船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試探討

屈 崇，羅 昊，楊為東

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108;2.廣州廣船國(guó)際股份有限公司，廣東廣州 510382)

船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工是船舶機(jī)艙自動(dòng)化設(shè)備在工程應(yīng)用活動(dòng)中的主要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試工作在整個(gè)的施工過(guò)程當(dāng)中占據(jù)了非常重要的地位。如果系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的措施和方法不得當(dāng)，不但會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度被延誤，更有可能會(huì)損壞系統(tǒng)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試的措施和方法是否合適也就決定了系統(tǒng)在交付使用后的運(yùn)行效果。如果措施和方法不適合有可能會(huì)危及到以后船舶在航行中的安全。

如今，船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)通常都是以集成的方式出現(xiàn)，系統(tǒng)一般采用多段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因?yàn)榇皺C(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件的共同體，所以系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試過(guò)程與傳統(tǒng)的電氣與自動(dòng)化系統(tǒng)不同。有效合理的安裝與調(diào)試措施，是船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工工作的關(guān)鍵。

1 船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)狀

船舶機(jī)艙自動(dòng)化中機(jī)艙集中控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是最基本和最重要的自動(dòng)化設(shè)備之一。根據(jù)目前船舶機(jī)艙自動(dòng)化實(shí)際應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的形式分為以下3種。

1)集中型。集中型系統(tǒng)的一個(gè)典型特點(diǎn)就是在集控室里用一臺(tái)性能強(qiáng)且運(yùn)算速度快的中小型計(jì)算機(jī)，對(duì)機(jī)艙里的動(dòng)力裝置等設(shè)備進(jìn)行集中的控制和監(jiān)測(cè)。它能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中上百個(gè)參數(shù)，并且可以對(duì)系統(tǒng)中一些模擬量和開關(guān)量進(jìn)行閉環(huán)或開環(huán)的控制，同時(shí)也可以代替一些模擬調(diào)節(jié)器，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等，并對(duì)這些被控參數(shù)實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

2)分布型，又稱為FCS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)作為每個(gè)分系統(tǒng)內(nèi)部的控制網(wǎng)絡(luò)，例如CAN總線等，同時(shí)將上層的監(jiān)測(cè)和控制功能下放，并利用輸入輸出模塊、傳感器及變送器和執(zhí)行器等部件在現(xiàn)場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息利用度的提高來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。由于系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議是開放的，所以既能在控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互換與互操作，又能讓機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)如主機(jī)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電站系統(tǒng)等系統(tǒng)之間的連接更為方便，使得船舶機(jī)艙自動(dòng)化綜合控制信息系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)有了一定的通訊基礎(chǔ)［1］。如圖1所示。

圖1 動(dòng)力裝置遙控系統(tǒng)示意圖

3)集散型，又稱為DCS系統(tǒng)。該系統(tǒng)將控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照布置或功能進(jìn)行了分區(qū)，每個(gè)分區(qū)設(shè)一臺(tái)下層采集處理模塊。信號(hào)經(jīng)采集處理模塊轉(zhuǎn)換處理后，經(jīng)通信線送到上層處理微機(jī)。集散型監(jiān)控系統(tǒng)一般分為3層:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制監(jiān)測(cè)層、信息管理層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成一個(gè)分布的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)。信息管理層采用以太網(wǎng)技術(shù)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)與底層的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層信息交互、控制信息的共享。

2 安裝與調(diào)試程序

根據(jù)船舶建造項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度要求，保質(zhì)、按期完成系統(tǒng)設(shè)備的安裝和調(diào)試工作，關(guān)鍵是如何合理有效地安排機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的安裝與系統(tǒng)程序的調(diào)試。

船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的安裝和調(diào)試工作首先要從機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的組成部分開始，比如系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的連接、系統(tǒng)的軟硬件配置以及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)等，這是由系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。

安裝與調(diào)試的工作需要循序漸進(jìn)，確保完成了前一步的工作之后才能開始下一步的工作，與此同時(shí)，也要詳細(xì)記錄整個(gè)安裝和調(diào)試的過(guò)程，形成調(diào)試過(guò)程記錄文件，以便后續(xù)維修保養(yǎng)工作查看。

3 安裝與調(diào)試設(shè)備

3.1 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備工作是完成機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)安裝與調(diào)試的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是不可缺少的一個(gè)過(guò)程。其技術(shù)準(zhǔn)備工作如下。

1)熟悉機(jī)艙動(dòng)力裝置監(jiān)控對(duì)象。機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)是為船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置服務(wù)的。吃透推進(jìn)動(dòng)力裝置各設(shè)備控制和監(jiān)測(cè)的要求，了解機(jī)艙各設(shè)備工作特點(diǎn)和作用，明白系統(tǒng)各項(xiàng)功能如何實(shí)現(xiàn)。同時(shí)熟悉船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)備的特性與功能，明白設(shè)備安裝與調(diào)試的要求、要點(diǎn)，明確下一步工作的方向和內(nèi)容。

2)熟悉監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料。如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所含設(shè)備及其功能，控制系統(tǒng)的配置以及功能，通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)的名稱、類型、信號(hào)的數(shù)量以及在現(xiàn)場(chǎng)的分布情況等。

3)吃透系統(tǒng)功能。對(duì)監(jiān)測(cè)和控制的原理圖，電氣內(nèi)部接線圖，外部電纜連接圖等等進(jìn)行消化和吸收。

4)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)已經(jīng)完成加工和制造的船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，并按要求完成測(cè)試和檢驗(yàn)，包括系統(tǒng)功能檢驗(yàn)，性能檢測(cè)，質(zhì)量檢驗(yàn)等。按機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)配置的所有設(shè)備的氣、電連接完好后進(jìn)行系統(tǒng)通電，同時(shí)通過(guò)軟件平臺(tái)激活硬件平臺(tái)，組成完整的連接網(wǎng)絡(luò)。對(duì)模擬量、開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行模擬試驗(yàn);對(duì)控制系統(tǒng)啟動(dòng)、停車、緊急停車和手柄調(diào)節(jié)操作等功能進(jìn)行效用試驗(yàn)等。

3.2 設(shè)備安裝與接線

按照機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料，先把船舶機(jī)艙內(nèi)的各電氣設(shè)備、控制箱以及現(xiàn)場(chǎng)各類儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行器等設(shè)備安裝到位;將駕駛室、集控室、輪機(jī)長(zhǎng)室 (機(jī)電長(zhǎng)室)、大管輪室、損管中心等操作站或控制站等安裝到位;校驗(yàn)敷設(shè)的電纜;然后對(duì)各個(gè)設(shè)備完成接線、管路連接等工作，其中包括各個(gè)設(shè)備的主回路、監(jiān)控系統(tǒng)I/O信號(hào)回路、控制回路、通訊網(wǎng)路等電纜連接以及壓力傳感器等設(shè)備的管路連接。

電氣設(shè)備安裝、電纜的敷設(shè)和安裝必須按照《中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(CSQS)和《船舶建造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(JNS)要求及有關(guān)電氣安裝工藝圖冊(cè)、電纜敷設(shè)工藝以及接地工藝等進(jìn)行。在敷設(shè)電纜時(shí)，通過(guò)有效的保護(hù)和控制措施來(lái)消除電纜在傳輸信號(hào)的過(guò)程中受到的各種干擾是非常關(guān)鍵的。

敷設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)電纜時(shí)，為了使傳輸?shù)男盘?hào)不受強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，采取的主要措施一般是不平行敷設(shè)電力電纜和信號(hào)電纜，且盡可能避開大功率的用電設(shè)備。電纜敷設(shè)的重疊厚度不超過(guò)2層或不大于50 mm，電纜需分束敷設(shè)，屬于同一電路的電纜敷設(shè)每束不超過(guò)6根。在敷設(shè)電纜時(shí)，電纜彎曲最小內(nèi)半徑應(yīng)為電纜外徑的4～6倍;電纜線路在敷設(shè)過(guò)程中盡量避開上、下水、通風(fēng)及油、水、氣管路;與蒸汽管或排氣管交叉敷設(shè)時(shí)，其表面相距不小于70 mm，平行敷設(shè)其表面應(yīng)相距不小于80 mm，否則應(yīng)采取隔熱措施。

通常通信電纜傳遞通信信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減，信號(hào)在通信電纜的長(zhǎng)度每增加1 m時(shí)就會(huì)衰減0.8 dB，每個(gè)電纜接頭會(huì)衰減1 dB，每個(gè)分支器會(huì)衰減14 dB。針對(duì)這樣的衰減，一般在敷設(shè)電纜的時(shí)候會(huì)采取的控制和保護(hù)措施如下:①規(guī)劃好電纜敷設(shè)的方向，盡量縮短傳輸距離，減少接頭和分支器的數(shù)量，并且緊密連接電纜;②通信網(wǎng)絡(luò)的兩端應(yīng)該接入終端器或者終端電阻;③為了比較好的匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗，應(yīng)盡量保持控制站兩邊的電纜長(zhǎng)度和分支點(diǎn)數(shù)的一致。通信電纜與電力電纜必須嚴(yán)格分開敷設(shè)，與電力電纜之間的距離至少要保證40 cm/kV，必須要交叉時(shí)應(yīng)保證垂直交叉，并盡量避開高溫地方［2］。

3.3 系統(tǒng)接地

為了抑制電網(wǎng)干擾，船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)在供配電的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)重要的組成部分就是船舶接地技術(shù)。一般船舶供配電采用三相三線電制，按規(guī)范要求設(shè)備的金屬殼體或金屬類部件與接地螺釘之間的接地電阻應(yīng)不大于0.1 Ω，從而保證所有不導(dǎo)電裸露的金屬類部件與金屬外殼在任何時(shí)候都是零電位差。

為了防止電網(wǎng)中暫態(tài)電流或者雜散電流對(duì)設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾，過(guò)去有些規(guī)范會(huì)要求電子設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)接地?，F(xiàn)在船舶工程中不提倡單獨(dú)接地。有些電子設(shè)備中為了防止機(jī)箱上的干擾電流直接耦合到信號(hào)電路，有意使電路單元信號(hào)地線與設(shè)備機(jī)箱絕緣，這種電源設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)懸浮地。在有些監(jiān)控電子設(shè)備中某一結(jié)構(gòu)作為接地基準(zhǔn)點(diǎn)，其它各單元的信號(hào)接地都連接到這一點(diǎn)上，在低頻時(shí)可有效地避免各單元之間的地阻抗干擾，這種電源設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)單元接地。

根據(jù)上述綜合分析，我們經(jīng)常采取如下措施。

1)用10 mm的編制銅線匯接操作站與控制站，然后引至接地。

2)用黃綠線單獨(dú)把信號(hào)輸入、輸出設(shè)備本體接地。

3)對(duì)使用屏蔽電纜的輸入、輸出信號(hào)線，在監(jiān)測(cè)站或控制站端將屏蔽層匯接到接地端，現(xiàn)場(chǎng)端懸空。

4)通信電纜屏蔽層應(yīng)在監(jiān)測(cè)站或控制站端匯集起來(lái)接地，另一端懸空。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)連通

通信網(wǎng)絡(luò)的正常通信是進(jìn)行以后調(diào)試的基礎(chǔ)。為此對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接;對(duì)通信電纜校線;檢查控制站和監(jiān)測(cè)站情況，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通電;通過(guò)對(duì)軟件的置位或者硬件的開關(guān)置位，來(lái)連通整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)正常工作。

為確保設(shè)備安全，并盡快將輸入輸出信號(hào)連通:首先，用短接信號(hào)線來(lái)查通斷的方法，在設(shè)備不通電的情況下，對(duì)各個(gè)輸入輸出信號(hào)線進(jìn)行檢查;其次，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備斷電，控制站與監(jiān)測(cè)站通電運(yùn)行且運(yùn)行正常的情況下檢查網(wǎng)絡(luò)通道是否正常，如果正常，則檢查各個(gè)輸入輸出信號(hào)的通道，方法是通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)短接給出開關(guān)量信號(hào)或者用信號(hào)發(fā)生器給出模擬信號(hào)。

3.5 系統(tǒng)模擬聯(lián)調(diào)及驗(yàn)證

在現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)連通和通訊網(wǎng)絡(luò)工作正常情況下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)狀態(tài)變化，對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1)對(duì)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)證，對(duì)設(shè)備聯(lián)鎖控制、故障聯(lián)鎖控制以及啟/?？刂乒δ艿冗M(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證;并且對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)指示，延時(shí)等功能進(jìn)行驗(yàn)證;對(duì)繼電器、閥等動(dòng)作狀況進(jìn)行檢查。

2)逐項(xiàng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示及精度的調(diào)校、開關(guān)量信號(hào)延時(shí)及其各個(gè)報(bào)警點(diǎn)的校驗(yàn)、打印功能、數(shù)據(jù)記錄功能以及所有的管理功能進(jìn)行校驗(yàn)。

3)對(duì)安全系統(tǒng)每個(gè)被控參數(shù)用模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)電器設(shè)備，主要如大功率電機(jī)等拖動(dòng)設(shè)備，需要在脫開主回路的情況下，對(duì)二次控制回路進(jìn)行空投試驗(yàn)，即讓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不運(yùn)轉(zhuǎn)，而輸入輸出信號(hào)正常發(fā)出，試驗(yàn)控制功能。

3.6 系泊試驗(yàn)

系泊試驗(yàn)是檢查整個(gè)系統(tǒng)中各電氣設(shè)備及附屬系統(tǒng)的安裝質(zhì)量、運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)性、正確性和可靠性，檢查其技術(shù)性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書及訂購(gòu)合同的規(guī)定，決定整個(gè)系統(tǒng)是否可以進(jìn)行航行試驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［3］。

船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)安裝與調(diào)試工作中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是系泊試驗(yàn)。通常情況下，由船廠檢驗(yàn)人員、船檢局人員 (或客戶代表)、船東輪機(jī)長(zhǎng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程人員參加，工作內(nèi)容主要是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程人員協(xié)助船廠檢驗(yàn)人員一起，向船檢 (或客戶代表)和船東 (或駐艦機(jī)電長(zhǎng))對(duì)機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)態(tài)運(yùn)行效用試驗(yàn)進(jìn)行報(bào)檢。對(duì)機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)逐項(xiàng)功能進(jìn)行試驗(yàn)，檢查其系統(tǒng)的技術(shù)性能是否滿足技術(shù)規(guī)格書和合同的規(guī)定要求。

3.7 航行試驗(yàn)

航行試驗(yàn)是全面地檢查機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的質(zhì)量和技術(shù)性能是否滿足技術(shù)規(guī)格書要求，確定其可否驗(yàn)收并交付船東 (或部隊(duì))使用。這項(xiàng)試驗(yàn)建立在已按系泊試驗(yàn)大綱規(guī)定進(jìn)行了系泊試驗(yàn)，并消除了在系泊試驗(yàn)過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的全部缺陷，試驗(yàn)項(xiàng)目全部驗(yàn)收，簽署完畢的基礎(chǔ)上。以柴油機(jī)推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)為例，航行試驗(yàn)按照柴油機(jī)航行試驗(yàn)的工況及時(shí)間規(guī)定程序表進(jìn)行，對(duì)中高速主機(jī)，按規(guī)定程序試驗(yàn)時(shí)間可減少50%，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間因故障停車時(shí)間一般應(yīng)不超過(guò)15 min。其試驗(yàn)程序如下:①主機(jī)換向試驗(yàn);②主機(jī)遙控啟動(dòng)試驗(yàn);③以遙控系統(tǒng)操縱正車和倒車相互交替試驗(yàn);④控制部位轉(zhuǎn)換試驗(yàn);⑤安全系統(tǒng)試驗(yàn);⑥在主機(jī)控制的試驗(yàn)過(guò)程中，檢查各種監(jiān)測(cè)報(bào)警、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示和記錄及處理等功能正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

在船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試工作中遇到的問(wèn)題的隨機(jī)性都比較強(qiáng)，所涉及到的面也非常廣，這就需要在現(xiàn)場(chǎng)的工程技術(shù)人員有良好的心態(tài)，快速的反應(yīng)能力，較強(qiáng)的處理問(wèn)題的能力，在遇到問(wèn)題時(shí)，采取的方法和措施要及時(shí)有效。本文所探討的方法和措施是多年從事船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)， “他山之石，可以攻玉”，供同行借鑒。

［1］劉世居.機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新發(fā)展 ［J］.船電技術(shù)，1999(4):33－37.

［2］高素萍.工業(yè)自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試措施的探討［J］.電氣傳動(dòng)，2006(3):60－64.

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