大型船舶日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案

劉毅，潘錦平

(中國(guó)船艇設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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大型船舶日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案

劉毅，潘錦平

(中國(guó)船艇設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

結(jié)合大型船舶日用水系統(tǒng)設(shè)備信息化和自動(dòng)化管路的需求，提出一種適用于大型船舶的日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案，分析系統(tǒng)設(shè)備組成、功能、性能、架構(gòu)和接口，該方案能有效提高全船水資源的管理能力，減少船員的工作強(qiáng)度，提升全船的信息化和自動(dòng)化水平。

大型船舶；日用水；監(jiān)控；方案研究

船舶動(dòng)力裝置需要消耗大量淡水，主要用作柴油機(jī)冷卻水、鍋爐給水、蓄電池用水等。這些淡水一般采用專(zhuān)用水艙儲(chǔ)存，但是對(duì)于大型船舶，由于連續(xù)航行時(shí)間長(zhǎng)，與補(bǔ)給基地相距遠(yuǎn)，要儲(chǔ)備足夠的淡水；遠(yuǎn)洋船舶航行也要求能源源不斷地補(bǔ)充淡水[1]。

目前大型船舶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)重要輔助機(jī)電設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、舵機(jī)等)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制，但未能對(duì)日用淡水系統(tǒng)日常使用較多的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理。日用淡水系統(tǒng)設(shè)備分布在全船的不同部位，尤其集中在機(jī)艙、泵艙等人員不易到達(dá)的部位。設(shè)備對(duì)船舶淡水系統(tǒng)的安全性有著或大或小的影響，一旦發(fā)生故障，需要及時(shí)處理。傳統(tǒng)的管理辦法是安排船員值班巡視，記錄每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，排查故障。但是對(duì)于大型船舶，船員編制有限，設(shè)備數(shù)量大，對(duì)于信息化和自動(dòng)化需求愈發(fā)迫切，這種傳統(tǒng)的管理方式逐漸趨于落后，因此需要建立一套自動(dòng)化程度較高的日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)

鑒于日用水系統(tǒng)設(shè)備的分布特點(diǎn)，集中監(jiān)控系統(tǒng)可采用典型的分布式測(cè)控架構(gòu)，分層采集和控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

全船設(shè)置1臺(tái)集中管理的數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)日用水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和控制，下設(shè)監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊可按照防火區(qū)或水密區(qū)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)監(jiān)控信息統(tǒng)一采集轉(zhuǎn)發(fā)。監(jiān)控模塊根據(jù)設(shè)備布置為現(xiàn)場(chǎng)均布，還可作為區(qū)域監(jiān)控中繼設(shè)備，用于解決因設(shè)備與監(jiān)控模塊之間距離過(guò)遠(yuǎn)而造成的信號(hào)衰減問(wèn)題。另外在管路上設(shè)置電液式閥門(mén)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，并對(duì)水量、水質(zhì)等重要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)控箱、監(jiān)控模塊、淡水補(bǔ)給控制箱、電液式閥門(mén)、水量監(jiān)測(cè)模塊和水質(zhì)檢測(cè)模塊組成。

1)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。數(shù)據(jù)監(jiān)控箱由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊、CAN通信模塊、顯示模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。全船一般設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，監(jiān)控箱布置在機(jī)電集控中心，集中實(shí)現(xiàn)日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制功能。

2)監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、CAN通信模塊、RS485通訊模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。監(jiān)控模塊全船均布，其數(shù)量根據(jù)日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)分區(qū)確定，一般一個(gè)監(jiān)控區(qū)設(shè)1臺(tái)監(jiān)控模塊。

3)淡水補(bǔ)給控制箱。淡水補(bǔ)給控制箱由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、RS485通信模塊、操控界面、CPU模塊、接線端子及箱體等組成。淡水補(bǔ)給監(jiān)控箱一般設(shè)置在露天平臺(tái)岸補(bǔ)、海補(bǔ)接口處和造水機(jī)附近，其數(shù)量根據(jù)補(bǔ)給處所和造水機(jī)艙室數(shù)量確定。

4)電液式閥門(mén)。電液式閥門(mén)由驅(qū)動(dòng)頭、閥門(mén)、15 m線纜和接線盒組成。電液式閥門(mén)主要用于液艙進(jìn)出水控制，供水及調(diào)撥總管的控制等，其數(shù)量根據(jù)淡水艙數(shù)量及淡水總管數(shù)量確定。

5)水量監(jiān)測(cè)模塊。水量監(jiān)測(cè)模塊由電磁流量計(jì)、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。數(shù)量監(jiān)控模塊主要用于采集系統(tǒng)的耗水量，其數(shù)量根據(jù)供水裝置的數(shù)量確定。

6)水質(zhì)檢測(cè)模塊。水質(zhì)檢測(cè)模塊由余氯傳感器、濁度傳感器、信號(hào)變送器、電源模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、水樣采集模塊、設(shè)備支架以及數(shù)據(jù)采集、處理及通訊軟件組成。主要用于檢測(cè)全船淡水的水質(zhì)[2]，一般全船配置1臺(tái)。

2 功能

2.1 系統(tǒng)功能

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對(duì)全船的洗滌冷水系統(tǒng)、洗滌熱水系統(tǒng)、飲用水系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、淡水制備系統(tǒng)、淡水閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)及甲板漏水系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置的1臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱和每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置的監(jiān)控模塊采集本區(qū)域內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和綜合故障報(bào)警、淡水消耗量、閥門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)和綜合故障報(bào)警等信息，并執(zhí)行部分設(shè)備的遙控、閥門(mén)遙控開(kāi)閉等控制。監(jiān)控系統(tǒng)功能流程見(jiàn)圖1。

2.2 主要設(shè)備功能

1)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。數(shù)據(jù)監(jiān)控箱通過(guò)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)以雙冗余以太網(wǎng)形式接收淡水艙、艙底油污水艙等液艙的液位信息，并進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)監(jiān)控箱具有系統(tǒng)內(nèi)部分設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控控制，具有系統(tǒng)內(nèi)電液式閥門(mén)開(kāi)閉的遙控控制，以實(shí)現(xiàn)淡水補(bǔ)給、調(diào)撥、水艙取水等控制功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)控箱通過(guò)雙冗余CAN總線接收各監(jiān)控模塊采集的電動(dòng)疏水泵、凝水排放裝置、熱水裝置、水質(zhì)調(diào)節(jié)裝置、循環(huán)過(guò)濾裝置、水量監(jiān)測(cè)模塊、海水/淡水板式換熱器、變頻供水裝置、反滲透海水淡化裝置、水質(zhì)后處理裝置、礦化裝置、消毒劑投放裝置、淡水泵，淡水艙、消毒劑投放、循環(huán)過(guò)濾控制閥，海水/淡水板式換熱器、油污水收集艙控制閥、電動(dòng)疏水泵、電動(dòng)柱塞泵等設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)、故障報(bào)警，淡水消耗量，淡水循環(huán)泵出口水質(zhì)(濁度和余氯)及電液式閥門(mén)的啟閉狀態(tài)及故障報(bào)警等信息，并進(jìn)行顯示。同時(shí)接收淡水補(bǔ)給控制箱的閥門(mén)遙控啟停指令，進(jìn)行相應(yīng)閥門(mén)啟停控制。

數(shù)據(jù)監(jiān)控箱能通過(guò)監(jiān)控模塊對(duì)熱水裝置、海水/淡水板式換熱器、變頻供水裝置、反滲透海水淡化裝置、淡水艙控制閥、淡水泵，消毒劑投放、循環(huán)過(guò)濾控制閥，電動(dòng)疏水泵、礦化供水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

2)監(jiān)控模塊。每臺(tái)監(jiān)控模塊分別采集相應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警、淡水消耗量、淡水循環(huán)泵出口水質(zhì)(濁度和余氯)及電液式閥門(mén)的啟閉狀態(tài)及故障報(bào)警等信息，并通過(guò)雙冗余CAN總線傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，并在數(shù)據(jù)監(jiān)控箱上進(jìn)行狀態(tài)及報(bào)警顯示。

監(jiān)控模塊通過(guò)RS485通信接口、和開(kāi)關(guān)量輸入接口采集對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備和電液式閥門(mén)的狀態(tài)和綜合故障報(bào)警信息，并通過(guò)雙冗余CAN總線將采集對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和綜合故障報(bào)警信息，以及淡水補(bǔ)給控制箱的閥門(mén)遙控啟停指令發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。

監(jiān)控模塊通過(guò)雙冗余CAN總線接收數(shù)據(jù)監(jiān)控箱發(fā)送的控制指令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部分設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控控制和系統(tǒng)內(nèi)電液式閥門(mén)開(kāi)閉的遙控控制，以實(shí)現(xiàn)淡水補(bǔ)給、調(diào)撥、水艙取水等控制功能。

監(jiān)控模塊通過(guò)RS485通訊接口采集淡水補(bǔ)給控制箱的閥門(mén)遙控啟停指令。

3)淡水補(bǔ)給控制箱。淡水補(bǔ)給控制箱具備系統(tǒng)內(nèi)各電液式遙控閥門(mén)的遙控啟停控制功能：通過(guò)RS485通信接口發(fā)送閥門(mén)啟?？刂浦噶罱o對(duì)應(yīng)的監(jiān)控模塊，再由監(jiān)控模塊將閥門(mén)啟?？刂浦噶钔ㄟ^(guò)CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控箱，最后由數(shù)據(jù)監(jiān)控箱向?qū)?yīng)區(qū)域的監(jiān)控模塊發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)控制。

淡水補(bǔ)給控制箱具備日用水系統(tǒng)中各淡水艙的液位顯示功能。

4)電液式閥門(mén)。電液式閥門(mén)接收監(jiān)控模塊的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)管路的通斷控制。

5)水量監(jiān)測(cè)模塊。水量監(jiān)測(cè)模塊對(duì)各變頻供水裝置的淡水輸出量進(jìn)行測(cè)量，并將信息傳輸給監(jiān)控模塊。

6)水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊。水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)淡水循環(huán)泵出口水質(zhì)(濁度和余氯)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將信息傳輸給監(jiān)控模塊。

3 性能

1)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。①船供AC220 V/50 Hz三相電源；②以太網(wǎng)：10～100 M自適應(yīng)；③RS485通信接口；④具備加固顯示屏顯示及遠(yuǎn)程遙控功能。

2)監(jiān)控模塊。①船供AC220 V/50 Hz三相電源；②RS485通信接口。

4 架構(gòu)

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式構(gòu)架[3]，系統(tǒng)的組成設(shè)備分為3層，分別為監(jiān)控管理層、區(qū)域采集控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，見(jiàn)圖2。

監(jiān)控管理層設(shè)備由集中監(jiān)控臺(tái)組成，是日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)的上級(jí)系統(tǒng)：輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互的接口，通過(guò)總線以太網(wǎng)獲取各區(qū)域的輔機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以友好人機(jī)界面的形式，顯示全船輔機(jī)的啟停運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔機(jī)的遠(yuǎn)程控制操作。

區(qū)域采集控制層是日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)的中間層，由數(shù)據(jù)監(jiān)控箱、監(jiān)控模塊及區(qū)域子網(wǎng)組成，區(qū)域子網(wǎng)是現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)監(jiān)控箱與監(jiān)控模塊通過(guò)總線相連，將區(qū)域內(nèi)設(shè)備及閥件的監(jiān)控信息集中處理，現(xiàn)場(chǎng)采控模塊根據(jù)設(shè)備的分布現(xiàn)場(chǎng)布置，可解決設(shè)備位置分散的問(wèn)題。這種區(qū)域子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式可提高總線主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，避免接入點(diǎn)過(guò)多而信息量小，同時(shí)還滿足分布式的測(cè)控需求。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要是分布在管路上的淡水補(bǔ)給控制箱、電液式閥門(mén)、水量監(jiān)控模塊和水質(zhì)監(jiān)控模塊，為系統(tǒng)提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和控制接口，如提供開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)或通信的輸入輸出。開(kāi)關(guān)量規(guī)格為DC24 V，模擬量規(guī)格為4～20 mA，通信接口可統(tǒng)一為RS485，可以覆蓋大多數(shù)的傳感信號(hào)和監(jiān)控信號(hào)。

5 接口

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)的接口可分為2類(lèi)：一類(lèi)通過(guò)硬線連接；一類(lèi)通過(guò)通信線連接。

1)與上級(jí)系統(tǒng)接口。日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱通過(guò)平臺(tái)網(wǎng)與上級(jí)系統(tǒng)的集中監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行通信，向上級(jí)系統(tǒng)(輔機(jī)監(jiān)控臺(tái))發(fā)送采集到的日用水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警信息，并向日用水系統(tǒng)設(shè)備發(fā)送輔機(jī)監(jiān)控臺(tái)的控制信號(hào)。

2)與日用水系統(tǒng)接口。日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)采集模塊通過(guò)CAN總線、RS485總線、觸點(diǎn)信號(hào)、模擬量信號(hào)等方式與日用水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通訊，采集日用水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)把日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱和上級(jí)系統(tǒng)集中監(jiān)控臺(tái)的控制信號(hào)傳輸給日用水系統(tǒng)設(shè)備。

3)與配電系統(tǒng)接口。

數(shù)據(jù)監(jiān)控箱。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

監(jiān)控模塊。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率3 000 W。

淡水補(bǔ)給控制箱。三相三線AC220 V(+10%～-10%)，頻率(50±5%)Hz，功率2 000 W。

4)人機(jī)操作接口。日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)操作接口通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，在日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控箱和上級(jí)系統(tǒng)集中監(jiān)控臺(tái)可集中處理日用水系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控報(bào)警信息，軟件可按分系統(tǒng)進(jìn)行界面劃分，以便于不同系統(tǒng)的集中管理。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)洗滌冷水主控界面如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)不同供水工況的選擇與轉(zhuǎn)換，進(jìn)行高、低區(qū)管網(wǎng)監(jiān)控界面轉(zhuǎn)換等控制功能。

日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)洗滌冷水管網(wǎng)監(jiān)控界面如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)電液式閥門(mén)控制及各水量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)觀察。

依照變頻供水系統(tǒng)的基本特性[4]，日用水集中監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測(cè)全船耗水量，還能夠顯示實(shí)時(shí)供水裝置出口流量曲線和裝置出口流量分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。變頻供水裝置出口流量曲線和出口流量分布統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5和圖6。

6 結(jié)論

基于日用水系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)備功能，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備組成、功能、性能、架構(gòu)和接口的分析研究，提出一種適用于大型船舶的日用淡水集中監(jiān)控系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)采用典型的分布式測(cè)控架構(gòu)，分層采集和集中控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，有利于提高對(duì)全船水資源的管理能力，提高日用水系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行效能和故障保障能力，減少船員的工作強(qiáng)度，提升全船的信息化和自動(dòng)化水平。

[1] 宋瑋,船用反滲透海水淡化裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2007.

[2] 楊俊.船舶淡水渾黃案例分析[J].中國(guó)水運(yùn),2013,13(9):115-116.

[3] 涂海川.船舶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].上海：上海交通大學(xué),2006.

[4] 朱玉堂.變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)，2005.

On Monitoring and Controlling System of Daily Water System for Large Ship

LIU Yi, PAN Jin-ping

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

According to information and automation development needs, a scheme of monitoring and controlling system of daily water system for large ship was proposed. The equipment composition, function, performance, structure and interface of the system were analyzed. The system can improve the management ability of water resource for the ship, reduce the working strength of crew, improve the level of normalization and automation for the ship.

large ship, daily water, monitoring and controlling, schematic studies

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.015

2017-01-18

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

劉毅(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶保障系統(tǒng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0066-04

修回日期：2017-03-07