王福利，郭力峰

（1. 上海交通大學，上海 200030；2. 中國艦船研究設計中心，上海 201108）

電氣與自動化

電機集中管理系統(tǒng)在船舶上的設計應用

王福利1,2，郭力峰2

（1. 上海交通大學，上海 200030；2. 中國艦船研究設計中心，上海 201108）

結合一種基于CAN總線技術的全船電機監(jiān)控設備，設計一套船舶電機集中管理系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的設備組成、功能實現(xiàn)特點等，為傳統(tǒng)的船舶平臺管理系統(tǒng)設計提供一種與以往不同的方法。

船舶；電機；CAN；集中管理

0 引 言

隨著現(xiàn)代船舶在電氣化、自動化領域快速發(fā)展，電機設備在各系統(tǒng)中得到大量應用。在傳統(tǒng)設計中，船舶電機的控制除了成套設備自帶控制系統(tǒng)以外，大多采用單獨配置啟動裝置的方式進行監(jiān)測、控制及保護。在日常使用維護和管理中，由于電機設備及其啟動裝置布置分散，若不具備統(tǒng)一管理功能，則需船員在實際操作使用中付出較大的勞動。

目前，民用船舶設計廣泛采用全船平臺管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將船舶平臺歸為一個系統(tǒng)整體，并對系統(tǒng)內的各設備進行在線監(jiān)測和集中管理，對船舶平臺運行功能平穩(wěn)、人員實時性介入控制要求不高的船舶（如遠洋運輸船等）較為適用。對于一些特殊船舶（如海洋執(zhí)法船），其在運行過程中會面對各種復雜工況，采用與一般船舶類似的平臺管理系統(tǒng)不足以針對各種需求作出實時反應，需值班人員在相應位置處迅速介入管理。在這種情況下，可通過對涉及船舶安全的防火、滅火、抑爆及通風機、供油泵等系統(tǒng)設備進行信息互聯(lián)與控制，以保障船舶安全為目的，以監(jiān)測及控制全船電機運行狀態(tài)為手段，構建全船電機集中管理系統(tǒng)，以船舶平臺管理系統(tǒng)分系統(tǒng)的形式進行獨立監(jiān)控，這既能保證全船日常的統(tǒng)一管理，又可在復雜工況下控制人員有針對性地實時介入。

1 電機集中管理系統(tǒng)

船舶電機集中管理系統(tǒng)是一種基于工業(yè)級計算機、現(xiàn)場總線微處理的網絡控制系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)按照分散控制、集中管理的設計理念，將傳統(tǒng)設計中啟動器直接控制的一級管理模式附加高一級的管理設備，形成二級管理系統(tǒng)，向原啟動器內植入微處理器采集控制模塊，并通過現(xiàn)場總線網絡進行連接，將所有信息通過網絡傳輸并在具有控制功能的集中管理設備上進行顯示和控制。

電機集中管理系統(tǒng)主要由集中管理設備和智能啟動器等設備組成（見圖1），具有較完善的用戶自定義功能。用戶可針對不同的負載設定電機的各種保護參數(shù)，在控制上設定電機的順序啟動，分類、分組啟動及間隔時間，并實時監(jiān)測電機的狀態(tài)信息，對重要信息進行存儲。

圖1 電機集中管理系統(tǒng)設備組成

在應用中，由電機集中管理設備對電機集中管理系統(tǒng)內各電機設備的運行參數(shù)進行集中顯示和管理，給管理人員帶來極大的便利。同時，可利用該系統(tǒng)的外部通信接口與其他系統(tǒng)建立信息交互[3]，從而擴展管理功能，并向相關系統(tǒng)發(fā)送其需要的電機控制決策信息。

2 系統(tǒng)設計及網絡組成

在某船舶中，獨立配置啟動器的電機類負載主要有風機和泵類，包括機艙通風機、艙室離心風機、油泵及水泵等，這些設備大多與船舶本身的消防系統(tǒng)有關。在傳統(tǒng)設計中，當發(fā)生火災時，確認火情后可通過遙切按鈕將機艙通風、油泵或全船通風機的供電切斷，以減緩火情蔓延、增強滅火效果。這種設計會在全船通風區(qū)域劃分和CO2（或其他滅火劑）滅火艙室較多的情況下使無關通風區(qū)域受到影響，增加遙切系統(tǒng)設計的復雜度。同時，在CO2（或其他滅火劑）系統(tǒng)無法獲知實際遙切效果的情況下，該系統(tǒng)的滅火效果可能會因通風系統(tǒng)的運行而大幅降低。

在該船的設計中，以電機集中管理系統(tǒng)的基本功能為依托，通過擴展功能接口，以總線通信的方式實現(xiàn)與火警探測系統(tǒng)控制主機、CO2滅火系統(tǒng)主機及主配電板等裝置的通信[4-5]。在電機管理網絡劃分中，為減少電纜敷設長度，根據(jù)總布置情況設置2個網絡，電機集中管理系統(tǒng)原理網絡圖見圖2。

圖2 電機集中管理系統(tǒng)原理網絡圖

該船的電機集中管理系統(tǒng)包含1臺嵌入式電機集中管理設備、2屏電機組合啟動屏、5臺通風啟動箱及若干獨立智能啟動器，管理范圍包括機艙通風機、油泵、冷卻海水泵、消防水泵、壓載泵及全船離心通風機等。主要電機啟動控制設備分布見表1。

表1 主要電機啟動控制設備分布

該船的消防系統(tǒng)主要有水消防系統(tǒng)、CO2滅火系統(tǒng)、水成膜泡沫滅火和固定式水基滅火系統(tǒng)（細水霧滅火），其中CO2滅火系統(tǒng)保護的范圍包括機艙、油料儲存間及航空加油站，在施放前需確認通風機是否已停止工作。

該船的火災探測系統(tǒng)采用帶有地址編碼的智能型火災探測器，能識別各監(jiān)測艙室的信息，通過對全船監(jiān)測點進行區(qū)域劃分，確保與通風系統(tǒng)劃分相對應。電機集中管理系統(tǒng)對系統(tǒng)內的風機和油泵按同樣區(qū)域劃分分組，實施區(qū)域化啟停控制。電機分組及對應關系見表2。

表2 電機分組及對應關系

3 系統(tǒng)功能

該船的電機集中管理系統(tǒng)管理的電機主要有風機、油泵及水泵等，能對每個電機設備進行保護參數(shù)設定、區(qū)域化管理和在線監(jiān)測等，同時與火警探測系統(tǒng)主機、CO2滅火系統(tǒng)主機及損管監(jiān)控系統(tǒng)進行信息交互，根據(jù)不同的信息類型實時聯(lián)鎖提示操作。

3.1 基本參數(shù)設定

傳統(tǒng)的電機控制設備通常采用在電源線路中接入帶有電磁脫扣單元的塑殼式斷路器配合熱磁繼電器的方法，基本能實現(xiàn)電機短路保護和過載保護，但這種電子元器件本身存在一定的動作誤差，且在人為整定過程中精準度較差。

電機集中管理系統(tǒng)采用穿芯式電流互感器采集電機的運行電流，對電機提供過載保護、堵轉保護及不平衡保護等多種完善的保護功能，可根據(jù)不同的負載特性設置不同的保護特性曲線。過載保護基于電機熱保護的反時限特性算法模型，相比傳統(tǒng)的熱繼電器，保護更精確可靠。在控制策略上，既可對每個電機進行單獨控制，也可設定電機的啟動順序，分類、分組啟動及其間隔時間，并實時監(jiān)測電機的輸入電流、運行狀態(tài)等信息，對重要信息進行存儲。電機保護參數(shù)設定和分區(qū)模擬監(jiān)控分別見圖3及圖4。

圖3 電機保護參數(shù)設定

圖4 分區(qū)模擬監(jiān)控

3.2 分區(qū)域啟?？刂?/h3>

在某些特定的環(huán)境下，需對船舶某區(qū)域內的電機設備執(zhí)行全部停止或遙控啟動操作。例如，《中國海警艦艇入級規(guī)范》[6]中有關損害管制功能的明確要求，即“設有遙控關閉主機艙、鍋爐艙、輔機艙、直升機機庫的機械通風機及燃油泵與燃油速關閥的設施,還應設有這些風機、泵的運行狀態(tài)的指示燈。通風機、燃油泵、燃油速關閥亦可分區(qū)遙控啟閉”。由此可知，通過切斷設備的供電電源實現(xiàn)風機和油泵關閉功能的傳統(tǒng)設計較難實現(xiàn)“分區(qū)遙控啟閉”功能，而電機集中管理設備的分區(qū)控制功能則能很好地實現(xiàn)該功能。

例如，當全船某處發(fā)生火災時，火警控制主機將火警所屬區(qū)域的信息發(fā)送給電機集中管理設備，電機集中管理設備自動切換到該區(qū)域的分區(qū)風機停止詢問界面并發(fā)出音響報警提示，操作人員確認后即可停止該區(qū)域內所有的通風或油泵設備，在保證切斷失火區(qū)域通風或油泵設備的同時，降低火災的影響范圍。電機設備分區(qū)域順序啟動可大幅度降低工作人員的勞動強度，保證電網品質不受疊加沖擊電流的影響，如在集中管理設備上實現(xiàn)全船風機設備的啟動控制等。電機分區(qū)停止和分區(qū)啟動分別見圖5及圖6。

圖5 電機分區(qū)停止

圖6 電機分區(qū)啟動

3.3 聯(lián)鎖控制

電機集中管理系統(tǒng)與損害管制監(jiān)控系統(tǒng)及CO2滅火系統(tǒng)均建立數(shù)據(jù)交互，當損管系統(tǒng)進行風機、油泵的遙切控制或滅火系統(tǒng)施放時，電機集中管理系統(tǒng)同時發(fā)出相應電機的停止指令，從而實現(xiàn)該電機在控制設備和電源上的雙重停止。

4 結 語

電機集中管理系統(tǒng)具有較完善的電機控制和監(jiān)測功能，以分散控制、集中管理為特點，既可根據(jù)不同電機的負載特性設定保護參數(shù)，也可根據(jù)實際使用需求對電機負載進行分類和分區(qū)控制。同時，其具有豐富的可擴展接口，能與船舶其他系統(tǒng)或設備形成很好的信息交互，執(zhí)行對方發(fā)送的必要指令，發(fā)送電機負載運行狀態(tài)信息等，形成一套獨立的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常在全船平臺管理系統(tǒng)內統(tǒng)一管理，在應急狀況下將涉及船舶安全的火災探測、艙室滅火和風油遙切控制獨立管理，提升船舶應急狀態(tài)下的針對性管理，為傳統(tǒng)的船舶平臺管理系統(tǒng)設計提供一種不同的方法，具有較高的實際使用價值。

[1] 楊東升，張偉，吳宏，等. 基于現(xiàn)場總線和微處理技術的船舶電機集中監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 造船技術，2010 (6): 40-41.

[2] 侯馨光. 現(xiàn)場總線技術與船舶自動化[J]. 上海造船，1998 (2): 54-57.

[3] 湯天浩. 船舶智能化信息系統(tǒng)的探討[J]. 上海造船，2007 (3): 29-31.

[4] 嚴凡，郭小松，張燕琴. 船舶閥門遙控系統(tǒng)電氣設計優(yōu)化與實踐[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (2): 45-48.

[5] 馬東旭，王海燕，王兆強. CAN總線技術在船舶主機遙控系統(tǒng)中的應用[J]. 造船技術，2011 (2): 53-56.

[6] 中國船級社. 中國海警艦艇入級規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2011.

Design and Application of Centralized Motor Management System on Ships

WANG Fu-li，GUO Li-feng

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China;2. China Ship Development and Design Center, Shanghai 201108, China)

A centralized motor management system is designed for the ship motor monitoring equipment based on CAN bus technology. This paper introduces the composition, the functions and the characteristics of the system in order to provide a distinctive method for the conventional ship platform management system.

ship; motor; CAN; centralized management system

U665.11

A

2095-4069 (2017) 05-0068-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.013

2016-11-25

王福利，男，工程師，1981年生。2005年畢業(yè)于東華大學電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船舶電氣專業(yè)技術方面的工作。