船舶輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案

喻俊峰

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

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船舶輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案

喻俊峰

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

針對船舶輔機(jī)信息化和自動(dòng)化發(fā)展需求，提出一種適用于大中型船舶輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案，分析設(shè)置輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)的必要性，以及輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能、設(shè)備組成和體系結(jié)構(gòu)，介紹輔機(jī)的監(jiān)測和控制信息流程、接口。

船舶；輔機(jī)；監(jiān)控；方案

具備對主要輔助設(shè)備(以下稱輔機(jī))監(jiān)測報(bào)警能力是艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一[1]。目前在用的水面艦艇已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對重要輔助機(jī)電設(shè)備(如消防泵、發(fā)電機(jī)、舵機(jī)等)的監(jiān)測、報(bào)警和控制[2]，而未能對而其他日常使用較多的輔機(jī)進(jìn)行監(jiān)控管理。這些輔機(jī)包括有空調(diào)器、通風(fēng)機(jī)、海水淡化裝置、水質(zhì)后處理裝置、供水裝置、生活污水處理裝置、空壓機(jī)、油污水處理裝置、冷卻泵、輔鍋爐、遙控閥件、傳感器等[3-4]。這些設(shè)備分布在全船的所有位置，數(shù)量大、分布廣。所有輔機(jī)對所屬系統(tǒng)的運(yùn)行有著或大或小的影響，需要及時(shí)處理故障。傳統(tǒng)的輔機(jī)管理辦法是安排船員值班巡視，記錄每個(gè)輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，排查故障。隨著船舶技術(shù)地不斷發(fā)展，船舶噸位和體積越來越大，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，需要建立全船性的輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)[5]。

1 功能

1.1 空調(diào)通風(fēng)設(shè)備監(jiān)控

對具備通風(fēng)功能的設(shè)備，如組合式空調(diào)裝置、直接蒸發(fā)式空調(diào)裝置、新風(fēng)空氣處理機(jī)組、廚房空調(diào)裝置、糧食庫空氣處理裝置、分體式空調(diào)器、離心式通風(fēng)機(jī)及管道風(fēng)機(jī)，等，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障報(bào)警及遙控啟停。

對射流送風(fēng)冷卻裝置、循環(huán)通風(fēng)裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障報(bào)警。

對與其他特殊系統(tǒng)有聯(lián)動(dòng)關(guān)系的風(fēng)機(jī)、空調(diào)器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障報(bào)警。

對水密區(qū)內(nèi)受監(jiān)控的空調(diào)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行按水密段整體遙控啟停。

通過對一個(gè)空調(diào)區(qū)(含空調(diào)裝置及其配套的通風(fēng)機(jī))或相互匹配的進(jìn)、排風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟停邏輯的聯(lián)動(dòng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)空調(diào)區(qū)的整體啟停控制，保持風(fēng)量平衡。

在重要部位或艙室設(shè)置溫度計(jì)，本地顯示溫度并將信號傳輸至集中監(jiān)控部位。

對于艙室的獨(dú)立式空調(diào)柜機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管保留人工操作控制的形式。

1.2 冷媒水設(shè)備監(jiān)控

對冷水機(jī)組、冷媒水泵組及冷卻水泵組進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示及綜合故障報(bào)警，對冷水機(jī)組冷媒水進(jìn)出口溫度、流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

對冷媒水管網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，對冷媒水管路的隔斷閥進(jìn)行開/關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及綜合故障報(bào)警，對各主要支路上的冷媒水流量、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

實(shí)現(xiàn)對冷媒水管網(wǎng)的監(jiān)測與控制，根據(jù)冷媒水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，對冷媒水管路的隔斷閥進(jìn)行開/關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)冷媒水官網(wǎng)斷開與合并。

1.3 冷藏設(shè)備監(jiān)測

對高溫庫冷藏裝置、低溫庫冷藏裝置及冷卻水泵進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示和綜合故障報(bào)警。

對氣調(diào)保鮮裝置進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)顯示(氧濃度、二氧化碳濃度、濕度)、故障報(bào)警及求救報(bào)警。

對低溫庫(魚、肉庫)、高溫庫(蔬菜區(qū)、瓜果區(qū))庫溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

對冷庫艙門開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

1.4 環(huán)境污染控制設(shè)備監(jiān)測

對油污水處理裝置、生活污水處理裝置進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示、水質(zhì)超標(biāo)報(bào)警和綜合故障報(bào)警。

對油污水艙、灰水艙、中水艙的液位進(jìn)行監(jiān)測報(bào)警。

1.5 日用水設(shè)備監(jiān)控

對反滲透海水淡化裝置、水質(zhì)后處理裝置、變頻供水裝置、熱水柜進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示和綜合故障報(bào)警。

對調(diào)駁泵進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示、綜合故障報(bào)警和啟?？刂?。

對淡水補(bǔ)給、調(diào)駁和供水管路上的主要閥門進(jìn)行開閉狀態(tài)監(jiān)測和控制，遙控實(shí)現(xiàn)淡水艙調(diào)撥、岸補(bǔ)、循環(huán)消毒。

對淡水艙液位進(jìn)行顯示及高、低液位報(bào)警。

對各供水支管的淡水耗量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.6 日用蒸汽設(shè)備監(jiān)測

對輔鍋爐進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障報(bào)警。

對日用蒸汽管路上減壓前蒸汽壓力以及減壓后各集管內(nèi)的蒸汽壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.7 壓縮空氣及氮?dú)庠O(shè)備監(jiān)測

監(jiān)測壓縮空氣供氣模塊、氮?dú)馄康膲毫Α?/p>

顯示制氮裝置運(yùn)行狀態(tài)，綜合故障報(bào)警。

1.8 其他輔機(jī)

對航機(jī)、陰極保護(hù)裝置、防污裝置等進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示和綜合故障報(bào)警。

2 系統(tǒng)組成

鑒于輔機(jī)的分布特點(diǎn)，集中監(jiān)控系統(tǒng)采用典型的分布式測控架構(gòu)，分層采集和控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。全船設(shè)立一個(gè)集中監(jiān)控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對輔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、故障報(bào)警和控制，區(qū)域監(jiān)控箱可按防火區(qū)或水密區(qū)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)輔機(jī)監(jiān)控信息統(tǒng)一采集轉(zhuǎn)發(fā)。現(xiàn)場采控模塊根據(jù)輔機(jī)布置位置現(xiàn)場分布，還可作為區(qū)域監(jiān)控中繼設(shè)備，用于解決輔機(jī)與區(qū)域監(jiān)控箱之間距離過遠(yuǎn)造成較大信號衰減問題。另外在管路、艙室設(shè)置一定數(shù)量的溫度、壓力、流量傳感器，實(shí)時(shí)測量輔助系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，如重點(diǎn)艙室的溫度、壓縮空氣瓶壓力、日用水管路流量、冷媒水管路溫度和流量等。

輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)見表1。

表1 輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)組成

3 體系結(jié)構(gòu)

輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)采用總線主干網(wǎng)和區(qū)域子網(wǎng)的雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。上層為總線主干網(wǎng)，由集中監(jiān)控臺(tái)、區(qū)域監(jiān)控箱組成，提供輔助系統(tǒng)的監(jiān)測信息和控制指令的傳輸通道。區(qū)域子網(wǎng)為下層網(wǎng)絡(luò)，按照分區(qū)采集的原則，進(jìn)行區(qū)域輔機(jī)設(shè)備的信息采集和控制指令輸出。區(qū)域功能子網(wǎng)將區(qū)域信息集中打包處理，通過總線以太網(wǎng)與輔機(jī)集中監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行信息交互。

輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成設(shè)備分為3層[6]，體系結(jié)構(gòu)見圖1。

監(jiān)控管理層設(shè)備由集中監(jiān)控臺(tái)組成，是輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互的接口，通過總線以太網(wǎng)獲取各區(qū)域的輔機(jī)監(jiān)測數(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)，對故障進(jìn)行聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對輔機(jī)的遠(yuǎn)程控制操作。

區(qū)域采集控制層是輔機(jī)監(jiān)控的中間層，由區(qū)域監(jiān)控箱、現(xiàn)場采控模塊及區(qū)域子網(wǎng)組成，區(qū)域子網(wǎng)是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域監(jiān)控箱與現(xiàn)場采控模塊通過總線相連，將區(qū)域內(nèi)輔機(jī)的監(jiān)控信息集中處理，現(xiàn)場采控模塊根據(jù)輔機(jī)的分布現(xiàn)場布置，可解決輔機(jī)位置分散的問題。

現(xiàn)場設(shè)備層含分布在管路上以及末端的壓力、流量、溫度傳感器和遙控閥件，為輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)提供輔助系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號和控制接口，如提供開關(guān)量、模擬量信號或通信的輸入輸出。開關(guān)量規(guī)格為DC24V，模擬量規(guī)格為4～20 mA，通信接口統(tǒng)一為RS485，可以覆蓋大多數(shù)的設(shè)備監(jiān)控信號。

4 工作流程

4.1 監(jiān)測流程

現(xiàn)場采控模塊就近安裝，將采集到的輔機(jī)設(shè)備信息通過區(qū)域子網(wǎng)傳遞到區(qū)域監(jiān)控箱，區(qū)域監(jiān)控箱將上述信息解析，轉(zhuǎn)換為總線主干網(wǎng)通信協(xié)議格式，提供給輔機(jī)集中監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行訪問。輔機(jī)集中監(jiān)控臺(tái)從主干網(wǎng)采集到上述信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分類顯示輔機(jī)運(yùn)行信息和傳感器信息，對故障進(jìn)行報(bào)警，統(tǒng)計(jì)輔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、傳感器測量數(shù)據(jù)等資源的監(jiān)測信息，進(jìn)行綜合分析，為輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行管理提供輔助決策建議。

對于報(bào)警信息，按照重要程度賦予不同的報(bào)警優(yōu)先級，優(yōu)先級由高到低分別為：冷庫呼叫報(bào)警、液艙液位高低位、超高位及蒸汽減壓閥組超壓報(bào)警、監(jiān)控對象設(shè)備的故障報(bào)警及輔助監(jiān)控系統(tǒng)自身設(shè)備的故障報(bào)警。

4.2 控制流程

輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制分為二級，集中控制為第一級，為最頂層的控制，區(qū)域控制為第二級控制。集中控制功能在輔機(jī)監(jiān)控臺(tái)實(shí)現(xiàn)，輔機(jī)集中監(jiān)控軟件接收來自控制面板(人機(jī)交互界面)的控制指令，將命令發(fā)送到主干網(wǎng)上，區(qū)域控制單元接收命令數(shù)據(jù)報(bào)文，解析上述報(bào)文，進(jìn)行相關(guān)邏輯控制運(yùn)算，將上述命令通過區(qū)域現(xiàn)場總線發(fā)送給相應(yīng)的現(xiàn)場采控模塊，現(xiàn)場采控模塊輸出控制信號，對輔機(jī)設(shè)備實(shí)施控制。

區(qū)域控制功能由區(qū)域監(jiān)控箱完成，適用于本區(qū)域內(nèi)的所有通過現(xiàn)場采控模塊、區(qū)域監(jiān)控箱進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的輔機(jī)設(shè)備。區(qū)域監(jiān)控箱提供控制按鈕(或人機(jī)界面的軟按鈕)對這些設(shè)備進(jìn)行第二級的控制，控制指令經(jīng)過必要的邏輯運(yùn)算，發(fā)送到現(xiàn)場采控模塊，由現(xiàn)場采控模塊對相應(yīng)的端口輸出電信號，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。

在被控設(shè)備的控制部位設(shè)置“遙控/本控”轉(zhuǎn)化開關(guān)，當(dāng)在“遙控”狀態(tài)下，控制箱接收集中監(jiān)控系統(tǒng)控制指令進(jìn)行設(shè)備的啟停操作，本控功能屏蔽；當(dāng)在“本控”狀態(tài)下，具備本地手動(dòng)的控制開啟、關(guān)閉功能，不再接受集中監(jiān)控系統(tǒng)指令，遙控功能屏蔽。

5 接口

輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備按接口類型分為2類，一類通過硬接線連接，其接線規(guī)格與監(jiān)控信號的數(shù)量相匹配，如1對無源觸點(diǎn)或1個(gè)壓力信號對應(yīng)2芯線。這類的接口適用于監(jiān)控信號較少，或不具備通信功能的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮空氣供氣模塊(氣瓶)、遙控閥、溫度計(jì)及流量計(jì)等。

另一類設(shè)備通過通信線連接(如RS485)，其接線規(guī)格固定，可傳輸較多的監(jiān)控信號，適用于監(jiān)控信號較多且具備通信功能的設(shè)備，如組合式空調(diào)裝置、冷藏裝置、冷水機(jī)組及氣調(diào)保鮮裝置等。

由于輔機(jī)監(jiān)控的人機(jī)操作接口通過軟件實(shí)現(xiàn)，輔機(jī)監(jiān)控臺(tái)可集中處理輔機(jī)的監(jiān)控報(bào)警信息，軟件按系統(tǒng)進(jìn)行界面劃分，以便于對該輔助系統(tǒng)的管理，見圖2～圖4。

6 結(jié)論

基于主干網(wǎng)和區(qū)域子網(wǎng)的分布式的輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)方案可適用于輔機(jī)數(shù)據(jù)較多的大中型船舶，有利于提高對全船輔機(jī)的監(jiān)控管理能力，提高輔機(jī)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。

該輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)的組成設(shè)備功能和接口形式，由于市場產(chǎn)品的多樣性，未直接規(guī)定設(shè)備的具體型號，僅進(jìn)行原理性描述。輔機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備可采用成熟的商業(yè)產(chǎn)品，在滿足接口和功能的前提下，選用合適的型號。系統(tǒng)的功能可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

[1] 海軍規(guī)范所.艦船通用規(guī)范GJB4000—2000 [S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版社,2000.

[2] 韓偉,周佳宇,劉克榮.艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮[J].中國艦船研究,2007，2(5)：58-62，71.

[3] 陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].北京:中國交通科技出版社,2007.

[4] 邵開文,馬運(yùn)義.艦船技術(shù)與設(shè)計(jì)概論[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[5] 姚斌,龐之洋,梁述海.基于Web的機(jī)艙遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國艦船研究,2009,4(3)：66-69.

[6] 陶偉,曹宏濤,周紀(jì)申.艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].中國艦船研究,2012,7(1)：57-60.

On the Scheme of Monitoring and Controlling System for Ship Assistant Electromechanical Equipment

YU Jun-feng

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

According to information and automation development needs for the monitoring and controlling the assistant electromechanical equipments, a scheme to supervising the assistant electromechanical equipments was set forth for ships. The necessity of the electromechanical equipments' centralized supervising system was discussed, as well as its function, constitute and structure. The information flow and interfaces of this system was introduced also.

ship; assistant electromechanical equipments; monitoring and controlling; scheme

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.025

2017-01-08

國家部委基金資助項(xiàng)目

喻俊峰(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0109-04

修回日期：2017-03-07