50 000 t半潛船自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔣曉亮，黃 丞，王 蓉

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

50 000 t半潛船自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔣曉亮，黃 丞，王 蓉

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

基于半潛船對自動化技術(shù)要求高的特點(diǎn)，對50 000 t半潛船舶自動化技術(shù)進(jìn)行了研究。主要介紹了船舶自動化系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)描述了機(jī)艙控制監(jiān)測系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)以及壓載控制系統(tǒng)的功能，認(rèn)為利用網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全船自動化控制是未來發(fā)展的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

半潛船;自動化系統(tǒng);監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

自動化系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類船型，不僅減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度，而且可以有效降低運(yùn)輸成本和風(fēng)險(xiǎn)。半潛船是一種裝載大型鋼結(jié)構(gòu)件、海洋平臺以及無動力艦艇等高附加值特種貨船，其裝卸貨時(shí)需進(jìn)行上浮下潛作業(yè)，相比其他散貨船該船型監(jiān)控設(shè)備更多，控制邏輯更為復(fù)雜，因此對自動化系統(tǒng)的要求更高。本文以50 000 t半潛船為研究對象，闡述了自動化系統(tǒng)在半潛船上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 系統(tǒng)框架

50 000 t半潛船的自動化系統(tǒng)是集成了監(jiān)測、報(bào)警以及控制于一體的綜合監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)，采用分布式處理結(jié)構(gòu)，基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)和上層管理網(wǎng)絡(luò)。下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)提供接口接入設(shè)備系統(tǒng)，收集設(shè)備系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)至上層管理網(wǎng)絡(luò)。上層管理網(wǎng)絡(luò)包含各種應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，處理、監(jiān)測及存儲下層現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)包括7臺工作站(OS):1臺設(shè)置在駕控臺，主要用于推進(jìn)控制和操舵控制;2臺設(shè)置在貨控臺，用于上浮下潛作業(yè)時(shí)的排壓載控制;1臺設(shè)置在右低壓配電板間、1臺設(shè)置在左變頻器間，用于電站管理;2臺設(shè)置在集控臺，主要用于設(shè)備的監(jiān)測報(bào)警以及艙底水控制等。各個(gè)工作站相互獨(dú)立且不互相依賴，當(dāng)其中1臺發(fā)生故障，不會引起其他工作站的異常。同時(shí)，可根據(jù)每個(gè)工作站的用途，設(shè)置不同的權(quán)限來避免誤操作，保證系統(tǒng)的可靠性。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用了冗余設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)分配單元(NDU)作為星形連接器，由路由器、轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，連接上下層網(wǎng)絡(luò)。全船設(shè)有16個(gè)采集箱(SAU)，安裝在機(jī)艙或推進(jìn)器艙等靠近傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的處所，用來采集模擬和數(shù)字信號，同時(shí)可以向設(shè)備提供輸出信號。該模塊具有監(jiān)測和自動控制功能，是整套系統(tǒng)的核心部分。主干網(wǎng)絡(luò)采用的光纖連接，滿足了長距離以及高速率的傳輸要求。

2 系統(tǒng)組成

全船自動化系統(tǒng)分為4個(gè)功能模塊，包括推進(jìn)控制系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)以及壓載控制系統(tǒng)。

2.1 推進(jìn)控制系統(tǒng)

本船采用的是電力推進(jìn)，其控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的柴油機(jī)控制系統(tǒng)有較大的差異。主推進(jìn)電動機(jī)由脈寬調(diào)制控制的變頻器供電，通過控制變頻器可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制船舶航速，設(shè)定推進(jìn)特性曲線，保護(hù)電機(jī)馬達(dá)等功能。在設(shè)計(jì)推進(jìn)控制系統(tǒng)時(shí)需要考慮各種工況，尤其如緊急停車等對全船電站沖擊的影響，以及發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷承受能力，因此需要通過控制系統(tǒng)本身，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等方式改善電網(wǎng)的狀態(tài)，同時(shí)在推進(jìn)器發(fā)生故障時(shí)通知電站管理系統(tǒng)采取必要的措施進(jìn)行調(diào)整。

另外還配有動力定位系統(tǒng)。動力定位是憑借自動或手動控制的水動力系統(tǒng)，使船舶在其作業(yè)時(shí)，能夠在規(guī)定的作業(yè)范圍和環(huán)境條件下保持其船位和艏向。動力定位系統(tǒng)在中國船級社規(guī)范中分為3個(gè)等級:DP-1、DP-2、DP-3。其中 DP-1對控制系統(tǒng)的構(gòu)成沒有太大的影響，而DP-2和DP-3對系統(tǒng)提出了冗余要求，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著根本的變化。本船是基于DP-2的設(shè)計(jì)，即在出現(xiàn)單個(gè)故障(不包括1個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向［1］，這就要求至少需配置2套獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)。如圖1所示，配置的2套推進(jìn)系統(tǒng)相互獨(dú)立，且分別布置在左右機(jī)艙，實(shí)現(xiàn)物理分割，一側(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障將不會影響到另一側(cè)。動力定位在駕駛室的貨控臺位置進(jìn)行操作，其包括監(jiān)測、控制于一體，是一種多回路反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。安裝在船身的傳感器和定位系統(tǒng)測量出風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力以及當(dāng)前船位和艏向，系統(tǒng)通過比對測量值和設(shè)定值，輸出偏差信號，然后計(jì)算出消除環(huán)境干擾使船體到達(dá)期望位置所需的合力，再對各個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行動力分配，使船舶保持在設(shè)定的位置或航向。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)

機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測信號狀態(tài)發(fā)生變化或參數(shù)超過正常范圍，且該監(jiān)測點(diǎn)沒有被閉鎖時(shí)，則系統(tǒng)會立即或延遲發(fā)出聲光報(bào)警信號。如果報(bào)警點(diǎn)短時(shí)間自動恢復(fù)正常，仍需要輪機(jī)員去進(jìn)行報(bào)警復(fù)位。在惡劣的機(jī)艙環(huán)境中，一些監(jiān)測信號容易受到干擾。為避免誤報(bào)警，設(shè)有延時(shí)報(bào)警單元，在延時(shí)時(shí)間之內(nèi)即使報(bào)警點(diǎn)參數(shù)超出正常范圍也不會激活報(bào)警。系統(tǒng)還具有報(bào)警閉鎖功能，用來屏蔽一些不必要的報(bào)警點(diǎn)。另外還兼有延伸報(bào)警、輪機(jī)員安全等基本功能。

2.3 電站管理系統(tǒng)

本船采用的是中壓配電系統(tǒng)。由于需滿足DP-2的要求，主電站在機(jī)艙左右配電間各布置1組中壓配電板以及低壓配電板。每組中壓配電板連接2臺發(fā)電機(jī)，母排通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接。當(dāng)一側(cè)發(fā)生故障時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)能瞬間自動斷開，從而不會影響另一側(cè)電站的正常工作。

電站管理系統(tǒng)是全船自動化系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，它從系統(tǒng)決策層面管理和分配電能，是控制策略的制定者。特別是對于電力推進(jìn)系統(tǒng)，在推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行當(dāng)中，受到復(fù)雜多變的海況影響，螺旋槳負(fù)荷可能短時(shí)間內(nèi)在10%～100%變動，這樣可能會導(dǎo)致電網(wǎng)瞬時(shí)功率過大，因此本船系統(tǒng)采用一種基于事件算法的功率限制和保護(hù)方法，其通過采集的發(fā)電機(jī)斷路器狀態(tài)量和中央處理器采集系統(tǒng)各點(diǎn)后的計(jì)算量相結(jié)合，快速實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功率的限制和保護(hù)［2］。

由于中壓電站具有高電力容量、多電壓等級的特性，同時(shí)推進(jìn)電機(jī)的負(fù)荷較大，在起動、調(diào)速和制動時(shí)都會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，而推進(jìn)系統(tǒng)的變頻器變壓器、導(dǎo)航控制設(shè)備等又需要穩(wěn)定低濾波的電源，因此電站管理系統(tǒng)不單要對各個(gè)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化管理，還要綜合考慮整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)，以整體優(yōu)化為目標(biāo)，提高全船運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性［3］。

2.4 壓載控制系統(tǒng)

壓載系統(tǒng)是半潛船的重要系統(tǒng)之一，通過對全船壓載水的注入、排出或調(diào)駁，達(dá)到上浮下潛及調(diào)整船舶穩(wěn)性等目的。本船使用的是與潛艇類似的壓縮空氣壓載系統(tǒng)，其工作原理為通過控制壓載空壓機(jī)調(diào)整壓載艙內(nèi)空氣墊的容積來控制壓載水量。與其他壓載模式相比，進(jìn)排水速度明顯較快，能耗小，成本較低，但其缺點(diǎn)是設(shè)備管路多，閥門與空壓機(jī)控制邏輯關(guān)系復(fù)雜。如果通過船員手動控制，操作復(fù)雜、控制難度大。為便于監(jiān)視和管理，本船的壓載空壓機(jī)系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)以及液位遙測系統(tǒng)均通過通訊接口將數(shù)據(jù)輸入至自動化系統(tǒng)，經(jīng)處理之后工作站便可集中顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、壓載艙液位以及遙控閥開閉等信息，并且能夠遙控遙控閥的開閉和壓載空壓機(jī)等設(shè)備的起停。另外系統(tǒng)還能夠按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行自動控制，完成上浮下潛作業(yè)，無需逐步操作閥門和壓載空壓機(jī)，從而降低了控制難度。

3 結(jié)語

通過應(yīng)用船舶綜合自動化系統(tǒng)，不但能夠保證船舶運(yùn)行的安全，還可以進(jìn)一步提高船舶設(shè)備的運(yùn)行效率和性能。伴隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，今后的自動化系統(tǒng)將全面向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，通過采用衛(wèi)星等無線通訊技術(shù)，船內(nèi)自動化網(wǎng)絡(luò)將與船舶運(yùn)營管理中心或海上安全中心等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊密連接，建立起船岸一體化監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)，在岸基即可監(jiān)控船上重要設(shè)備的狀態(tài)信息和船舶運(yùn)行的重要參數(shù)，能夠快速對船舶進(jìn)行調(diào)度，及時(shí)預(yù)警海上突發(fā)事件，遠(yuǎn)距離維護(hù)船內(nèi)重要設(shè)備等，大大增強(qiáng)了營運(yùn)的競爭力。在現(xiàn)代航運(yùn)企業(yè)追求實(shí)時(shí)、高效、綠色環(huán)保的先進(jìn)理念下，船舶綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用前景將十分廣闊。

［1］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2014.

［2］ 劉建波，張浩.功率管理技術(shù)在艦船電力推進(jìn)中的應(yīng)用［J］.船電技術(shù)，2011，31(7):65-69.

［3］ 王加雷.船舶高壓電站功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理［D］.大連:大連海事大學(xué)，2011.

U674.2

A

2015-01-17

蔣曉亮(1984—)，男，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作;黃丞(1986—)，男，助理工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作;王蓉(1973—)，女，高級工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。