船舶機電一體化管理系統(tǒng)設(shè)計

張海+譚頌

摘 要：船舶機電一體化進程是未來綠色船舶技術(shù)發(fā)展的必然方向，是船舶機械化、電氣化和智能化的發(fā)展趨勢。首先對船舶機電一體化的研究現(xiàn)狀和具體應(yīng)用進行了總結(jié)分析，隨后基于現(xiàn)有的一體化設(shè)備，仿真設(shè)計一套完整的船舶機電一體化管理系統(tǒng)，可以方便地對一體化應(yīng)用進行集成控制，相應(yīng)的研究結(jié)論對船舶機電一體化未來進一步的發(fā)展提供了相應(yīng)思路。

關(guān)鍵詞：船舶 機電一體化 管理系統(tǒng)

1.前言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶應(yīng)用技術(shù)水平也越來越高，更好的技術(shù)應(yīng)用在船舶之上，可以支撐船舶數(shù)量發(fā)展、安全性進步以及航運利潤的增強。所謂船舶機電一體化，指的是船舶上的機械部件、電子裝置、計算機軟件和計算機工程之間的協(xié)調(diào)性整合，同時加入了終端控制，獨立設(shè)計的個體可以在船舶上形成一個整體。船舶技術(shù)的發(fā)展一直都伴隨著一體化進程的推進，除了能夠帶來技術(shù)上的便捷，在成本上，一體化技術(shù)也要更經(jīng)濟，槳軸一體的設(shè)計就要比分別設(shè)計和裝配要更有效率。

船舶機電一體化充分顯示了船舶自動化設(shè)計的思維和技術(shù)發(fā)展方向，從整體方向上來說，目前的一條整船的動力總成主要包括主機、輔機和各種電氣設(shè)備，目前還包括控制單元。得益于計算機技術(shù)和通信技術(shù)的變革，船舶機電一體化成為了可能，計算機技術(shù)為一體化提供了控制終端，通信技術(shù)的發(fā)展則使得各種部件通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)互通成為可能。機電一體化配合海事領(lǐng)域的高效率、低功耗以及環(huán)保性發(fā)展，在正確的方向下，可以將智能化的系統(tǒng)、機械控制、機械數(shù)據(jù)有機的結(jié)合起來，推進船舶系統(tǒng)的快速發(fā)展。

船舶機電一體化所涉及的動力裝備眾多，因此設(shè)計一套可以應(yīng)用在船舶控制端的系統(tǒng)，對一體化整體進行狀態(tài)監(jiān)測、遠程維修以及后臺控制尤為重要?；谝陨蟽?nèi)容，結(jié)合船舶動力設(shè)備、機電設(shè)備，通過matlab軟件進行船舶機電一體化管理系統(tǒng)設(shè)計。

2.機電一體化在船舶中的應(yīng)用

船舶主機也就是船舶的動力裝置，是為各類船舶提供動力的機械。根據(jù)燃料的不同性質(zhì)、燃燒的場所、使用的工具以及不同的方式可以鳳城蒸汽機、內(nèi)燃機、電動機和核動力機。船舶輔機是在動力設(shè)備牽引下進行作業(yè)的各種機械設(shè)備的集合，包括船用泵體、船舶管路及附件、分油機、船舶造水裝置、空氣壓縮機、船舶輔助鍋爐、船舶制冷和空氣調(diào)節(jié)、錨機、起貨機、船舶舵機和各類軸系等。船舶電氣裝置則包括電源、配電合用電設(shè)備等，是船舶各種電氣的總稱?？傮w來說，船舶機電一體化可以用機械、硬件和軟件三個大部分組成。

在船舶機械裝備中，機電一體化技術(shù)體現(xiàn)在不同的設(shè)備上的應(yīng)用，在舊式船舶當中，機械設(shè)備是單獨工作的，傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)將力輸出傳遞到軸系系統(tǒng)，軸系系統(tǒng)傳遞到螺旋槳從而輸出動力，駕駛室控制船舶航行，在動力監(jiān)控室，需要單獨的輪機工作人員進行控制，不僅浪費人力，而且效率也非常低。引入機電一體化系統(tǒng)，可以對多種機械部件進行控制設(shè)置，主要包括燃油系統(tǒng)、機械控制裝置、報警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、甲板機械、艙室機械、特種機械等。如圖1所示，為船舶機電一體化的系統(tǒng)工作簡圖。

由圖中可以看出，柴油機和動力轉(zhuǎn)矩兩套機械系統(tǒng)分別有自己的PLC控制模塊，控制模塊內(nèi)部存在硬件電路和軟件控制，可以對柴油機和轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的工作情況進行控制，圖中M處是螺旋槳輸出，下端是手動控制單元，一旦電力控制失效，則應(yīng)用手動控制對動力輸出進行操作，這樣可以節(jié)省能源、人力，并且也可以充分保證使用的可靠性。

3.機電一體化管理系統(tǒng)設(shè)計

船舶動力、輔機和電氣設(shè)備非常復雜，因此在控制終端，用一個管理系統(tǒng)來進行統(tǒng)一的調(diào)配和監(jiān)控，這樣做有著重要的現(xiàn)實意義。PLC控制單元可以集成到一個硬件電路中。船舶機械裝備的運營狀態(tài)可以通過matlab仿真進行設(shè)置，matlab中的GUI編程技術(shù)可以對一體化機械的軟件模塊進行設(shè)計，管理系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮的指標比較多，首先是功能的完整性，然后是機械部件的系統(tǒng)性，另外還有人機交互特性。界面設(shè)計主要分為5個大的組成方面，分別是主機控制面板、輔機控制面板、電力系統(tǒng)控制面板、電壓時間監(jiān)控模塊和軟件使用模塊，主機、輔機和電力系統(tǒng)控制面板分別對船舶上和機械有關(guān)的電氣設(shè)備進行啟停和控制操作，主界面和3個分界面都有手動操作模式開關(guān)，可以斷掉電力控制電源，保證手動模式的安全操作，分界面中間分別包括各種機械設(shè)備的監(jiān)控曲線，可以隨著船舶的各種動作來對各機械安全狀態(tài)和工作狀態(tài)進行監(jiān)控，分控制面板均包含異常報警功能，如果發(fā)生任何過載、短路情況，異常報警響起，手動控制模式會被觸發(fā)。另外，還包含整體電壓監(jiān)控模塊，可以根據(jù)機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)的區(qū)別來對電壓進行設(shè)置，界面右部是主程序控制界面，包括每天的系統(tǒng)管理日志輸出和平時的數(shù)據(jù)輸出，另外包含軟件的基本設(shè)置以及整體管理功能。

系統(tǒng)內(nèi)部通過傳感器、控制器和端口進行硬件傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在后臺計算顯示到管理系統(tǒng)的交互界面之上，管理系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，為船舶機電一體化操作提供了便捷，駕駛或者管理人員可以方便的機電結(jié)合和應(yīng)用情況進行了解，極大的節(jié)省了人力和物力。

4.機電一體化在船舶行業(yè)的發(fā)展前景

船舶機電一體化從上個世紀六十年代開始就已經(jīng)進入了船舶建造過程之中，初級階段的機電一體化技術(shù)主要還是基于電子技術(shù)，在小零部件中得到使用，隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，未來的船舶機電一體化應(yīng)用也將更加廣泛。主要的發(fā)展方向?qū)⒒谝韵聨讉€方面。

首先是智能化，隨著計算機微處理器的提高、高性能的工作站逐漸的應(yīng)用到很多行業(yè)之中，傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和集成性，也給了數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)測試更好的硬件基礎(chǔ)，智能的船舶機電一體化產(chǎn)品將可以模擬人工只能，具有一定的判斷能力和危險處理認知，從而代替部分人工的流水線工作，甲板機械手的一體化是未來船舶機電一體化的設(shè)計目標。

其次是系統(tǒng)化，開放式和模塊化的組成結(jié)構(gòu)讓機械部件成為了一個有機的系統(tǒng)，系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，某一個機械部件可以應(yīng)用在多個船舶設(shè)備之中，比如各種復雜的甲板機械，可以由一個控制件作為樞紐進行控制，再比如故障診斷系統(tǒng)，通信互聯(lián)網(wǎng)可以讓任何微小的故障信息第一時間達到駕駛室或者船長處。微型化和模塊化也是另一個機電一體化的發(fā)展趨勢，體積小，耗小，并且靈活的器件可以進行精細操作，將小的部件集合成各種微小的控制模塊，例如，用接口系統(tǒng)來代替現(xiàn)在的眾多接口分散，同時，利用網(wǎng)絡(luò)進行控制。最后是綠色化，船舶是國之大器，同時也是能源消耗和產(chǎn)出大器，在航行的過程當中，減少燃油消耗，有效利用電能，是未來綠色船舶建設(shè)發(fā)展的大趨勢，對傳統(tǒng)的機械和作業(yè)方式進行改造，將電力驅(qū)動的控制、輸出和監(jiān)測系統(tǒng)對機械裝備進行有效的結(jié)合，可以為船舶的發(fā)展建設(shè)提供嶄新的變革和發(fā)展方向，在幾個重要的技術(shù)端口突破之后，再船舶上應(yīng)用工業(yè)機器人將成為機電一體化最終的發(fā)展目標。

5.總結(jié)

船舶機電一體化是一項綜合技術(shù)，和控制論、系統(tǒng)工程、電子信息技術(shù)、機械工程等都有著十分密切的聯(lián)系，船舶工業(yè)技術(shù)伴隨著機械應(yīng)用水平的提高而發(fā)展，而隨著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化的進步，船舶工業(yè)也在另一個方面得到了質(zhì)的提高。設(shè)計得出的機電一體化管理系統(tǒng)，則可以有效支撐相應(yīng)的技術(shù)集成，研究思路和結(jié)論為下一步機電一體化在船舶中的應(yīng)用提供了相關(guān)思路。

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