謝罡華 廣東新船重工有限公司

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提升，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為時(shí)代熱點(diǎn)，積極建設(shè)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，科學(xué)引入能夠穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行的保障技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化電氣設(shè)備運(yùn)行能力，以從根本上保證我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力的高速發(fā)展。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員須嚴(yán)格遵照船舶行業(yè)電氣自動(dòng)化需求，根據(jù)工業(yè)實(shí)際來(lái)選取合適的設(shè)計(jì)思路，從降低電磁干擾，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，穩(wěn)定數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等多個(gè)方面對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠保障。

1.船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)船舶精細(xì)化管理、自動(dòng)化管理為目的，以計(jì)算機(jī)微處理為核心，科學(xué)合理地進(jìn)行船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)設(shè)計(jì)人員須綜合考慮船舶電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行能力及產(chǎn)品質(zhì)量等因素，并結(jié)合船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及企業(yè)的生產(chǎn)需要，以保證船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)須擁有多模塊協(xié)作、智能網(wǎng)絡(luò)管理等功能，并且盡量采用計(jì)算機(jī)微處理技術(shù)，以便于后續(xù)安裝，同時(shí)利于設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行后臺(tái)應(yīng)用管理，保證現(xiàn)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并有效提升船舶電氣設(shè)備的工作性能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)人員須重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)功能模塊的優(yōu)化配置，保證各模塊之間能夠正常協(xié)作，以真正實(shí)現(xiàn)船舶電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化、效率化，從而降低工作人員的工作難度。

1.1 船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 組合法設(shè)計(jì)思路

組合法是目前我國(guó)一種應(yīng)用普遍的船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，尤其適用于船舶數(shù)控設(shè)備電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。組合法通過利用高新技術(shù)手段，將各類功能模塊進(jìn)行連接組合，以實(shí)現(xiàn)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，合理利用組合法進(jìn)行船舶數(shù)控設(shè)備電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可以保證船舶數(shù)控設(shè)備功能多樣化，并提高設(shè)備的運(yùn)行能力。同時(shí)組合法具有多模塊組合設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)功能齊全，可以在現(xiàn)有的船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改裝，將各類功能模塊進(jìn)行合理整合，設(shè)計(jì)方案操作難度小，設(shè)計(jì)思路清晰明了，且設(shè)計(jì)耗時(shí)較短，可以較好地實(shí)現(xiàn)船舶電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制。但是在船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要配置大量性能迥異的功能模塊，因此設(shè)計(jì)人員在利用組合法進(jìn)行船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，須結(jié)合船舶電氣設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)需求來(lái)進(jìn)行功能模塊的組合連接，保證各功能模塊之間不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行沖突，避免影響船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程。

1.1.2 取代法設(shè)計(jì)思路

取代法是一種應(yīng)用廣泛的船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過取代法將電子線路與船舶機(jī)械設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行替換，有效解決工作模式單一的問題，以達(dá)到對(duì)船舶電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制效果，因此與組合法相比，取代法更適用于對(duì)電子化程度要求高的船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中。同時(shí)利用取代法進(jìn)行船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員須合理利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，以保證精確完成電子線路的替換工作。需要注意的是，取代法設(shè)計(jì)思路下的船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)除了可以有效提高船舶電氣設(shè)備的工作性能外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以便設(shè)計(jì)人員對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析，并根據(jù)工作狀態(tài)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化，對(duì)保證船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果具有重要意義。

1.1.3 整體法設(shè)計(jì)思路

整體法與取代法的設(shè)計(jì)思路較為相似，但是整體法須將電子線路與船舶機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理融合，以此實(shí)現(xiàn)船舶電氣自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)。通過整體法設(shè)計(jì)，可以讓船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)具備較多功能，但是需要注意的是，通過整體法進(jìn)行船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)人員具備較高實(shí)操能力，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)，需要大量科研資金，因此設(shè)計(jì)成本遠(yuǎn)高于其他兩種設(shè)計(jì)思路，但通過整體法設(shè)計(jì)思路對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)研究，有利于現(xiàn)代自動(dòng)化控制理論的發(fā)展。在進(jìn)行船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)思路選擇時(shí)，技術(shù)人員須實(shí)時(shí)觀測(cè)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)況，對(duì)三種方式進(jìn)行適當(dāng)模擬，以此保障船舶電氣設(shè)備的工業(yè)運(yùn)行能力，從而有效提高企業(yè)工業(yè)化水平。

1.2 自動(dòng)化算法設(shè)計(jì)思路

船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)利用微型計(jì)算機(jī)和集成電路板中的間隔模塊，對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過濾波器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，最終通過計(jì)算機(jī)模塊中的內(nèi)置算法，對(duì)濾波過后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，以對(duì)電氣設(shè)備重點(diǎn)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，保證系統(tǒng)自動(dòng)化功能的時(shí)效性、安全性?，F(xiàn)階段船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)置算法種類較多，但較為常用的兩類算法是基于標(biāo)準(zhǔn)正弦波的半周期積分算法，和基于周期函數(shù)的傅里葉算法。由于標(biāo)準(zhǔn)正弦波在任意周期的積分絕對(duì)值都為固定值，且數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度為0.1s，因此通過半周期積分算法，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)置模塊可以有效消除電氣設(shè)備中的高次諧波干擾，同時(shí)由于船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能強(qiáng)大，采樣頻率高，因此該算法所需CPU占比較低，可以有效控制船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的能耗問題。但是需要注意的是，半周期積分算法無(wú)法消除電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)中的固定直流分量，必須借助數(shù)字濾波器降低直流信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)采集的干擾。

通常情況下，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)采集到的電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)是較為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電氣設(shè)備的輸出信號(hào)將嚴(yán)重變形，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)干擾，影響數(shù)據(jù)處理結(jié)果，因此當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，須啟用系統(tǒng)內(nèi)置的傅里葉算法，以消除高次諧波周期信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)處理的干擾，實(shí)現(xiàn)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的保障功能。

1.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)主要包含控制模塊、信號(hào)采集模塊、開關(guān)量模塊、通信模塊、顯示模塊和電源裝置等硬件系統(tǒng)。電源裝置主要起到穩(wěn)定船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)電壓電流的作用。控制模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理功能，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，與開入量模塊進(jìn)行交互，以對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行合理判斷。信號(hào)采集模塊主要用于對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)中的高電壓、高電流轉(zhuǎn)換為可供裝置采集的弱電信號(hào)，并將通過數(shù)字濾波器將弱點(diǎn)信號(hào)濾波為數(shù)字信號(hào)，以便控制模塊對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。開入量模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備保障裝置、開關(guān)等外部連接設(shè)備的位置采集功能，并錄入電氣線路的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)控制單元的計(jì)算結(jié)果，判斷是否需要采取電氣自動(dòng)化系統(tǒng)保障措施。顯示模塊通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示處理后的電氣系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，以便技術(shù)人員對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行記錄。通信模塊通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將重要運(yùn)行數(shù)據(jù)及電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障情況及時(shí)上傳到通信終端，并由通信終端反饋至監(jiān)控中心，以便技術(shù)人員及時(shí)對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行排查檢修。

1.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

由于船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中存在嵌入式微型計(jì)算機(jī)，因此技術(shù)人員可選擇KeiluVision3等程序編譯平臺(tái)對(duì)自動(dòng)化軟件進(jìn)行開發(fā)。結(jié)合船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件開發(fā)要求，以及后期軟件系統(tǒng)維護(hù)更新，應(yīng)對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，即驅(qū)動(dòng)層、操作層以及應(yīng)用層三大模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如如圖1所示。其中驅(qū)動(dòng)層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制；操作層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)保障功能的管理及調(diào)控，以便為應(yīng)用層提供功能處理空間；應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的各大功能。驅(qū)動(dòng)層包括系統(tǒng)存儲(chǔ)、系統(tǒng)時(shí)鐘等模塊，并通過對(duì)應(yīng)程序?qū)σ壕?、LED指示燈、外接按鍵等控制硬件設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。其中系統(tǒng)時(shí)鐘為操作層提供了時(shí)間控制功能，并通過外接按鍵及液晶屏、LED指示燈等驅(qū)動(dòng)程序?yàn)轱@示模塊提供顯示功能。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)置算法的邏輯判斷、控制模塊的數(shù)據(jù)處理，開關(guān)量模塊的定位檢測(cè)、通信模塊的反饋通信等功能，是船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)最為重要的軟件系統(tǒng)模塊。

圖1 船舶電氣自動(dòng)化軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.船舶電氣化自動(dòng)系統(tǒng)保障技術(shù)

2.1 抗電磁干擾技術(shù)

為保障船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行，技術(shù)人員須合理利用電磁兼容原理，及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)抗電磁干擾設(shè)計(jì)。通過抗電磁干擾技術(shù)，技術(shù)人員可以對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的干擾源進(jìn)行有效阻隔，并有效隔斷部分電磁干擾信號(hào)的介入，在一定程度上降低自動(dòng)化系統(tǒng)受到的電磁干擾程度，確保系統(tǒng)輸出輸入數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性。同時(shí)由于電氣設(shè)備的金屬外殼可以吸收大部分電磁能量，且能對(duì)高頻電磁波起到一定的反射作用，因此在船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)外部加裝具有電磁屏蔽功能的金屬外殼，保證外界電磁場(chǎng)無(wú)法通過輻射、擴(kuò)散、穿透等方式進(jìn)入電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。同時(shí)技術(shù)人員須在電力設(shè)備開口處鋪設(shè)電磁密封墊層，在最大程度上保證船舶電氣設(shè)備金屬外殼的電連續(xù)性，降低電磁干擾程度。同時(shí)為保證抗電磁干擾技術(shù)的有效實(shí)施，須在系統(tǒng)內(nèi)部電路中安裝一定數(shù)量的濾波器，降低電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。同時(shí)技術(shù)人員應(yīng)對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)開關(guān)量的外接端口、通信模塊的通信端口進(jìn)行光電耦合電磁隔離處理，對(duì)電源裝置進(jìn)行互感器電磁隔離，保證交流信號(hào)與直流信號(hào)有效分離，提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。同時(shí)在設(shè)置了一定數(shù)量濾波器的基礎(chǔ)上，再引入RC吸收裝置，對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行電壓進(jìn)行有效控制，增強(qiáng)系統(tǒng)各組成成分之間的關(guān)聯(lián)度，降低電壓變化幅度，確保船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 優(yōu)化容錯(cuò)技術(shù)

通過合理運(yùn)用優(yōu)化容錯(cuò)技術(shù)，可以在一定程度上降低電氣自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障的概率。若主控系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，技術(shù)人員則可利用容錯(cuò)技術(shù)及時(shí)判斷出系統(tǒng)的故障區(qū)域、故障時(shí)間和故障問題，對(duì)系統(tǒng)部分功能進(jìn)行制動(dòng)維護(hù)，確保系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。若船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)電源模塊出現(xiàn)故障問題，技術(shù)人員則可利用優(yōu)化容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)電源裝置的冷卻水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若冷卻水溫度超過設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)立即切斷電源，并啟動(dòng)散熱裝置，以此延長(zhǎng)電源模塊使用壽命。若電源模塊的散熱裝置發(fā)生故障，無(wú)法及時(shí)降溫，系統(tǒng)則會(huì)立即啟動(dòng)溫度正常的備用電源，降低散熱裝置的工作負(fù)荷，以便技術(shù)人員對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維修

2.3 電力推進(jìn)技術(shù)

電力推進(jìn)技術(shù)是船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的動(dòng)力源保障基礎(chǔ)，可以對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)運(yùn)行提供充足電力。同時(shí)電力推進(jìn)技術(shù)操作簡(jiǎn)便，可以為船舶部分電氣設(shè)備提供自動(dòng)保養(yǎng)功能，進(jìn)一步提高了船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行性能。在實(shí)際運(yùn)用過程中，技術(shù)人員應(yīng)盡量采用交流推動(dòng)方式，以便合理調(diào)控船舶動(dòng)力系統(tǒng)的功率。在船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中搭載交流電無(wú)換向電動(dòng)機(jī)，以對(duì)船舶電氣設(shè)備的運(yùn)行效率、運(yùn)行周期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控，以優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)的工作性能，需要注意的是，若船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的輸出頻率變化幅度過大，將加快交流無(wú)換向電動(dòng)機(jī)的耐久磨損，提高系統(tǒng)運(yùn)維成本，因此技術(shù)人員須根據(jù)實(shí)際情況，有方向性地引入直流無(wú)換向電動(dòng)機(jī)，最大程度發(fā)揮電力推進(jìn)技術(shù)的實(shí)用性，為船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供可靠保障。

2.4 儲(chǔ)備冗余處理技術(shù)

儲(chǔ)備冗余處理技術(shù)是船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。通過并聯(lián)操作將自動(dòng)化系統(tǒng)與數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行可靠連接，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行精確識(shí)別，提取出其中的有用信息進(jìn)行合理儲(chǔ)存，從而確保系統(tǒng)資源利用效率最大化。因此在船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員須合理利用該技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)行，降低數(shù)據(jù)丟失對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的影響，以便技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)丟包等失誤現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)處理，以此提升船舶自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.總結(jié)

通過深入分析船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并對(duì)其中的內(nèi)置算法、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)進(jìn)行了多方面研究，以期實(shí)現(xiàn)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，提高船舶電氣設(shè)備工業(yè)化水平，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中引入多種保障技術(shù)，以促進(jìn)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的全方位發(fā)展。