客滾船無人機艙的優(yōu)化設(shè)計

王科成，呂 圖

(大連旅順濱海船舶修造有限公司，遼寧大連 116052)

客滾船無人機艙的優(yōu)化設(shè)計

王科成，呂 圖

(大連旅順濱海船舶修造有限公司，遼寧大連 116052)

文章概述了澳大利亞BRUCE客滾船建造過程中針對無人機艙要求所采取的優(yōu)化改造的措施，重點論述了該船所存在的技術(shù)問題的解決方案及設(shè)計思路。該船的成功改造為今后同類型船改造積累了寶貴的經(jīng)驗。

無人機艙；報警監(jiān)控系統(tǒng)；控制監(jiān)視系統(tǒng)；船舶電站

1 船舶概況

“BRUCE”客滾船是由韓國某設(shè)計院為澳大利亞船東設(shè)計的一艘鋼制海洋客滾船，全船機電配置均為國際知名品牌，全船自動化程度為國內(nèi)領(lǐng)先水平。船舶總噸位1 100 t，配有3臺全回轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)，4臺150 kW發(fā)電機，2臺180 kW變頻調(diào)速電動機驅(qū)動側(cè)推系統(tǒng)，船舶電站為AUTO-0, 全船配有一套集控系統(tǒng)，該集控系統(tǒng)不僅能夠?qū)θ瑢崟r監(jiān)測、報警，還能夠集中控制機艙泵組、通風等輔助設(shè)備，全船配置符合無人機艙要求。但該船在建造中期由于原造船廠的變故而終止了船舶的建造，后來由我公司重啟了該船的后期建造任務(wù)。由于該船長時間的停工導(dǎo)致大量的船舶設(shè)計資料丟失，部分設(shè)備元件損壞，尤其是韓國設(shè)計院無法再提供技術(shù)服務(wù)，這給正常的施工建造以及設(shè)備調(diào)試帶來了巨大的障礙。經(jīng)過對圖紙的重新分析研究，現(xiàn)場多次檢查核對，反復(fù)調(diào)試、試驗，最終掌握了該船各系統(tǒng)的設(shè)計原理和存在的問題，并針對每一項設(shè)計缺陷進行了重新優(yōu)化設(shè)計，確定了改造方案，并在隨后的調(diào)試、試驗過程中逐一實現(xiàn)了各項功能，滿足了無人機艙的要求。

2 船舶存在的問題

由于本船的設(shè)計缺陷以及它的歷史變故，導(dǎo)致全船電站、集控系統(tǒng)無法建立，反復(fù)調(diào)試都無法達到預(yù)期的設(shè)計功效，存在的問題具體如下。

2.1 自動電站無法實現(xiàn)

該船配電盤設(shè)計為AUTO-0級電站，共有12屏，分別為同步屏、匯流排分斷屏、監(jiān)控報警系統(tǒng)屏、4臺發(fā)電機屏、2個AC415 V負載屏、1個AC220 V負載屏、2個組合啟動器屏。同步屏設(shè)計有手動、半自動、全自動、駕控4擋控制轉(zhuǎn)換功能，同時配有電站管理系統(tǒng)裝置。通過PLC的程序軟件對整個電站進行全自動控制，既能夠保證全手動調(diào)整電站，又具備無人操作、全程序化控制、自動分配負荷的功能。能夠在任何的工況下合理地啟動、斷開發(fā)電機，既能保證船舶電力供應(yīng)，又能夠提高發(fā)電機的工作效率。但由于與發(fā)電機的控制信號不匹配導(dǎo)致配電盤的手動控制功能無法實現(xiàn)，在配電盤上無法啟動/停止發(fā)電機，致使配電盤與發(fā)電機形成了2個獨立的系統(tǒng)，電站管理系統(tǒng)功效無法體現(xiàn)出來，整套發(fā)電機的安保監(jiān)控數(shù)據(jù)無法傳輸出來，整個電站處于癱瘓階段，遠遠脫離了設(shè)計初衷。

2.2 發(fā)電機與控制、報警監(jiān)控系統(tǒng)及主配電板無法通信

發(fā)電機為交流四極發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)域單元，帶有無刷永磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)(PMG)。該系統(tǒng)由可控硅整流器(SCR)組件控制供給發(fā)電機域的主流電流，電壓調(diào)節(jié)器通過可選耦合向可控硅整流器發(fā)出信號，電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)動機的速度和發(fā)電機組輸出電壓發(fā)出的信號自動關(guān)閉或打開固定的發(fā)光二極管(LED)，圖像傳輸器通過LED接收信號并指示SCR組件關(guān)閉或打開，從而實現(xiàn)全自動調(diào)壓功能。然而電壓信號的建立卻無法傳輸?shù)綀缶O(jiān)控系統(tǒng)和主配電板上，使發(fā)電機功能無法運用到自動電站系統(tǒng)中。經(jīng)過與發(fā)電機廠商溝通得知，該款機型為獨立運轉(zhuǎn)發(fā)電機，不能對其進行遠程控制，也沒有預(yù)留遠傳信號的端口。然而這與無人機艙要求完全不符，必須對發(fā)電機的控制與監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

2.3 側(cè)推系統(tǒng)無法接入電站管理系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)失效

本船配備有2臺大功率變頻調(diào)速電動側(cè)推系統(tǒng)，每臺側(cè)推功率遠遠大于單臺發(fā)電機的發(fā)電能力，想要啟用側(cè)推系統(tǒng)必須并機發(fā)電。理論上2臺發(fā)電機的容量滿足1臺側(cè)推的功耗，3臺發(fā)電機的并車運行才能夠滿足2臺側(cè)推的同時運轉(zhuǎn)。所以對側(cè)推的電力管理相當重要，電站建立不起來就無法使用側(cè)推，電站分配不均勻就會造成浪費，更重要的是將會對船舶的操作產(chǎn)生不可預(yù)見的安全隱患。由于最初設(shè)計沒有考慮到大功率詢問功能，導(dǎo)致側(cè)推系統(tǒng)與電站無法進行詢問分配功效，這就意味著側(cè)推形成了獨立系統(tǒng)，不受電站控制，這勢必會對側(cè)推的正常使用造成影響，甚至會對整船的電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，影響其它用電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。要想使用側(cè)推只能夠手動操作并網(wǎng)，這不僅違背了設(shè)計初衷而且是船東所不能接受的事實。想要滿足設(shè)計和船東的要求必須實現(xiàn)電網(wǎng)自動管理側(cè)推的投入、運行功效，并能夠自動分析電站的承載能力，合理分配負荷，既要能夠正常操作側(cè)推運行，又要保證電網(wǎng)對其它系統(tǒng)的電力分配，整套系統(tǒng)的改造復(fù)雜而艱難。

2.4 集控系統(tǒng)無法建立

全船集中控制、監(jiān)視系統(tǒng)(AMS/CMS)為澳大利亞廠商設(shè)計、制造的一款基于PLC控制的綜合報警、監(jiān)控、控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有2套PLC模塊，互為備用，可接收來自各機電設(shè)備和液柜及液艙的報警信號，不同的報警點輸出分別送到各個信號采集單元，進入信號中央處理單元，最終輸出至主顯示器及駕駛室延伸顯示器LCD，同時可以集中控制各個泵組的運行/停止,也可以連續(xù)監(jiān)視各個艙柜的液位狀態(tài)。整個系統(tǒng)由UPS作為備用電源，保證船舶在任何航?jīng)r下都能夠保證報警控制系統(tǒng)的正常運行。由于設(shè)計的遺漏導(dǎo)致此系統(tǒng)無法與配電盤聯(lián)合控制發(fā)電機，失去了駕駛室遠操的功能，同時發(fā)電機的監(jiān)控數(shù)據(jù)及報警點也無法接入報警監(jiān)控系統(tǒng)。整套系統(tǒng)處于半工作狀態(tài)。

3 優(yōu)化改造，滿足無人機艙的要求

針對現(xiàn)場所發(fā)現(xiàn)的幾點問題，多次審核設(shè)計圖紙，查閱設(shè)備資料及相關(guān)船舶規(guī)范，對所存在的技術(shù)問題以及不符合規(guī)范要求的系統(tǒng)進行了研究、優(yōu)化和改造，使之滿足無人機艙的規(guī)范要求，具體優(yōu)化如下。

3.1 自動電站的改造，實現(xiàn) AUTO-0

1)針對配電盤設(shè)計與發(fā)電機控制系統(tǒng)不匹配，輸出的信號無法控制發(fā)電機的問題，經(jīng)過反復(fù)查閱配電盤廠家資料，認定配電盤只提供了一組點動開關(guān)量信號來控制發(fā)電機的啟動/停止，然而發(fā)電機需要一組常閉/常開信號來完成對其控制。這就需要改造配電盤的控制原理。改造方案經(jīng)過廠商同意后，建議在每臺發(fā)電機屏上增設(shè)交流繼電器，通過對繼電器的控制來實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變的優(yōu)化改造方案，經(jīng)與廠商溝通同意后，實施了改造，實現(xiàn)了對發(fā)電機的控制。此改造方案既滿足了發(fā)電機的要求，也為公司節(jié)省了改造成本。

2)解決了啟動/停止問題后，又對配電板無法調(diào)速的問題進行了分析研究。通過查閱圖紙發(fā)現(xiàn)配電盤內(nèi)安裝了T7900 調(diào)速模塊，輸出DC24 V/0～5 V 的調(diào)速信號，然而發(fā)電機控制板內(nèi)已經(jīng)配置了電壓調(diào)速器，配電盤輸出的調(diào)速信號不但起不了調(diào)速功效，反而還會燒毀發(fā)電機內(nèi)的調(diào)速模塊。經(jīng)過對發(fā)電機調(diào)速模塊的研究，果斷地決定隔離配電盤內(nèi)的電壓調(diào)速器，增設(shè)了電子電位器，解決了由于設(shè)計缺陷而導(dǎo)致無法調(diào)速的問題，也避免了因設(shè)計問題帶來的事故風險。為了提高對發(fā)電機的調(diào)速精度，電子電位器安裝在發(fā)電機機體內(nèi)，通過控制配電盤上的點動開關(guān)量來控制電子電位器，由開關(guān)量信號控制電阻信號，進而控制發(fā)電機的調(diào)速模塊，實現(xiàn)異地控制發(fā)電機的功能。

3)電站管理系統(tǒng)(PMS)是配電盤的核心組件，它是配電盤的中央處理器，是連接發(fā)電機、主配電板、報警監(jiān)控系統(tǒng)的重要紐帶，是實現(xiàn)電站自動化的唯一途徑。電站管理系統(tǒng)的癱瘓將導(dǎo)致發(fā)電機無法自動啟動、并車、負載分配以及駕駛室遙控功能的失效。經(jīng)過與廠商的共同分析研究，決定用計算機重新優(yōu)化、更改PLC控制程序的設(shè)計方案，經(jīng)反復(fù)論證、試驗，終于解決了電站自動化失效的重大問題，實現(xiàn)了電站獨立、自動運行的功效，保證了駕駛室遙控功能的正常操作。PLC控制程序的改造解決了電站自動化的最大問題，也是整船性能的最關(guān)鍵問題,為實現(xiàn)無人機艙安全的運行邁出了關(guān)鍵的一步。

3.2 發(fā)電機控制系統(tǒng)的優(yōu)化，推進無人機艙實現(xiàn)正常運行的進程

1)通過對發(fā)電機、配電盤圖紙的分析研究，針對在配電盤上無法對發(fā)電機進行實時控制、監(jiān)測的問題，先后提出了幾套改造方案，經(jīng)過與兩家服務(wù)商的共同溝通分析，最終決定增設(shè)遠程速度控制電位器組件，對發(fā)電機的速度進行人為調(diào)整，調(diào)整范圍大約在±5%?？刂菩盘柕妮斎胧拱l(fā)電機能夠被控制，但仍然無法監(jiān)測。為了保證發(fā)電機的安全運行，先后把發(fā)電機輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號，在發(fā)電機上增設(shè)了4個直流繼電器，實現(xiàn)了與配電盤接受信號的匹配，完成了監(jiān)測功能，保證了通信的安全性，滿足了規(guī)范的要求。

2)改造發(fā)電機與配電盤的通訊，進而實現(xiàn)了AUTO-0，但距離無人機艙目標還差一步，那就是要實現(xiàn)全船集中控制的功效。這就要求發(fā)電機必須和報警、控制監(jiān)控系統(tǒng)建立互通。然而服務(wù)商卻告知無法實現(xiàn)互通功能，這就意味著無人機艙無法實現(xiàn)。經(jīng)過翻閱大量的設(shè)備資料，反復(fù)的論證、試驗，最終決定采用發(fā)電機P20端口輸出RS-485通訊標準給控制報警系統(tǒng),此端口是Modbus通訊端口，也是唯一一個可以與報警、控制系統(tǒng)實現(xiàn)互通的端口，最大傳輸距離能夠達到1 220 m，最大傳輸速率為10 Mbps，完全滿足通訊要求。然而在反復(fù)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)通訊有中斷的現(xiàn)象，而且此現(xiàn)象十分頻繁，經(jīng)過反復(fù)的分析研究，最終確定是由于電纜的屏蔽性能被破壞，導(dǎo)致通訊干擾，造成通訊故障。因而決定重新鋪設(shè)電纜，采用平衡雙絞線作為傳輸媒體，終端安裝了匹配電阻(120 Ω)，這樣使通訊更可靠、更暢通，保證了發(fā)電機與報警控制系統(tǒng)通訊無阻，更進一步地實現(xiàn)了無人機艙的目標。

3.3 側(cè)推系統(tǒng)的優(yōu)化改造

1)側(cè)推系統(tǒng)和主配電板在產(chǎn)品設(shè)計上均沒有大功率詢問功能，想要重新增設(shè)此項功能在時間上和設(shè)備配置上都是不允許的，只能夠從程序控制上考慮改造方案。船東要求側(cè)推系統(tǒng)必須能夠在監(jiān)控系統(tǒng)上控制操作，因此必須把思路從電站管理系統(tǒng)上轉(zhuǎn)移到監(jiān)控系統(tǒng)中找到解決的辦法。通過監(jiān)控系統(tǒng)控制電站管理系統(tǒng)的電力分配，保護整個電網(wǎng)的電力供應(yīng)，同時控制側(cè)推系統(tǒng)變頻器，達到啟動/停止側(cè)推的功效。首先對PLC程序進行了優(yōu)化，重新寫入程序，保證只有在2臺及2臺以上發(fā)電機并網(wǎng)的情況下才能夠啟動1臺側(cè)推，3臺及3臺以上的發(fā)電機并網(wǎng)才能夠同時啟動2臺側(cè)推，否則啟動失敗。此項改造方案對保護全船電網(wǎng)起到了重要的作用，即使船員誤操作也不會對全船電網(wǎng)造成影響，滿足了船東、船檢的要求。

2)安保功能的實現(xiàn)將改造工程推進了一大步，要實現(xiàn)整套系統(tǒng)的運行還要對側(cè)推的控制系統(tǒng)進行改造，設(shè)計院的設(shè)計與廠家系統(tǒng)配置完全背離，整個控制系統(tǒng)需要重新設(shè)計，經(jīng)過對側(cè)推廠家資料的反復(fù)查看，決定采用監(jiān)控系統(tǒng)控制側(cè)推，報警系統(tǒng)監(jiān)測側(cè)推，這樣能夠保證集中控制。先后對PLC控制程序進行了重新編程，增設(shè)了直流和交流繼電器，通過操作控制屏，PLC會進行綜合分析，輸出控制信號，控制信號通過繼電器的轉(zhuǎn)換把有源信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊o源信號，無源信號控制繼電器來控制DC24 V電源的輸出，通過電源輸出控制變頻器和側(cè)推控制器，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的控制。側(cè)推的運行、報警信號通過繼電器轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量反饋給報警監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)延伸到駕駛室，這樣在駕駛室可以集中控制、監(jiān)視側(cè)推系統(tǒng)的運行。通過改造和反復(fù)地調(diào)試，實現(xiàn)了閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，既對電站起到了保護作用，又達到了集中控制的功效，完全滿足了無人機艙的規(guī)范要求。

3.4 報警、控制檢測綜合系統(tǒng)的改造與調(diào)試，實現(xiàn)“無人機艙管理”

機艙集中監(jiān)視、控制與報警系統(tǒng)是機艙自動化的一個重要內(nèi)容，無人機艙能否實現(xiàn)關(guān)鍵在于報警、控制檢測綜合系統(tǒng)能否滿足規(guī)范要求。它的重要性是能夠準確可靠地監(jiān)測機艙內(nèi)各種動力設(shè)備的運行狀態(tài)及其參數(shù)，運行設(shè)備一旦發(fā)生故障，自動發(fā)出聲、光報警信號，并可以在觸摸屏上查詢具體的故障來源、故障狀態(tài)，指導(dǎo)故障排除，并能夠自動保存故障內(nèi)容。它可以改善輪機管理人員的工作條件，減輕勞動強度，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運行故障，而且也是實現(xiàn)無人機艙的基本條件。該系統(tǒng)的不同之處在于不僅能夠?qū)C艙進行監(jiān)視、報警，還能夠?qū)C艙泵組設(shè)備進行異地控制，實現(xiàn)駕駛室遙控功效。然而由于設(shè)計上的缺陷，使該系統(tǒng)強大的功能無法發(fā)揮出來，船東對此表示不滿意。經(jīng)過與服務(wù)商共同研究、分析，先后把配電盤、發(fā)電機、側(cè)推、水密門指示系統(tǒng)、水霧噴淋系統(tǒng)、死船恢復(fù)啟動等系統(tǒng)并入了集控網(wǎng)絡(luò)，并進一步優(yōu)化了管理程序和大量的技術(shù)問題，使之能夠統(tǒng)一監(jiān)視、控制機艙動態(tài)，為安全、高效地航行保駕護航。

4 成果與意義

在對1 100 噸級客滾船圖紙的優(yōu)化設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試、改造的過程中，學(xué)習、積累了大量的關(guān)于船舶無人機艙有關(guān)電氣方面的技術(shù)知識和改造過程中的實際經(jīng)驗，為今后承接改造類似工程項目奠定了牢固的基礎(chǔ)。全船以最短的時間、最小的改造成本解決全船最大的問題，不僅為公司按期交船爭取了時間，而且為公司節(jié)省了近百萬元。同時也為公司贏得了市場和產(chǎn)品，為公司長遠的發(fā)展做出了積極的貢獻。

This paper summarize the renovation project which the name of BRUCE ro-ro passenger ship about the request of the unmanned engine room.The main point is about the optimization design and the solution of the technical question.The successful conversion becomes valuable experience for our company especially.

engine-room-zero(ED)；alarm monitoring system(AMS);control monitoring system(CMS);main switch board(MSB)

王科成(1985-)，男，遼寧大連人，工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶電氣設(shè)計工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.012

2016-04-25