劉毅，潘錦平

(中國船艇設(shè)計中心，武漢 430064)

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大型船舶日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案

劉毅，潘錦平

(中國船艇設(shè)計中心，武漢 430064)

結(jié)合大型船舶日用水系統(tǒng)設(shè)備信息化和自動化管路的需求，提出一種適用于大型船舶的日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案，分析系統(tǒng)設(shè)備組成、功能、性能、架構(gòu)和接口，該方案能有效提高全船水資源的管理能力，減少船員的工作強度，提升全船的信息化和自動化水平。

大型船舶；日用水；監(jiān)控；方案研究

船舶動力裝置需要消耗大量淡水，主要用作柴油機冷卻水、鍋爐給水、蓄電池用水等。這些淡水一般采用專用水艙儲存，但是對于大型船舶，由于連續(xù)航行時間長，與補給基地相距遠，要儲備足夠的淡水；遠洋船舶航行也要求能源源不斷地補充淡水[1]。

目前大型船舶已經(jīng)實現(xiàn)對重要輔助機電設(shè)備(如發(fā)電機、舵機等)的監(jiān)測、報警和控制，但未能對日用淡水系統(tǒng)日常使用較多的設(shè)備進行監(jiān)控管理。日用淡水系統(tǒng)設(shè)備分布在全船的不同部位，尤其集中在機艙、泵艙等人員不易到達的部位。設(shè)備對船舶淡水系統(tǒng)的安全性有著或大或小的影響，一旦發(fā)生故障，需要及時處理。傳統(tǒng)的管理辦法是安排船員值班巡視，記錄每臺設(shè)備的運行狀態(tài)，排查故障。但是對于大型船舶，船員編制有限，設(shè)備數(shù)量大，對于信息化和自動化需求愈發(fā)迫切，這種傳統(tǒng)的管理方式逐漸趨于落后，因此需要建立一套自動化程度較高的日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)

鑒于日用水系統(tǒng)設(shè)備的分布特點，集中監(jiān)控系統(tǒng)可采用典型的分布式測控架構(gòu)，分層采集和控制，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

全船設(shè)置1臺集中管理的數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，實現(xiàn)對日用水系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、故障報警和控制，下設(shè)監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊可按照防火區(qū)或水密區(qū)設(shè)置，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)監(jiān)控信息統(tǒng)一采集轉(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)控模塊根據(jù)設(shè)備布置為現(xiàn)場均布，還可作為區(qū)域監(jiān)控中繼設(shè)備，用于解決因設(shè)備與監(jiān)控模塊之間距離過遠而造成的信號衰減問題。另外在管路上設(shè)置電液式閥門，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行的狀態(tài)，并對水量、水質(zhì)等重要指標進行監(jiān)測存儲。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)控箱、監(jiān)控模塊、淡水補給控制箱、電液式閥門、水量監(jiān)測模塊和水質(zhì)檢測模塊組成。

1)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。數(shù)據(jù)監(jiān)控箱由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊、CAN通信模塊、顯示模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。全船一般設(shè)置1臺數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，監(jiān)控箱布置在機電集控中心，集中實現(xiàn)日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測、報警和控制功能。

2)監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、CAN通信模塊、RS485通訊模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。監(jiān)控模塊全船均布，其數(shù)量根據(jù)日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)分區(qū)確定，一般一個監(jiān)控區(qū)設(shè)1臺監(jiān)控模塊。

3)淡水補給控制箱。淡水補給控制箱由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、RS485通信模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。淡水補給監(jiān)控箱一般設(shè)置在露天平臺岸補、海補接口處和造水機附近，其數(shù)量根據(jù)補給處所和造水機艙室數(shù)量確定。

4)電液式閥門。電液式閥門由驅(qū)動頭、閥門、15 m線纜和接線盒組成。電液式閥門主要用于液艙進出水控制，供水及調(diào)撥總管的控制等，其數(shù)量根據(jù)淡水艙數(shù)量及淡水總管數(shù)量確定。

5)水量監(jiān)測模塊。水量監(jiān)測模塊由電磁流量計、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。數(shù)量監(jiān)控模塊主要用于采集系統(tǒng)的耗水量，其數(shù)量根據(jù)供水裝置的數(shù)量確定。

6)水質(zhì)檢測模塊。水質(zhì)檢測模塊由余氯傳感器、濁度傳感器、信號變送器、電源模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、水樣采集模塊、設(shè)備支架以及數(shù)據(jù)采集、處理及通訊軟件組成。主要用于檢測全船淡水的水質(zhì)[2]，一般全船配置1臺。

2 功能

2.1 系統(tǒng)功能

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對全船的洗滌冷水系統(tǒng)、洗滌熱水系統(tǒng)、飲用水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、淡水制備系統(tǒng)、淡水閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)及甲板漏水系統(tǒng)進行集中監(jiān)測、報警和控制。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)置的1臺數(shù)據(jù)監(jiān)控箱和每個區(qū)域內(nèi)設(shè)置的監(jiān)控模塊采集本區(qū)域內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)和綜合故障報警、淡水消耗量、閥門開閉狀態(tài)和綜合故障報警等信息，并執(zhí)行部分設(shè)備的遙控、閥門遙控開閉等控制。監(jiān)控系統(tǒng)功能流程見圖1。

2.2 主要設(shè)備功能

1)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。數(shù)據(jù)監(jiān)控箱通過平臺網(wǎng)絡(luò)以雙冗余以太網(wǎng)形式接收淡水艙、艙底油污水艙等液艙的液位信息，并進行顯示。數(shù)據(jù)監(jiān)控箱具有系統(tǒng)內(nèi)部分設(shè)備的遠程遙控控制，具有系統(tǒng)內(nèi)電液式閥門開閉的遙控控制，以實現(xiàn)淡水補給、調(diào)撥、水艙取水等控制功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)控箱通過雙冗余CAN總線接收各監(jiān)控模塊采集的電動疏水泵、凝水排放裝置、熱水裝置、水質(zhì)調(diào)節(jié)裝置、循環(huán)過濾裝置、水量監(jiān)測模塊、海水/淡水板式換熱器、變頻供水裝置、反滲透海水淡化裝置、水質(zhì)后處理裝置、礦化裝置、消毒劑投放裝置、淡水泵，淡水艙、消毒劑投放、循環(huán)過濾控制閥，海水/淡水板式換熱器、油污水收集艙控制閥、電動疏水泵、電動柱塞泵等設(shè)備的狀態(tài)信號、故障報警，淡水消耗量，淡水循環(huán)泵出口水質(zhì)(濁度和余氯)及電液式閥門的啟閉狀態(tài)及故障報警等信息，并進行顯示。同時接收淡水補給控制箱的閥門遙控啟停指令，進行相應(yīng)閥門啟?？刂啤?/p>

數(shù)據(jù)監(jiān)控箱能通過監(jiān)控模塊對熱水裝置、海水/淡水板式換熱器、變頻供水裝置、反滲透海水淡化裝置、淡水艙控制閥、淡水泵，消毒劑投放、循環(huán)過濾控制閥，電動疏水泵、礦化供水泵進行遠程遙控。

2)監(jiān)控模塊。每臺監(jiān)控模塊分別采集相應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)及故障報警、淡水消耗量、淡水循環(huán)泵出口水質(zhì)(濁度和余氯)及電液式閥門的啟閉狀態(tài)及故障報警等信息，并通過雙冗余CAN總線傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，并在數(shù)據(jù)監(jiān)控箱上進行狀態(tài)及報警顯示。

監(jiān)控模塊通過RS485通信接口、和開關(guān)量輸入接口采集對應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備和電液式閥門的狀態(tài)和綜合故障報警信息，并通過雙冗余CAN總線將采集對應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)和綜合故障報警信息，以及淡水補給控制箱的閥門遙控啟停指令發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。

監(jiān)控模塊通過雙冗余CAN總線接收數(shù)據(jù)監(jiān)控箱發(fā)送的控制指令實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部分設(shè)備的遠程遙控控制和系統(tǒng)內(nèi)電液式閥門開閉的遙控控制，以實現(xiàn)淡水補給、調(diào)撥、水艙取水等控制功能。

監(jiān)控模塊通過RS485通訊接口采集淡水補給控制箱的閥門遙控啟停指令。

3)淡水補給控制箱。淡水補給控制箱具備系統(tǒng)內(nèi)各電液式遙控閥門的遙控啟停控制功能：通過RS485通信接口發(fā)送閥門啟?？刂浦噶罱o對應(yīng)的監(jiān)控模塊，再由監(jiān)控模塊將閥門啟?？刂浦噶钔ㄟ^CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，最后由數(shù)據(jù)監(jiān)控箱向?qū)?yīng)區(qū)域的監(jiān)控模塊發(fā)送指令實現(xiàn)控制。

淡水補給控制箱具備日用水系統(tǒng)中各淡水艙的液位顯示功能。

4)電液式閥門。電液式閥門接收監(jiān)控模塊的控制信號，實現(xiàn)相應(yīng)管路的通斷控制。

5)水量監(jiān)測模塊。水量監(jiān)測模塊對各變頻供水裝置的淡水輸出量進行測量，并將信息傳輸給監(jiān)控模塊。

6)水質(zhì)監(jiān)測模塊。水質(zhì)監(jiān)測模塊對淡水循環(huán)泵出口水質(zhì)(濁度和余氯)進行監(jiān)測，并將信息傳輸給監(jiān)控模塊。

3 性能

1)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。①船供AC220 V/50 Hz三相電源；②以太網(wǎng)：10～100 M自適應(yīng)；③RS485通信接口；④具備加固顯示屏顯示及遠程遙控功能。

2)監(jiān)控模塊。①船供AC220 V/50 Hz三相電源；②RS485通信接口。

4 架構(gòu)

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式構(gòu)架[3]，系統(tǒng)的組成設(shè)備分為3層，分別為監(jiān)控管理層、區(qū)域采集控制層和現(xiàn)場設(shè)備層，見圖2。

監(jiān)控管理層設(shè)備由集中監(jiān)控臺組成，是日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)的上級系統(tǒng)：輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互的接口，通過總線以太網(wǎng)獲取各區(qū)域的輔機監(jiān)測數(shù)據(jù)，以友好人機界面的形式，顯示全船輔機的啟停運行狀態(tài)，對故障進行聲光報警，實現(xiàn)對輔機的遠程控制操作。

區(qū)域采集控制層是日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)的中間層，由數(shù)據(jù)監(jiān)控箱、監(jiān)控模塊及區(qū)域子網(wǎng)組成，區(qū)域子網(wǎng)是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)監(jiān)控箱與監(jiān)控模塊通過總線相連，將區(qū)域內(nèi)設(shè)備及閥件的監(jiān)控信息集中處理，現(xiàn)場采控模塊根據(jù)設(shè)備的分布現(xiàn)場布置，可解決設(shè)備位置分散的問題。這種區(qū)域子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式可提高總線主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，避免接入點過多而信息量小，同時還滿足分布式的測控需求。

現(xiàn)場設(shè)備層主要是分布在管路上的淡水補給控制箱、電液式閥門、水量監(jiān)控模塊和水質(zhì)監(jiān)控模塊，為系統(tǒng)提供設(shè)備運行狀態(tài)信號和控制接口，如提供開關(guān)量、模擬量信號或通信的輸入輸出。開關(guān)量規(guī)格為DC24 V，模擬量規(guī)格為4～20 mA，通信接口可統(tǒng)一為RS485，可以覆蓋大多數(shù)的傳感信號和監(jiān)控信號。

5 接口

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)的接口可分為2類：一類通過硬線連接；一類通過通信線連接。

1)與上級系統(tǒng)接口。日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱通過平臺網(wǎng)與上級系統(tǒng)的集中監(jiān)控臺進行通信，向上級系統(tǒng)(輔機監(jiān)控臺)發(fā)送采集到的日用水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和報警信息，并向日用水系統(tǒng)設(shè)備發(fā)送輔機監(jiān)控臺的控制信號。

2)與日用水系統(tǒng)接口。日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)采集模塊通過CAN總線、RS485總線、觸點信號、模擬量信號等方式與日用水系統(tǒng)設(shè)備進行通訊，采集日用水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和故障報警信號，同時把日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱和上級系統(tǒng)集中監(jiān)控臺的控制信號傳輸給日用水系統(tǒng)設(shè)備。

3)與配電系統(tǒng)接口。

數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

監(jiān)控模塊。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率3 000 W。

淡水補給控制箱。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

4)人機操作接口。日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)人機操作接口通過軟件實現(xiàn)，在日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱和上級系統(tǒng)集中監(jiān)控臺可集中處理日用水系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控報警信息，軟件可按分系統(tǒng)進行界面劃分，以便于不同系統(tǒng)的集中管理。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)洗滌冷水主控界面如圖3所示，可實現(xiàn)不同供水工況的選擇與轉(zhuǎn)換，進行高、低區(qū)管網(wǎng)監(jiān)控界面轉(zhuǎn)換等控制功能。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)洗滌冷水管網(wǎng)監(jiān)控界面如圖4所示，可實現(xiàn)電液式閥門控制及各水量的實時動態(tài)數(shù)據(jù)觀察。

依照變頻供水系統(tǒng)的基本特性[4]，日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測全船耗水量，還能夠顯示實時供水裝置出口流量曲線和裝置出口流量分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)。變頻供水裝置出口流量曲線和出口流量分布統(tǒng)計見圖5和圖6。

6 結(jié)論

基于日用水系統(tǒng)的特點和設(shè)備功能，通過對系統(tǒng)設(shè)備組成、功能、性能、架構(gòu)和接口的分析研究，提出一種適用于大型船舶的日用淡水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)采用典型的分布式測控架構(gòu)，分層采集和集中控制，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，有利于提高對全船水資源的管理能力，提高日用水系統(tǒng)設(shè)備的運行效能和故障保障能力，減少船員的工作強度，提升全船的信息化和自動化水平。

[1] 宋瑋,船用反滲透海水淡化裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2007.

[2] 楊俊.船舶淡水渾黃案例分析[J].中國水運,2013,13(9):115-116.

[3] 涂海川.船舶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].上海：上海交通大學(xué),2006.

[4] 朱玉堂.變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究開發(fā)及應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)，2005.

On Monitoring and Controlling System of Daily Water System for Large Ship

LIU Yi, PAN Jin-ping

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

According to information and automation development needs, a scheme of monitoring and controlling system of daily water system for large ship was proposed. The equipment composition, function, performance, structure and interface of the system were analyzed. The system can improve the management ability of water resource for the ship, reduce the working strength of crew, improve the level of normalization and automation for the ship.

large ship, daily water, monitoring and controlling, schematic studies

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.015

2017-01-18

國家部委基金資助項目

劉毅(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶保障系統(tǒng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0066-04

修回日期：2017-03-07