船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性保障技術(shù)探討

凃玲英 夏貴林

（1.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 湖北武漢 430068 2.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院2013級(jí)研究生 湖北武漢 430068）

船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性保障技術(shù)探討

凃玲英1夏貴林2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 湖北武漢 430068 2.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院2013級(jí)研究生 湖北武漢 430068）

船舶綜合控制系統(tǒng)的應(yīng)用是保證船舶運(yùn)行可靠性的重要基礎(chǔ)，因此，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求比較高。本文首先簡(jiǎn)單介紹了船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，然后對(duì)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性保障技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探究，以期為后期的船舶綜合系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)和研究工作提供參考和借鑒。

船舶；電氣自動(dòng)化系統(tǒng)；可靠性保障技術(shù)

1 引言

影響船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的因素有很多種，包括船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、船舶運(yùn)行安全性等等。船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的保障技術(shù)對(duì)于提高船舶運(yùn)行穩(wěn)定性具有十分重要的作用，能夠有效減少船舶故障發(fā)生幾率，從而提高整個(gè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。

2 船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

船舶自動(dòng)化控制是指在船舶的各個(gè)設(shè)備上安裝自動(dòng)化裝置，從而使船舶在無(wú)人操作的情況下，按照設(shè)定好的程序完成自主運(yùn)行，并保證船舶運(yùn)行的穩(wěn)定性。18世紀(jì)，自動(dòng)化調(diào)節(jié)技術(shù)就被運(yùn)用到了船舶的部分設(shè)計(jì)中，為此后實(shí)現(xiàn)全面的自動(dòng)化系統(tǒng)控制奠定了良好的基礎(chǔ)；19世紀(jì)，船舶的自動(dòng)化裝置已具備了按照設(shè)置順序控制的功能，形成了自動(dòng)化系統(tǒng)控制的雛形；二戰(zhàn)后，控制理論的迅速發(fā)展為船舶自動(dòng)化控制技術(shù)水平的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，相關(guān)研究人員將自動(dòng)化控制技術(shù)充分地應(yīng)用到了船舶設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶設(shè)備的單獨(dú)控制和操作；20世紀(jì)80年代后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，全面推進(jìn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展；目前，船舶主要采用分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶全方位、分散性的管理和控制，縮小了設(shè)備故障的影響范圍，提高了船舶運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

3 船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)的難點(diǎn)

3.1 電磁安全性較低

電磁技術(shù)是船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)實(shí)施的前提，然而電磁安全問(wèn)題卻很容易在船舶運(yùn)行時(shí)受到干擾。船舶的運(yùn)行大多是在海面上，如果出現(xiàn)極端天氣，就會(huì)對(duì)船舶的整體電磁系統(tǒng)造成嚴(yán)重的電磁干擾，破壞船舶的運(yùn)行可靠性。與此同時(shí)，船舶內(nèi)部空間往往比較小，很多電子元件設(shè)備的安裝較為緊密，這些都會(huì)導(dǎo)致電子干擾問(wèn)題發(fā)生的概率不斷增加。

3.2 控制線路單一

船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備的操作方式比較簡(jiǎn)單，而且往往能夠通過(guò)駕駛艙內(nèi)的總操作系統(tǒng)進(jìn)行操作。但是，如果總操控系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)船舶的電氣設(shè)備失去操控；如果總操縱系統(tǒng)的線路出現(xiàn)故障或者操作失誤，則也會(huì)對(duì)船舶造成嚴(yán)重的危害；如果船舶的控制線路單一，則如果某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，則必須關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，這就會(huì)導(dǎo)致船舶失去整個(gè)設(shè)備的操作力和控制力。這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性較低，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的故障和危害。

3.3 系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤率高

在實(shí)際應(yīng)用中，船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)能夠有效提高船舶運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，但是其不可避免的也會(huì)出現(xiàn)一定的容錯(cuò)概率，而且這一概率是無(wú)法逆轉(zhuǎn)和發(fā)生改變的。通常情況下，容錯(cuò)概率出現(xiàn)在電氣設(shè)備的安裝和運(yùn)行過(guò)程中。電氣設(shè)備的制造和安裝幾乎不可能做到百分百的安全和穩(wěn)定，在電氣設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，很難避免出現(xiàn)問(wèn)題或者產(chǎn)生一定的錯(cuò)誤率，隨著設(shè)備使用時(shí)間的增長(zhǎng)，錯(cuò)誤的發(fā)生幾率也會(huì)不斷增加。這類設(shè)備故障和錯(cuò)誤率是很難避免的，只能夠通過(guò)后期的維護(hù)和保養(yǎng)盡量降低故障和錯(cuò)誤的發(fā)生幾率。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，整個(gè)電子系統(tǒng)將直接崩潰。

4 保障船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)

4.1 電力推進(jìn)技術(shù)

簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，船舶電力推進(jìn)裝置是由以下幾個(gè)部分所組成的：原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、控制調(diào)節(jié)設(shè)備，具體的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 船舶電力推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)如圖

由于受到傳統(tǒng)觀點(diǎn)的影響，電力推進(jìn)技術(shù)往往只是被廣泛應(yīng)用于小型船舶中，但是，近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，電力推進(jìn)技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于大型船舶中，而且通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐研究，其對(duì)整體的推動(dòng)系統(tǒng)能夠起到十分重要的作用?，F(xiàn)階段，大部分船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源都是采用高速或中速柴油機(jī)以及少數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)動(dòng)力來(lái)源的不同，可以將電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，具體可以分為兩種，即柴油機(jī)式電力推進(jìn)系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)式電力推進(jìn)系統(tǒng)；根據(jù)電動(dòng)機(jī)布置形式的不同，又可以分為吊艙式和機(jī)艙式兩種；根據(jù)電源形式的不同，可以將其劃分為直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種。在傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展中，交流傳動(dòng)技術(shù)與直流傳動(dòng)技術(shù)相比，發(fā)展速度更快，因此已經(jīng)基本取代了直流傳動(dòng)技術(shù)，主要原因在于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。在交流電力推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行合理選型至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用前景最為廣闊，其兼具具有較高的效率高、寬調(diào)速范圍以及高精度等特點(diǎn)，現(xiàn)在又以采用交流變頻器的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展最快，并且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中。

4.2 機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)

在船舶自動(dòng)化系統(tǒng)中，機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是十分重要的組成部分，通過(guò)機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，能夠高效準(zhǔn)確的對(duì)運(yùn)行設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、顯示與自動(dòng)報(bào)警以及在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)，不僅能夠有效減少值班的輪機(jī)員的工作量，而且還能夠保障船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。為了更好的適應(yīng)船舶綜合自動(dòng)化要求，在未來(lái)的發(fā)展中，機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的改進(jìn)方向?yàn)椋?/p>

（1）自動(dòng)化綜合系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)這一系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并排除故障，兼具故障的預(yù)報(bào)以及診斷等功能，有利于減少故障的發(fā)生幾率，對(duì)于保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。

（2）加強(qiáng)對(duì)DCS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)情報(bào)進(jìn)行統(tǒng)一高效的管理，而且不僅能夠在微機(jī)控制系統(tǒng)中顯示報(bào)警，而且還能夠有效控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，如圖2所示，為三層微機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。主站設(shè)置在控制室，具有顯示界面和打印等功能；通訊站主要負(fù)責(zé)將分站監(jiān)測(cè)的信息傳遞給主站；各個(gè)分站之間的監(jiān)測(cè)任務(wù)是獨(dú)立的，沒(méi)有關(guān)聯(lián)，因此，系統(tǒng)需要將計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合。

圖2 DCS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

4.3 電磁干擾技術(shù)

（1）隔離變壓器。根據(jù)研究分析，交流電源是影響船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，通過(guò)使用電氣設(shè)備隔離變壓器，能夠有效改善這一干擾獨(dú)立。將強(qiáng)電和弱電進(jìn)行分隔，也有利于減少干擾。船舶的電源通過(guò)交流變壓器，能夠有效的過(guò)濾掉高頻信號(hào)，并且為自控裝置提供獨(dú)立電源，隔離干擾能力較強(qiáng)。

（2）改變傳輸介質(zhì)。在船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)控制過(guò)程中，主要是采用遙控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制的，船舶的控制系統(tǒng)輸入部分主要在駕駛室，船舶的機(jī)艙是系統(tǒng)的接收部分，信號(hào)傳輸線較長(zhǎng)，因此電磁干擾還會(huì)進(jìn)一步干擾傳輸線信號(hào)。對(duì)此，在船舶系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸介質(zhì)被改變，信號(hào)被屏蔽干擾，電磁信號(hào)的干擾也會(huì)被屏蔽。

4.4 電磁容錯(cuò)技術(shù)

電磁容錯(cuò)技術(shù)指的是系統(tǒng)對(duì)于故障的處理能力。在船舶的運(yùn)行過(guò)程中，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，通過(guò)電磁容錯(cuò)技術(shù)就能夠及時(shí)的對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判，并且自動(dòng)設(shè)置一系列保護(hù)措施，將控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)斷開，自動(dòng)化隔離系統(tǒng)指令。如果系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生故障，系統(tǒng)也能夠根據(jù)故障的形式采取不同的應(yīng)對(duì)措施，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能。

4.5 電磁兼容保障技術(shù)

船舶的空間比較小，因此，船舶電氣設(shè)備的安裝空間也比較小，電氣設(shè)備的工作環(huán)境比較惡劣。在船舶的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果在船舶內(nèi)開啟或關(guān)閉電氣設(shè)備，則很容易受到電磁的干擾，這就會(huì)影響船舶的正常運(yùn)行。除此以外，絕大多數(shù)船舶都是在海綿上運(yùn)行的，如果天氣情況比較極端，則船舶的電磁系統(tǒng)也會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，進(jìn)而產(chǎn)生電磁干擾現(xiàn)象。因此，必須利用電磁兼容保障技術(shù)，有效改善船舶電氣系統(tǒng)的抗干擾能力，進(jìn)而保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。船舶電磁干擾的形成需要三要素的支持，分別為干擾源、傳輸媒介以及靈敏的接受模塊。因此，電磁兼容保障技術(shù)需要破壞這三要素中的某一要素，即能夠使得船舶電氣設(shè)備免受電磁的干擾。另外，元器件在電磁兼容技術(shù)中也是十分關(guān)鍵的，合理選用元器件有利于降低對(duì)電磁干擾信號(hào)的敏感程度。因此，在電磁兼容技術(shù)的元器件的選擇過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮以下兩點(diǎn)：①電氣干擾源的信號(hào)電平必須超過(guò)船舶電氣規(guī)定的范圍；②電氣設(shè)備可以響應(yīng)干擾源的主要信號(hào)頻率。由此可見，數(shù)字集成電路的電壓越高，船舶電氣設(shè)備的抗干擾能力就相應(yīng)的越強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性保障技術(shù)對(duì)船舶的安全穩(wěn)定工作能夠起到十分關(guān)鍵的作用。因此，在具體使用所有這些保障技術(shù)之前，必須要重視有關(guān)的檢驗(yàn)和測(cè)試工作，及時(shí)找出薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行具體的分析和研究，提出更好地解決措施，這樣才能夠保證船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。

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1004-7344（2016）07-0320-02

2016-2-20