艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)的研究

汪曉旭 鄭 松

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350016）

艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)的研究

汪曉旭 鄭 松

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350016）

艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)是艦船機(jī)電控制系統(tǒng)的重要組成部分，是艦船作戰(zhàn)生命力的重要保障。本文首先分析了艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)架構(gòu)；然后介紹了一種新的組態(tài)技術(shù)，即工業(yè)自動化通用技術(shù)平臺（簡稱IAP）；最后設(shè)計了一套基于IAP控制平臺的艦船火災(zāi)損管仿真系統(tǒng)，包括仿真平臺設(shè)計、艙室火災(zāi)模型開發(fā)、報警閥值設(shè)定以及人機(jī)界面設(shè)計。

艦船；損管系統(tǒng)；仿真平臺

在大海上航行的艦船，一旦著火并蔓延，將給艦船造成不堪設(shè)想的后果，因此設(shè)計一套滅火系統(tǒng)是非常必要的。艦船滅火系統(tǒng)是艦船自動損管系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是實(shí)時監(jiān)測艦船各艙室的環(huán)境，采集艙室的溫度、煙霧濃度和 CO濃度等信息，輔助預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的概率，及時地報警通知船上人員，顯示發(fā)生火災(zāi)的位置，并自動或要求操作員手動地開啟聯(lián)動裝置進(jìn)行滅火。本文應(yīng)用了一項(xiàng)稱為“工業(yè)自動化通用技術(shù)平臺”（簡稱IAP）的技術(shù)設(shè)計了艦船火災(zāi)損管仿真系統(tǒng)。

IAP控制平臺是一種新型的工業(yè)自動化系統(tǒng)，包括通用控制站、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通用網(wǎng)絡(luò)、跨平臺運(yùn)行的組態(tài)軟件、分布式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、面向設(shè)備的組態(tài)開發(fā)工具等。它最獨(dú)特的特點(diǎn)是向著組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)一體化、控制智能化和管理一體化的方向發(fā)展［1］。與傳統(tǒng)的 DCS控制站只能選擇特定的系統(tǒng)硬件不同的是，IAP平臺的控制站可以由不同廠家PLC、工控機(jī)或類似裝置組成，并在其中運(yùn)行統(tǒng)一的控制組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)同一種控制算法組態(tài)在異構(gòu)計算環(huán)境中的運(yùn)行。

1 艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)的原理

圖1 艦船損管滅火系統(tǒng)原理圖

艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，首先傳感器檢測艙室火情信號（煙霧、溫度和相關(guān)氣體溶度），然后把檢測的模擬信號傳送給數(shù)據(jù)采集與設(shè)備驅(qū)動裝置；數(shù)據(jù)采集裝置把模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號并往上傳送給數(shù)據(jù)處理裝置和顯控臺；數(shù)據(jù)處理設(shè)備把處理結(jié)果往下傳達(dá)給設(shè)備驅(qū)動裝置，往上傳給顯控臺并提供相關(guān)的輔助決策；設(shè)備驅(qū)動裝置根據(jù)數(shù)據(jù)采集裝置和顯控臺傳來的信息對聯(lián)動裝置進(jìn)行驅(qū)動輸出［2］。

艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)一般采用三層分布式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分為監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層。顯控臺、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)采集與設(shè)備驅(qū)動裝置之間用工業(yè)交換機(jī)構(gòu)成一個工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。其中，顯控臺是一個人機(jī)界面，它能夠根據(jù)底層上傳的信號，顯示當(dāng)前艦船各個艙室的溫度、煙霧及氣體溶度等參數(shù)的情況，并當(dāng)艦船發(fā)生火災(zāi)時，發(fā)出警報信號，控制遠(yuǎn)程的執(zhí)行器來進(jìn)行滅火?，F(xiàn)場設(shè)備的傳感器（包括手動報警按鈕）和執(zhí)行器連接在一起組成多條探測環(huán)路，遍布艦船的各層夾板，并且通過現(xiàn)場總線的方式與數(shù)據(jù)采集和設(shè)備驅(qū)動單元連在一起，為此大大減少了接線的復(fù)雜度。

2 艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計

艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)設(shè)計如圖2所示，該平臺采用三層架構(gòu)的設(shè)計，分為監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場層。

圖2 火災(zāi)損管系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)圖

控制層由一臺研華 510H型號的工控機(jī)、三臺歐姆龍CS1D-67H型號的PLC組成?？刂茖拥腜LC作為驅(qū)動級的控制設(shè)備，內(nèi)置數(shù)據(jù)引擎和控制算法組態(tài)數(shù)據(jù)，完成傳感數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動級控制指令輸出和設(shè)備級的聯(lián)鎖保護(hù)等任務(wù)。該型號的PLC為雙機(jī)系統(tǒng)，帶有雙機(jī)CPU單元、雙機(jī)電源單元和雙機(jī)通信單元，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。其中雙機(jī)CPU單元由兩個相同的CPU組成，它們總是運(yùn)行著相同的用戶程序，其中之一為主CPU，另一個為備用CPU，如果正在運(yùn)行的CPU單元發(fā)生了錯誤或故障，就轉(zhuǎn)換到備用CPU單元并繼續(xù)操作。工控機(jī)運(yùn)行QNX操作系統(tǒng)，同樣也內(nèi)置相同技術(shù)規(guī)范的數(shù)據(jù)引擎，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。由于兩種控制設(shè)備都內(nèi)置了數(shù)據(jù)引擎，確保它們能夠在相同的軟件結(jié)構(gòu)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的互聯(lián)互通。PLC和工控機(jī)通過交換機(jī)相連組成以太網(wǎng)，并通過 IAPcom通信軟件來完成它們之間數(shù)據(jù)搬移，實(shí)現(xiàn)控制層之間的協(xié)同互操作。監(jiān)控層由一臺工程師站和操作員站組成，它們分別運(yùn)行著 IAPplant、IAPlogic、IAPdata和IAPview等IAP控制平臺組態(tài)軟件。這些軟件均通過以太網(wǎng)與PLC和工控機(jī)中的數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行實(shí)時通訊，以獲取它們的實(shí)時狀態(tài)或下達(dá)相應(yīng)的控制指令。現(xiàn)場層采用一臺歐姆龍CS1D-67H型號PLC對火災(zāi)進(jìn)行模擬，使用IAPlogic對火災(zāi)模型進(jìn)行建模，通過以太網(wǎng)下載到仿真PLC中，對火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時仿真?，F(xiàn)場層的仿真PLC通過I/O硬接線的方式與驅(qū)動級PLC相連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場模型與控制層的數(shù)據(jù)交換。PLC控制站的實(shí)際接線如圖3所示。

圖3 PLC控制站接線圖

本次設(shè)計的仿真平臺對艦船上的十個艙室進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)控，其中1號PLC控制站的I/O分配見表1，其主要負(fù)責(zé) 1—3號艙室的現(xiàn)場環(huán)境信號采集和設(shè)備驅(qū)動，2號PLC控制站主要負(fù)責(zé)4—7號艙室的火災(zāi)監(jiān)控，3號PLC控制站負(fù)責(zé)8—10號艙室的火災(zāi)監(jiān)控。

表1 1號控制站的I/O分配表

3 艦船艙室火災(zāi)模型開發(fā)

本次搭建的仿真平臺采用雙層區(qū)域火災(zāi)模型，基本思想是:在火災(zāi)發(fā)生后，將密閉艙室的空間分為熱煙氣層和常溫空氣層上下兩層，各層內(nèi)部的物理參數(shù)（空氣溫度和密度等）均勻，上下層通過燃燒物產(chǎn)生的羽流進(jìn)行能量和質(zhì)量交換。根據(jù)能量和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)出煙氣層高度和溫度隨時間變化的規(guī)律［3-4］。

艙室內(nèi)部的熱煙氣層高度和溫度的迭代公式為

式中，Yn為煙氣層高度，為羽流流入煙氣層的煙氣質(zhì)量之和，為火災(zāi)煙氣溢流質(zhì)量，Tu為熱氣層的溫度，T0為環(huán)境溫度，Af為火災(zāi)艙室地板面積，為艙室高度，Cp對流熱釋放速率；Qv為通風(fēng)口流出的熱速率；Qc為熱氣對壁的對流熱率。

自動水噴淋滅火系統(tǒng)對火災(zāi)的控制，實(shí)際上是通過灑水控制火源的熱釋放速率來達(dá)到的。細(xì)水霧能夠通過打濕可燃物表面或水霧蒸發(fā)吸收火源的熱量，這樣來降低可燃物火源的熱釋放率，本文采用了美國 NIST方程提出的噴頭灑水強(qiáng)度和灑水時間與火源熱釋放速率的數(shù)學(xué)關(guān)系式［5］，即

式中，qs為噴淋系統(tǒng)的噴水密度，單位為 mm/s；為噴淋系統(tǒng)啟動時的火源熱釋放速率；t-tact為噴淋啟動后至計算時刻的噴水時間。

以艦船艙室為例進(jìn)行火災(zāi)模擬，假設(shè)艙室空間尺寸為 5m×7m×3m，艙壁通風(fēng)口尺寸為 0.8m× 0.8m，噴淋系統(tǒng)的噴水密度為0.1mm/s。

根據(jù)上述推導(dǎo)出的公式，采用IAPlogic進(jìn)行火災(zāi)模型搭建。艙室熱煙氣層溫度數(shù)學(xué)模型的部分邏輯組態(tài)如圖4所示。

火源熱釋放速率數(shù)學(xué)關(guān)系式的邏輯如圖 5所示，eTs003元件是慣性曲線運(yùn)算器，計算公式為

圖4 熱煙氣層溫度模型的部分邏輯圖

圖5 火源熱釋放速率邏輯圖

圖6所示為艙室封閉和開啟通風(fēng)口情況下的溫度對比曲線圖，虛線代表著艙室封閉無噴淋情況下的溫度變化曲線，實(shí)線代表著打開艙室聯(lián)通口無噴淋情況下的溫度變化曲線，后者比前者的溫度略低點(diǎn)，打開通風(fēng)口有一定的降溫效果。

圖6 艙室封閉與聯(lián)通的溫度對比曲線圖

圖7 噴淋系統(tǒng)開啟后的艙室溫度曲線圖

圖 7為打開水噴淋系統(tǒng)后的艙室溫度變化曲線，從圖上可以看出，當(dāng)傳感器檢測到火災(zāi)發(fā)生后，系統(tǒng)自動或人員手動開啟水噴淋系統(tǒng)，200s后艙室的溫度就會出現(xiàn)急劇的下降，再經(jīng)300s之后，艙室內(nèi)的火災(zāi)就能夠完全被撲滅。溫度變化曲線很好地說明了，水噴淋系統(tǒng)對艙室火勢的發(fā)展具有很好的抑制作用，而此時打開通風(fēng)口，對艙室降溫效果不太，并且煙霧可能通過聯(lián)通口擴(kuò)散到艦船的其他位置，因此，在火未完全撲滅時，不建議打開通風(fēng)口。

4 艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計

本文采用了IAP控制平臺的軟件工具對火災(zāi)損管系統(tǒng)進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計，其中，IAPlogic軟件是控制策略組態(tài)軟件，IAPview是人機(jī)界面組態(tài)軟件。

4.1 艙室火災(zāi)報警閥值設(shè)定

火災(zāi)發(fā)生時，艙室環(huán)境會產(chǎn)生較大的變化，空氣中的溫度、煙霧濃度及CO濃度都會急劇的增高，所以實(shí)時監(jiān)測這3個參數(shù)的變化，就能及時地監(jiān)控艙室內(nèi)有無燃燒現(xiàn)象的產(chǎn)生。根據(jù)這3個參數(shù)的值，火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定為3級報警。其中，溫度35℃～50℃、煙霧濃度0.3～0.85dB/m和CO濃度10～10× 17-6為A級報警，以此類推設(shè)定B級、C級報警。

報警閥值設(shè)定的邏輯組態(tài)如圖8所示，邏輯圖中的 HLM元件為高低限報警元件。當(dāng)輸入信號超過報警元件上限或低于下限，輸出為True（1），然后對該值進(jìn)行取反，從而來設(shè)定報警閥值及分級報警。

圖8 報警閥值及分級設(shè)定邏輯圖

4.2 艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)人機(jī)界面

IAPview采用了面向設(shè)備無腳本組態(tài)模式，提高了組態(tài)效率，并提供了豐富的組態(tài)圖形元件庫和集成了各類先進(jìn)的界面技術(shù)，為此本節(jié)采用IAPview對艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)界面的組態(tài)。整個人機(jī)界面系統(tǒng)由艦船損管系統(tǒng)總監(jiān)控臺、各艙室火災(zāi)監(jiān)控畫面和艙室火災(zāi)輔助決策系統(tǒng)組成。如圖9所示為艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)總監(jiān)控臺畫面，整個監(jiān)控主界面由十個艙室組成，每個艙室的界面由報警燈和操作按鈕組成。當(dāng)艦船發(fā)生火災(zāi)時，著火艙室的報警燈會亮，由此確艦船上著火位置，并發(fā)出報警信號提示操作員，操作員點(diǎn)擊界面上面的 Enter按鈕就能進(jìn)入該艙室的詳細(xì)的火災(zāi)監(jiān)控界面。

圖9 艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)總監(jiān)控臺畫面

圖10所示為艙室火災(zāi)監(jiān)控界面，界面主要由火災(zāi)處理模塊、艙室信息、火災(zāi)輔助決策系統(tǒng)、艙室溫度歷史曲線和現(xiàn)場設(shè)備操作窗等畫面組成。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，操作員可以通過CCTV視頻監(jiān)控窗確認(rèn)艙室情況，防止誤操作，然后通過火災(zāi)處理模塊切斷艙室電源、打開通風(fēng)口和噴淋系統(tǒng)進(jìn)行滅火，可通過設(shè)備操作窗對設(shè)備手/自動狀態(tài)進(jìn)行切換。

圖10 艙室火災(zāi)監(jiān)控界面圖

5 結(jié)論

艦船火災(zāi)損管系統(tǒng)是艦船機(jī)電控制系統(tǒng)的重要組成部分，本文采用IAP控制平臺對其進(jìn)行了仿真系統(tǒng)設(shè)計，充分利用IAP平臺的跨平臺性，完成了整個仿真平臺架構(gòu)設(shè)計、艙室火災(zāi)模型的開發(fā)以及人機(jī)界面的搭建等。

［1］鄭松.平臺集成控制技術(shù)在艦船中的應(yīng)用［C］//2014中國指揮控制大會，2014.

［2］朱秋紅.智能化艦船損管系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［3］Quintiere J.Fundamentals of enclosure fire zone model［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1989（1）：68-72.

［4］孟嵐，周允基.Two-layer雙層區(qū)域模型對單室火災(zāi)的模擬［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，23（4）：28-32.

［5］李念慈，李悅.自動噴水滅火系統(tǒng)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

The Study of Ship Fire Damage Control System

Wang Xiaoxu Zheng Song
（College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116）

This ship fire damage control system，which has the responsibility for guaranteeing ship survivability，is an important part of ship machinery control system.The principle and architecture of ship fire damage control system is analyzed in this paper.And then a new configuration technology，industrial automation general technology platform（IAP），is introduced.Based on the IAP control platform，a ship fire damage control simulation system，which includes simulation platform，the cabin fire model，the alarm value and human machine interface（HMI），is designed.

ship；damage control system；simulation platform

汪曉旭（1990-），男，福建泉州人，在讀碩士研究生。