1984—)，男，工程師，從事船舶電氣設計工作;黃丞(1986—)，男，助理工程師，從事船舶電氣設計工作;王蓉(1973—)，女，高級工程師，從事船舶電氣設計工作。