艦船日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)研究

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(中國艦艇研究設(shè)計中心，武漢 430064)

現(xiàn)代艦船是一個多系統(tǒng)、多結(jié)構(gòu)、多設(shè)備、多組件的綜合平臺[1]。隨著船舶大型化、智能化的發(fā)展以及艦員生活保障水平的不斷提高，艦船日用水系統(tǒng)的功能由單一的造水、儲水、供水、排水向復(fù)雜的多功能船舶保障方向發(fā)展。

目前，國內(nèi)許多艦船仍然采用人員值守加重點巡查的方式管理日用水系統(tǒng)，對全艦設(shè)備和主要閥件采用全手動操作方式，存在操作時間長、艦員工作強度大、信息溝通困難等問題。

現(xiàn)代艦船在以提高艦船綜合性能為目標(biāo)、使用需求為牽引、作業(yè)流程為主線以及在滿足功能要求的前提下，綜合運用軟硬件集成、信息共享、技術(shù)創(chuàng)新等手段，使全艦以最優(yōu)的配置、最少的人員、最低的資源消耗，實現(xiàn)全艦綜合效能的全面提升。在系統(tǒng)集成優(yōu)化的設(shè)計理念的指導(dǎo)下，開展日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控能極大地提高日用水系統(tǒng)智能化、信息化水平，對于改善大型船舶船員的工作環(huán)境，降低勞動強度，提高勞動效率都有十分重要的意義[2]。

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)主要是利用成熟的計算機技術(shù)、監(jiān)測報警技術(shù)、遠程控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)，實現(xiàn)對全艦水資源的集中管理。日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)包括以下主要部分。

1)淡水艙、造水機、海補、生活用水、機械設(shè)備運行狀況等的集中監(jiān)測。

2)水質(zhì)及重要設(shè)備故障的集中綜合報警。

3)主要設(shè)備和閥件的遠程控制。

4)緊急情況下輔助決策。

5)對全艦日用水系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、查詢等現(xiàn)代化管理。

1 日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)設(shè)計

在艦船?？看a頭時，可以利用岸接水資源，艦船的淡水、冷卻水供應(yīng)，污水排放等是可以充分地得到保證的。但當(dāng)艦船滿足遠洋航行時，作為一個孤立的海上平臺，就必須對全艦水資源進行有效的控制和管理，以滿足不同時段、不同對象對日用水資源的特殊要求，保證遠洋任務(wù)的執(zhí)行。

1.1 集中監(jiān)控裝置組成

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)是通過安裝于各設(shè)備上的監(jiān)控模塊將監(jiān)測信號收集到區(qū)域監(jiān)控箱上，經(jīng)區(qū)域監(jiān)控箱分析處理后，再集中發(fā)送到全艦的集中監(jiān)控臺上，達到全艦信息集中顯示、集中控制的目的。集中監(jiān)控裝置主要由集中監(jiān)控臺、區(qū)域監(jiān)控箱和監(jiān)控模塊(含配套軟件)等三大部件組成。

1)集中監(jiān)控臺。主要由顯示設(shè)備、操控設(shè)備和集中監(jiān)控軟件等組成。其主要通過監(jiān)控界面、狀態(tài)顯示、綜合報警、實時數(shù)據(jù)信息和歷史數(shù)據(jù)查詢，實現(xiàn)全艦監(jiān)測信息集中顯示、綜合分析以及遠程控制功能。艦員在一個監(jiān)控臺上就能實時掌握全艦日用水資源的情況及系統(tǒng)全部設(shè)備的狀態(tài)，并通過監(jiān)控臺發(fā)送控制指令，完成操作。集中監(jiān)控臺是集中監(jiān)控系統(tǒng)最為核心的裝置。

2)區(qū)域監(jiān)控箱。主要由數(shù)據(jù)傳輸控制箱、監(jiān)控模塊供電單元和區(qū)域監(jiān)控軟件等組成，包括監(jiān)測信息輸入接口和控制信號輸出接口。區(qū)域監(jiān)控箱的主要功能是收集區(qū)域內(nèi)監(jiān)控模塊采集到的信息，將各離散的監(jiān)測信息集中處理后發(fā)送到集中監(jiān)控臺，并能分析集中控制臺發(fā)出的控制指令對指定設(shè)備進行遠程控制，是一個承上啟下的中間裝置。

3)監(jiān)控模塊。主要由現(xiàn)場采集模塊和采集軟件等組成。其功能是采集監(jiān)控設(shè)備的信號并完成集中監(jiān)控臺下達的控制指令，是集中監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)具體功能的末端裝置。

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 集中監(jiān)控技術(shù)的工作原理

集中監(jiān)控臺和數(shù)據(jù)中心位于管理控制層，是日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)的最頂層設(shè)備，向下通過以太網(wǎng)端口接入平臺網(wǎng)，實現(xiàn)日用水系統(tǒng)的集中監(jiān)測、遠程控制、綜合故障報警和狀態(tài)信號查詢等。

集中監(jiān)控臺采用裝有組態(tài)軟件的工控計算機，區(qū)域監(jiān)控箱采用PLC集成，集中監(jiān)控臺和區(qū)域監(jiān)控箱之間通過平臺網(wǎng)連接，通信采用TCP/IP協(xié)議。

區(qū)域監(jiān)控箱位于數(shù)據(jù)傳輸層，由監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量統(tǒng)一分區(qū)部署。區(qū)域監(jiān)控箱向上通過以太網(wǎng)端口接入平臺網(wǎng)，向下通過工業(yè)以太網(wǎng)端口與現(xiàn)場采集層設(shè)備相連，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)監(jiān)控信號的集中轉(zhuǎn)發(fā)。

區(qū)域控制箱集成有可編程邏輯控制器PLC，負責(zé)處理、分析和傳輸監(jiān)控信號。PLC是一種電子裝置，以可編程內(nèi)存來儲存指令，用微處理器來執(zhí)行指令及運算，以達到控制各種船舶設(shè)備的目的。PLC的控制指令需包括：邏輯、順序、計時、計數(shù)以及算式運算等功能。從結(jié)構(gòu)上而言，PLC為一種特殊用途的計算機，其主要的構(gòu)成部分為程序書寫器、中央處理單元(CPU)、內(nèi)存、輸入模塊、輸出模塊與外圍擴充模塊[3]。

監(jiān)控模塊位于傳輸采集層，根據(jù)設(shè)備監(jiān)控點的位置，并按區(qū)域化采集的需求分船體水密區(qū)布置，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場空調(diào)通風(fēng)設(shè)備監(jiān)控信號輸入輸出，向上通過CAN總線與區(qū)域監(jiān)控箱通信，向下采用電纜線與現(xiàn)場設(shè)備控制箱連接。

CAN總線由于具有良好的可靠性、實時性、抗干擾能力及檢錯能力，因此廣泛地應(yīng)用于船舶的遠程控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)場采集的信號通過CAN總線輸送給集成有PLC區(qū)域控制箱，經(jīng)PLC的CPU處理后通過網(wǎng)線傳輸給集中監(jiān)控臺，同樣集中監(jiān)控臺發(fā)出的控制指令也是通過網(wǎng)線傳輸給區(qū)域控制箱，區(qū)域控制箱PLC的CPU處理后通過CAN總線傳給遠程I/O模塊控制現(xiàn)場設(shè)備的動作。

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)原理見圖2。

圖2 日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)原理示意

2 集中監(jiān)控技術(shù)的主要功能

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)主要是對艦船造水、貯水、供水和用水全過程進行狀態(tài)追蹤和控制。造水和貯水階段主要實現(xiàn)對全艦淡水艙液位的實時監(jiān)測和高低位的超值報警，設(shè)備的運行狀態(tài)顯示及故障報警，對海補岸補注入、造水注入、淡水調(diào)駁等進行綜合報警和遠程控制，監(jiān)控系統(tǒng)主要閥件的工作狀態(tài)；供水和用水階段主要對全艦人員依據(jù)職務(wù)和崗位采取淡水定量分配，水質(zhì)監(jiān)測，系統(tǒng)主要設(shè)備運行狀態(tài)顯示及故障報警。

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)需達到以下三個功能：①集中監(jiān)測、報警功能；②自動控制功能；③綜合管理功能。

2.1 集中監(jiān)測、報警功能

對全艦淡水艙液位信息的集中監(jiān)測，將檢測到的信號傳輸?shù)饺灥募锌刂婆_上。艦員通過集中控制臺顯示器能實時查得各淡水艙的水量。實現(xiàn)對全艦液位艙的高低水位超值報警，整體反映全艦淡水資源的貯存情況。

對淡水注入、調(diào)撥管路上的主要閥門進行開閉狀態(tài)監(jiān)測，并且通過動態(tài)模擬識別板顯示監(jiān)測信息。對全艦淡水系統(tǒng)的海補岸補注入、造水機造水量、淡水調(diào)駁等信息進行集中監(jiān)控，并對異常現(xiàn)象進行綜合報警。

對淡水制備、調(diào)駁及消毒系統(tǒng)的主要設(shè)備，如反滲透海水淡化裝置、礦化裝置、海水供水泵、淡水調(diào)駁泵、水質(zhì)處理裝置、消毒殺菌裝置等進行運行狀態(tài)監(jiān)控和綜合故障報警。

對淡水艙水質(zhì)進行在線監(jiān)測，能實現(xiàn)淡水水質(zhì)細菌超標(biāo)報警。

發(fā)生故障時，區(qū)域監(jiān)控箱和集中監(jiān)控臺都能進行聲光報警，同時在集中監(jiān)控臺上進行記錄，以便查詢。

2.2 自動控制功能

通過淡水艙監(jiān)控系統(tǒng)的采集信息，根據(jù)全艦淡水資源情況，自動啟動(或人為控制)造水設(shè)備并開啟管路閥件，及時補充淡水資源。通過遠程控制淡水艙和淡水管路上的主要閥件，實現(xiàn)在集中監(jiān)控臺上操控淡水海補注入、岸補注入，淡水調(diào)駁等工作。圖3為某典型日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)原理圖。此集中監(jiān)控系統(tǒng)包括兩個主要系統(tǒng)：淡水監(jiān)測管理系統(tǒng)及淋浴管理系統(tǒng)。

圖3 某典型日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)原理示意

日用水系統(tǒng)自動控制原理圖中設(shè)有2個淡水艙，2臺淡水泵。2臺泵其中一臺作為供水泵，以變頻恒壓方式向用戶供水；另一臺作為淡水駁運泵，用于兩個淡水艙淡水駁運或淡水艙消毒工作模式。各主管路上設(shè)有流量傳感器，分別監(jiān)測各用戶主管路上的淡水流量、造水注入流量、海補、岸補注入流量、礦化注入流量等，并通過控制設(shè)備的啟停和調(diào)節(jié)管路上的電磁閥，實現(xiàn)以上功能。

由于艦船上主要的淡水消耗為淋浴用水，對淋浴系統(tǒng)進行監(jiān)控能夠有效地管理淡水資源的使用，提高淡水使用效率。淋浴管理系統(tǒng)通過各支管上的流量計記錄各淋浴頭淡水的使用情況，并通過各支管上的電動閥，控制每名艦員淋浴水的用量，超過用量就自動停止供水。

自動控制系統(tǒng)能夠控制日用水系統(tǒng)內(nèi)的所有主要設(shè)備。被控設(shè)備應(yīng)具有本地控制和遙控兩個功能。設(shè)備的機旁控制箱能夠在本地控制，并且具有“緊急停止/啟動”功能。機旁控制箱能夠接收由集中監(jiān)控室發(fā)送的遙控信號，受集中監(jiān)控室統(tǒng)一監(jiān)控。

2.3 綜合管理及輔助決策功能

日用水系統(tǒng)集中監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)⑷灥娜沼盟Y源情況集中反映到監(jiān)控臺上，通過軟件的綜合分析和計算，可以為全艦日用水資源管理提供輔助決策，幫助艦員合理制定人員配合和管制時間，最大限度提高系統(tǒng)的效率。

要做好艦船日用水資源的使用管理，需要考慮以下幾個方面的因素。

1)不同人員的供水額度。針對不同類型的人員，采用不同的供水量。

2)不同工況下的淡水控制。艦船在執(zhí)行不同任務(wù)時，受不同因素的影響，淡水供給受到了限制，如：艦船?？课鬯闩欧艆^(qū)域，淡水使用量受到了限制；艦船執(zhí)行任務(wù)時，造水設(shè)備故障維修時；艦船岸泊、錨泊、航渡、戰(zhàn)斗等狀態(tài)下淡水供應(yīng)量有差別，必須采取相應(yīng)的控制措施。

3)適時了解全艦淡水艙淡水儲存量，合理調(diào)配各淡水艙淡水供給，淡水調(diào)駁方案，制定合理的淡水補給或造水計劃。

4)監(jiān)測淡水主要用戶供水情況，科學(xué)有效地控制和避開機械和人員的用水高峰。

5)進行淡水使用量統(tǒng)計，掌握淡水消耗規(guī)律。

艦船日用水系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障并發(fā)送報警信號時，在彩色液晶顯示器上應(yīng)能清晰示明設(shè)備部位和時間，并經(jīng)查詢能將其信息翻轉(zhuǎn)至發(fā)生故障的這一頁。同時在彩色液晶顯示器上應(yīng)能清晰顯示相關(guān)的信息資料，指導(dǎo)艦員用最短的時間了解故障設(shè)備信息和部位，盡快處理故障。彩色液晶顯示器顯示的信息可通過打印機打印。

集中監(jiān)控臺自帶硬盤能夠?qū)θ炄沼盟到y(tǒng)的測點數(shù)據(jù)進行存儲，并且可以對存儲的數(shù)據(jù)進行二次處理，得出全艦實時用水?dāng)?shù)據(jù)、全天用水?dāng)?shù)據(jù)、剩余用水時間等數(shù)據(jù)，整理出相應(yīng)的圖表，顯示上述信息。

3 結(jié)束語

本文分析了艦船日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)設(shè)計方法，包括日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控裝置組成和工作原理。針對艦船的日用水系統(tǒng)的特點，分析了集中監(jiān)控技術(shù)所要實現(xiàn)的主要功能以及實現(xiàn)方法。

艦船日用水系統(tǒng)集中監(jiān)控技術(shù)是艦船日用水系統(tǒng)的重要組成部分，其實現(xiàn)對全艦日用水資源的集中監(jiān)測、控制及綜合報警功能。在統(tǒng)籌優(yōu)化監(jiān)控資源的基礎(chǔ)上，完成全艦淡水資源的自動調(diào)節(jié)，可加強對全艦日用水資源和系統(tǒng)主要設(shè)備的監(jiān)測及運行管理能力，簡化艦員操作流程，減少巡視及工作強度，提升各設(shè)備運行效能、故障響應(yīng)速度和保障能力，對提高全艦信息化水平有積極的作用。

[1] 李興林.船舶監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用[J].中國航海，2007(4)：59-61.

[2] 林 銳,張時農(nóng),曾 勇.船舶淡水監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[J].船舶,2010(6)：36-37.

[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.