“IEEE 45.2TM-2011”綜述

于浩洋，許 嘉，徐義亨，俞 翔，葉 瑩

（1. 浙江中控研究院有限公司，杭州 310053；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

“IEEE 45.2TM-2011”綜述

于浩洋1，許 嘉2，徐義亨1，俞 翔1，葉 瑩1

（1. 浙江中控研究院有限公司，杭州 310053；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

美國電氣與電子工程師學會于2011年9月批準頒布了“IEEE 45.2TM-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation”，涉及船舶的控制、控制系統(tǒng)的應用、控制設備以及自動化。對船舶的動力設備、推進裝置、駕駛、自動化、導航、照明、通信等系統(tǒng)與其設備的設計、選型及安裝，本推薦規(guī)程規(guī)定了最低要求。本規(guī)程反映了當今的技術、工程方法與工程實踐，適用于客船、貨船、油船、海上移動鉆井裝置等水面船舶的控制及自動化。

船舶；控制；自動化

0 引言

早在 2002年美國電氣與電子工程師學會頒布了“IEEE 45TM-2002 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard（船舶電氣裝置的推薦性規(guī)程）”[1]。2008年之后，經(jīng)修定又將其分成8個獨立的分冊（見附錄），其中第2分冊“IEEE 45.2TM-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation”[2]是船舶控制與自動化的專輯（下稱：規(guī)程）。本文綜述“IEEE 45.2TM-2011”規(guī)程的全部內(nèi)容，部分引用了IEC標準[3-4]和加拿大運輸標準[5]中的相關內(nèi)容。

1 對文件的規(guī)定

船舶的控制與自動化設備一旦在海洋行駛中發(fā)生故障，船上維修人員所面臨的任務便是排障，所以該規(guī)程首先對船上應保存的有關控制與自動化方面的文件作了詳細的規(guī)定，除了包括設備的電子線路、技術手冊和操作指南外，還應包括工程設計圖紙、軟件的備份與說明等。在某種意義上講，所提供的信息資料應詳細到讓一名有經(jīng)驗的技術人員足以去尋找故障并修復。因此船舶自動化工程設計的內(nèi)容深度應高于一般的工業(yè)自動化設計。

2 控制系統(tǒng)的設計準則

規(guī)程認為，船舶控制系統(tǒng)應按自動化程度的不同要求進行設計，從就地的手動控制直至無人干預的全自動操作。對船舶控制系統(tǒng)的設計，該規(guī)程提出的最低要求是：至少應達到熟練操作人員手動操作的水平。

規(guī)程特別強調(diào)以下幾點：

1）在重要的自動化系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)應能自動轉入故障安全狀態(tài)。

2）在發(fā)生機械故障、船體破損進水或火災時，船員可以直接報警或由報警系統(tǒng)自動報警，并應采用不同的措施進行搶救。

3）在進行系統(tǒng)設計時，應考慮系統(tǒng)的可維護性、可操作性、可靠性，備件的可用性以及可接近性（accessibility）。這里所謂的“可接近性”系指在對控制部件和子系統(tǒng)進行維修時，無須移除或干擾其他部件和子系統(tǒng)。這是基于船體空間狹小的客觀現(xiàn)實所必須考慮的。

規(guī)程還認為，基于計算機系統(tǒng)的設備或周邊設備宜冗余設置。

3 控制盤柜的布置與電磁兼容

規(guī)程認為，控制盤柜的安裝位置，應考慮船舶的運動、能預期到的船體結構振動以及環(huán)境的溫濕度等諸多因素的影響。

規(guī)程還認為，應避免盤柜周圍或柜內(nèi)電氣開關設備產(chǎn)生的電磁脈沖以及供電尖峰對控制柜內(nèi)的儀表設備產(chǎn)生的電磁干擾，即所謂的電磁兼容（EMC）。遺憾的是，該規(guī)程只提及了電磁兼容，并沒有對此作更深入而詳細的規(guī)定。

4 控制系統(tǒng)的供電和控制站的設置

規(guī)程建議，控制、監(jiān)控與安全系統(tǒng)應兩路供電：一路源自船上的主電源，另一路源自應急電源。

本文認為加拿大運輸標準[4]提出的“控制回路不應和船舶的主電源系統(tǒng)有任何直接的連接，即供電電源應采用隔離變壓器”是一條頗為重要的規(guī)定，其目的是抑制交流電源中的高頻尖峰脈沖。

關于控制站的設置，規(guī)程認為應考慮在下列位置設置控制站：1）受控設備的就地；2）在機艙內(nèi)靠近受控設備的地方；3）在機艙外設置遠程控制站；4）航行駕駛室內(nèi)。

當控制從一個低優(yōu)先權限的控制站轉換到非權限的設備時，高優(yōu)先權限控制站應對轉換的全程進行監(jiān)控。高優(yōu)先權限控制站應對所有低優(yōu)先權限控制站具有選擇和獨立操作的能力。

規(guī)程還規(guī)定，機械設備的控制系統(tǒng)應包括導航推進控制系統(tǒng)的緊急停車。對推進裝置的遠程啟動，其控制系統(tǒng)應具備聯(lián)鎖功能，以防止在危及機械或操作人員的情況下可遠程啟動推進裝置。

5 語音與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

控制站的通信系統(tǒng)應包括最小限度的語音系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)和應急備用系統(tǒng)。其中，語音通信系統(tǒng)包括聲力或蓄電池供電的硬連接，或設備控制站與受控設備艙之間借船體傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。

控制站與受控設備之間的數(shù)據(jù)通信應符合工業(yè)標準的協(xié)議和接口。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)里，火災報警系統(tǒng)應是一個獨立的系統(tǒng)，其操作不受其他系統(tǒng)的影響。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的帶寬較設計需要量至少要增加20%。

本文認為，該規(guī)程沒有將以防火和抗沉為主要內(nèi)容的損管系統(tǒng)（damage control systems）作出技術上的詳細規(guī)定，而只是將部分內(nèi)容分散在各條款中。

6 維護準則與設計

規(guī)程認為，控制設備和系統(tǒng)的設計應支持一個維護準則：“將電路板、電源部件、機械部件或其他獨立的單元或邏輯組件作為‘在線可更換單元（LRU）’”。如果沒有指明電子或電氣設備為在線可更換單元，為維持正常操作則應設置合適的顯示儀表以備在控制設備和系統(tǒng)失效時進行操作顯示。

7 環(huán)境條件

對于控制系統(tǒng)的型式檢驗應在什么樣的操作環(huán)境下進行，該規(guī)程作了詳細的規(guī)定。本文將該標準與“IEC 60092-504:2001 Electrical Installations in Ships– Part 504: Special Features – Control and Instrumentation（船舶電氣設備 第504部分：控制與測量儀表）”的同樣內(nèi)容作比較后認為：兩規(guī)程的規(guī)定基本相同。

有必要在這里強調(diào)以下幾點：

1）只有安裝在諸如露天甲板上的、沒有保護的儀表設備需進行鹽霧試驗；

2）對無可動部件的儀表設備，無需做靜態(tài)傾斜試驗；

3）在電磁兼容的“電磁輻射發(fā)射試驗”中，當頻率為156 MHz～165 MHz時，其限值為24 dB，遠小于其他頻段，這是因為該頻段為國際上規(guī)定的船舶呼救頻段，為考慮船舶的安全起見，故在進行設備選型時，必須要滿足該要求。

加拿大運輸標準[4]提出：“不應使用其精度是通過提高絕緣電阻的方法來實現(xiàn)的電路，除非采取特別的預防措施以保持高的絕緣電阻；這種電路應提供檢查絕緣電阻的措施。”這是考慮到船舶運行環(huán)境的濕度大，空氣中的鹽分高，難以保持高的絕緣電阻。由此推論，在船舶中不宜采用對地浮空的電子設備，因為對地浮空的電子設備需要的絕緣電阻應大于50 M?，如不采取一定措施，在船舶上難以保證。

8 控制臺（柜）的密封

對控制臺（柜）的密封，規(guī)程作了如下規(guī)定：

進控制臺（柜）內(nèi)的電纜和穿管應通過底部進入并于入口處充分密封，以防止灰塵、凝液以及嚙齒類動物入內(nèi)將電纜咬壞。

設置在所謂“危險區(qū)域”（即具有燃燒、爆炸危險的區(qū)域）內(nèi)的控制臺（柜），應滿足IP54等級的要求。

9 控制設備

該規(guī)程中有關控制設備應引起注意的規(guī)定包括：

1）應避免在控制柜內(nèi)采用多種電壓源。對諸如聯(lián)鎖、指示燈電路、加熱器電路等，如難以將控制器的觸點直接與負荷側的電路相連時，為了操作，需要有一個單獨的電壓源時，應限制該電路的電壓不超過55 V。

2）控制器的外殼、儀表的金屬外殼和所有儀表變壓器的次級繞組應與作為接地體的金屬船體相連。標準中的這個“地”顯然指的是保護地。

本文認為，在船舶行業(yè)內(nèi)是否要設置保護地，均按工作電壓有否超過50 V或55 V為準，這與“IEC 61010-1:2001”的規(guī)定有所不同，后者是這樣規(guī)定的：設備在正常條件下，在可觸及零部件與地之間，任意兩個可觸及的零部件之間，如交流電壓的有效值有可能超過33 V（或峰值超過46.7 V），直流電壓值有可能超過70 V時，都必須設置保護地。

本文更傾向于后者的規(guī)定。

3）安裝在主機艙與輔機艙的控制器，由于其環(huán)境內(nèi)含有諸如推進裝置和鍋爐之類的大熱源，故環(huán)境溫度宜按50℃考慮。其他環(huán)境的溫度一般不超過45℃，故控制器的環(huán)境溫度可按45℃考慮。后者所有部件允許的溫升宜按10℃考慮。

4）規(guī)程對所有開關與控制設備的絕緣測試電壓的規(guī)定如表1所示。

表1 絕緣測試電壓

顯然，船用電氣設備的絕緣測試電壓要高于工業(yè)控制系統(tǒng)。

10 控制操作

關于控制操作，規(guī)程的主要規(guī)定包括：

1）關于“電動機的電壓保護”

所有的電動機控制器應設置包括低壓保護（LVP）或低壓釋放（LVR）的電壓保護系統(tǒng)：當電壓跌落到額定值的80%以下時，LVP與LVR斷開電動機；當電壓高于額定值的85%值時，電動機應重新啟動。LVP與LVR兩者的差別是，LVP可避免由于操作人員的干預或在監(jiān)控復位時自行啟動電動機，故可防止驅動輔機以及對操作人員造成可能的危險。

2）關于甲板機械的控制

本規(guī)程涉及的甲板機械包括絞盤、起錨機、起貨機、電力驅動船用絞車等。其主要內(nèi)容包括：

（1）與甲板機械直接連接的電動機，應采用設有速度控制的可逆控制器；

（2）為停止和保持負載應使用磁粉離合器，除非設備固有自鎖裝置或設有其他類型的負載制動措施。

3）關于防火安全緊急停車

（1）所有通風系統(tǒng)在失火或其他緊急情況下應能對電動機實行緊急遙控停車。機艙風機、住艙的通風風扇以及車載、貨艙的通風機的緊急停車系統(tǒng)應單獨設置，彼此完全獨立。

（2）每一臺送風機、引風機、惰性氣體系統(tǒng)的風機、燃油輸送泵、燃油裝置、燃油泵、燃油離心泵、潤滑油離心機、潤滑油泵、潤滑油輸送泵和其他任何油泵，當所在艙室發(fā)生火災時，應可以在艙室的外部遙控停止鄰近機艙的通風設備。

11 內(nèi)部通信系統(tǒng)

內(nèi)部通信系統(tǒng)包括語音、數(shù)據(jù)、控制（或報警）的通信。該部分占本規(guī)程的篇幅最大，共14頁之多，約占整個規(guī)程的六分之一，可謂內(nèi)容翔實。主要內(nèi)容包括：

1）一艘機動船，除了在駕駛室里控制推進裝置以及不在發(fā)動機艙控制發(fā)動機的船舶外，應配備一臺電動式或機械式的傳令鐘系統(tǒng)（EOT），將駕駛室的指令傳送至每臺發(fā)動機的控制站；

2）應在適當?shù)奈恢茫ㄈ珩{駛室、機艙、住艙等地方）設置一臺手動操作的斷續(xù)器作為通用緊急報警系統(tǒng)的觸發(fā)信號；

3）通用報警饋線與分支電路的電纜應敷設在通道里，不得設置在大廳、儲物柜、廚房、機艙或其他封閉的空間里，除非在那些地方有必要設置通用應急報警信號；

4）每艘船舶應配備可靠的應急聲動力電話通信系統(tǒng)，或不依賴船舶動力或電池電源的其他系統(tǒng)；

5）應對公共廣播系統(tǒng)實施監(jiān)控，該系統(tǒng)的揚聲器在運行時，一旦發(fā)生短路、開路或接地，以及因故障與系統(tǒng)斷開時，應在主控制站發(fā)出報警，以消除對其他揚聲器的運行造成不良影響。

12 外部通信和導航系統(tǒng)

外部通信和導航系統(tǒng)包括船舶導航和通信用的電氣、電子和機電設備。這些系統(tǒng)發(fā)射或接收射頻的音頻和數(shù)據(jù)信號。設置全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）可替代或補充傳統(tǒng)的無線電設備。該標準主要規(guī)定包括：

1）這些系統(tǒng)的組件通常帶有危險電壓或會產(chǎn)生有害的電磁輻射，故要考慮必要的安全措施，如采用適宜的接地和等電位的連接方式。

2）建議在駕駛室里設置導航設備、操縱設備、通信設備和監(jiān)控設備。控制臺的功能、高度、寬度和深度，以及顯示器和控制設備的位置應按人體工程學原理優(yōu)化設置。

3）為減少電磁干擾（EMI），可采用下列技術措施：

（1）發(fā)送天線和接受天線之間的距離要盡可能大；

（2）每對導線應采用雙層屏蔽；

（3）動力電纜、高頻信號電纜、低頻信號電纜應分開敷設（在交叉時應成直角）；

（4）對電磁干擾敏感的電路應使用屏蔽電纜；

（5）應減小接地線的長度；

（6）所有金屬拉線、屏蔽層以及金屬索具應進行電氣搭接或隔離（由于拉線采用絕緣子隔離，故不會將感應噪聲蔓延出去）；

（7）采用合適的保護措施以防止電源在設備內(nèi)產(chǎn)生瞬變；

（8）將鎧裝同軸電纜的鎧裝層接地。

上述諸點對控制系統(tǒng)抑制電磁干擾十分重要，故同樣適用于整個船舶的電纜敷設。

13 防火、報警與噴水系統(tǒng)

該規(guī)程對防火、報警與噴水系統(tǒng)的主要規(guī)定包括：

1）規(guī)程推薦所有的船舶設置自動防火系統(tǒng)，包括對所有的住艙、機艙、通道、樓梯間、工作間、儲藏室、泵房等實施火災檢測。必要時，火災檢測系統(tǒng)也可以擴大到包括可燃物或有毒氣體的檢測。

2）除自動報警外，所有船舶應設置手動火災報警系統(tǒng)，至少每個區(qū)域或每個艙室的出口處應設置一個報警箱。除主機艙外，手動火災報警系統(tǒng)應安裝在旅客和船員常在的地方。

3）自動噴水、火災檢測報警系統(tǒng)是一個水流滅火系統(tǒng)，包括管道分配、自動供水、自動排水裝置以及中央和遠程報警顯示裝置。該系統(tǒng)將水噴灑在預定的區(qū)域里。噴水是自動操作的，并同時產(chǎn)生音響和視頻信號。

14 水密防火門

水密門控制系統(tǒng)應包括中央控制盤、電動機操作單元、電動機控制盤、就地控制站以及視頻音響報警系統(tǒng)，必要時可作為一個完整的控制系統(tǒng)。防火門的控制包括中央控制盤的保持-釋放磁鐵與就地控制開關。

1）對大量的水密門進行操作時，中央控制系統(tǒng)可設置水密門的順序操作，首先應關閉船的最下層甲板上的水密門；

2）應考慮水密門會被卡住，故應設置電動機的保護措施；

3）應在水密防火門兩側醒目的艙壁上設置門開關，便于穿越者在通過水密防火門時方便地將門打開；

4）監(jiān)管機構要求的某些自動關閉的防火門應由中央控制站利用開啟電路進行釋放?？梢杂梢粋€中央控制點通過激勵電磁體將防火門控制在開啟位置。防火門的釋放系統(tǒng)應設置為“故障安全”型，即它們在發(fā)生故障時應使門處于關閉狀態(tài)。

15 陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)

陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)一般包括這些設備：1）主羅經(jīng)；2）各種類型的中繼器；3）電源轉換單元；4）控制盤或控制電源以及陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)的信號盤；5）顯示陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)失效和電源發(fā)生故障的報警回路；6）全球定位系統(tǒng)（GPS）的定位和速度數(shù)據(jù)的輸入設備；7）在理想情況下，主羅經(jīng)、電源轉換單元、控制盤與電池組應集中安裝在接近船舶穩(wěn)心的中心部位，盡量靠近駕駛室；8）陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)的電源應由應急電源開關盤的獨立饋電線提供。

16 “ IEEE 45 .2 TM-2011 ” 與 “ IEC 60092 -504 :2001 ”的比較

相 對 于 “ IEC 60092-504:2001 Electrical Installations in Ships – Part 504: Special Features-control and Instrumentation”[3]，本規(guī)程的特點是：

1）本規(guī)程比“IEC 60092-504:2001”晚頒布10年，故內(nèi)容要新，能反映當今的技術、工程方法和工程實踐；

2）本規(guī)程的篇幅是“IEC 60092-504:2001”的兩倍之多，故內(nèi)容也豐富得多；

3）本規(guī)程的許多內(nèi)容在“IEC 60092-504:2001”里均未涉及，特別是通信系統(tǒng)、水密防火門系統(tǒng)以及陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)等。

但在火災檢測與報警系統(tǒng)的設計方面，“IEC 60092-504:2001”要比本規(guī)程規(guī)定得詳細，如兩個檢測器的最大間距、檢測器距艙壁的最大距離以及每個檢測器的檢測面積等，在本規(guī)程里均未涉及。

無論是“IEEE 45.2TM-2011”或是“IEC 60092-504:2001”，對船舶的控制與自動化而言，均是重要的國際標準。

附上美國電氣與電子工程師學會于2008年之后頒布的有關船舶電氣裝置的8個獨立的規(guī)程，以供參考。

1）“IEEE P45.1?, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Design”；

2）“IEEE P45.2?-2011, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation”；

3）“IEEE P45.3?-2015, Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations – Systems Engineering”；

4）“IEEE P45.4?, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Marine Sectors and Mission Systems”；

5）“IEEE P45.5?-2014, Recommended Practicefor Electrical Installations on Shipboard – Safety Considerations”；

6）“IEEE P45.6?, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Electrical Testing”；

7）“IEEE P45.7?-2012, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – AC Switchboards”；

8）“IEEE P45.8-2015?, Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Cable Systems”。

17 結論

本規(guī)程發(fā)布于2011年，是在2002年發(fā)布的“IEEE 45TM-2002”的基礎上作了更為完善的推薦性規(guī)定，相對于“IEC 60092-504:2001”的內(nèi)容要豐富得多。本規(guī)程涉及船舶的控制、控制系統(tǒng)的應用、控制設備以及自動化，對船舶的動力設備、推進裝置、駕駛、自動化、導航、照明、通信等系統(tǒng)與其設備的設計、選型及安裝，作了最低要求的規(guī)定，反映了當今的技術、工程方法與工程實踐。本規(guī)程適用于客船、貨船、油船、海上移動鉆井裝置等水面船舶的控制及自動化。建議將本規(guī)程等同采用或等效采用轉化為我國國家標準。

[1] IEEE. Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard: IEEE 45TM-2002[S]. 2002.

[2] IEEE. Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard – Controls and Automation: IEEE 45.2TM-2011[S]. 2011.

[3] IEEE. Electrical Installations in Ships – Part 504: Special Features – Control and Instrumentation: IEC 60092-504:2001[S]. 2001.

[4] IEC. Safety Requirements for Electrical Equipment for Measurement, Control, and Laboratory Use; Part 1: General Requirements Standards: IEC 61010-1: 2001[S]. 2001.

[5] TP. Transport Canada – Ships Electrical: TP 127E: 2008[S]. 2008.

Overview of “IEEE 45.2TM-2011”

YU Haoyang1, XU Jia2, XU Yiheng1, YU Xiang1, YE Ying1

(1. Zhejiang Supcon Research Co., Ltd., Hangzhou 310053, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The “IEEE 45.2TM-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard –Controls and Automation” was approved in September 2011 by the American Institute of Electrical and Electronics Engineers, about the recommendations for controls, control applications, control apparatus, and automation onboard. The recommendation establishes the acceptable minimum guidelines for the design, selection, and installation of systems and equipment aboard marine vessels applying electrical apparatus for power, propulsion, steering, automation, navigation, lighting, and communications. The recommendation reflects the present technologies, engineering methods and engineering practices. The recommendations is applicable to the control and automation of water surface ships, such as passenger vessel, cargo vessel, oil tankers and mobile offshore drilling unit.

ship; control; automation

U664.152

A

10.14141/j.31-1981.2017.03.003

于浩洋（1979—），男，工程師，研究方向：自動控制技術、實時控制系統(tǒng)、可靠性工程和船用設備的EMC、環(huán)境適應性技術。