雙燃料集裝箱船LNG燃料系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

程紹堅，顧洪彬，燕辰銘，馬忠麗，李志鵬

1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137 2. 哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001 3. 成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，四川 成都 610225 4. 西安航天動力測控技術(shù)研究所，陜西 西安 710000

在石油資源日益減少、環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)峻的環(huán)境下，LNG作為一種清潔、高效、儲量豐富的能源，已受到各國的重視。以LNG燃料為動力能源的船舶具有污染排放少、續(xù)航能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好的特點，因而被越來越多的能源企業(yè)和航運(yùn)企業(yè)所青睞[1-2]。

相對于傳統(tǒng)能源，LNG燃料其特殊的理化性質(zhì)需要有針對性地對其設(shè)計燃料系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保船舶運(yùn)輸航行過程中設(shè)備及人員的安全[3]。目前，我國LNG動力船舶的規(guī)模已遠(yuǎn)超世界各國，LNG燃料監(jiān)控系統(tǒng)也有相應(yīng)的發(fā)展。船舶安全監(jiān)控系統(tǒng)可分為以下兩類：基于嵌入式的安全監(jiān)控系統(tǒng)和基于PLC的安全監(jiān)控系統(tǒng)，且以PLC作為控制器實現(xiàn)的自動監(jiān)控報警功能居多。且多以內(nèi)河小型LNG船舶為對象，在大型遠(yuǎn)洋LNG燃料船的相關(guān)方面的研究尚不豐富[4-5]。為滿足未來需求，本文針對大型遠(yuǎn)洋LNG燃料集裝箱船，對其燃料系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提出了一套較為完備的方案，為相關(guān)研究和工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 船型參數(shù)

本文所研究的對象為一艘在計劃設(shè)計中的LNG/柴油雙燃料集裝箱船，其運(yùn)載量在20 000箱左右，其外型參數(shù)如表1所示。

因船舶規(guī)模大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以至于監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行元件和傳感設(shè)備分布在儲罐處所、機(jī)艙、駕駛室等多個區(qū)域，控制系統(tǒng)需要采用分布式控制和總線技術(shù)。本文從實際需求出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)階段船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對燃料系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

2 監(jiān)控功能需求分析

本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)需實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控，即對設(shè)備重要運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析、顯示及記錄，同時能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效控制，當(dāng)發(fā)生故障或緊急情況時能反饋給工作人員并做出應(yīng)急響應(yīng)[6-7]。此外，本設(shè)計針對的對象規(guī)模大、設(shè)備多、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、燃料系統(tǒng)相對龐雜，其遠(yuǎn)洋航行的需求致使本系統(tǒng)單次持續(xù)運(yùn)行時間更長。

監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)：1)監(jiān)測燃料系統(tǒng)各項重要參數(shù)，如儲罐內(nèi)液位、管系壓力等；2)顯示監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備實時參數(shù)及報警內(nèi)容；3)支持常規(guī)控制系統(tǒng)中常見的通訊協(xié)議；4)自動控制設(shè)備以保證監(jiān)測的各項數(shù)值在所設(shè)定的安全值域內(nèi)，并在特殊情況發(fā)生時自動觸發(fā)應(yīng)急措施；5)聲光報警，并通過總線傳輸報警內(nèi)容并記錄。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置設(shè)計應(yīng)能保證系統(tǒng)能全面覆蓋燃料系統(tǒng)的關(guān)鍵位置[8]，在設(shè)備選型方面兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙燃料集裝箱船LNG燃料系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)組成設(shè)備多樣，自動化程度高，按區(qū)域劃分可分為：FGSS燃料艙及操作間區(qū)域、機(jī)艙區(qū)域、機(jī)艙集控室和駕駛室4個區(qū)域，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分布在機(jī)艙、機(jī)艙集控室和駕駛室。

按子系統(tǒng)劃分可分為：加注及燃料倉系統(tǒng)、主供氣管路系統(tǒng)、BOG管路系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、火災(zāi)及燃?xì)馓綔y系統(tǒng)、用氣設(shè)備、機(jī)艙集控室及駕駛室集中監(jiān)控終端，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計以子系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于實際需求，設(shè)計得出區(qū)域劃分拓?fù)淙鐖D2所示。機(jī)艙與機(jī)艙集控室直接采用RS485總線連接傳輸數(shù)據(jù)，機(jī)艙集控室和駕駛室之間用CAN總線連接傳輸數(shù)據(jù)[9-10]。

1.遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊；2.通訊轉(zhuǎn)換模塊/遠(yuǎn)程I/O采集模塊；3.通訊轉(zhuǎn)換模塊；4.加注/燃料罐安全控制模塊；5.主供氣管路安全控制模塊；6.通風(fēng)風(fēng)機(jī)安全控制模塊；7.用氣設(shè)備安全模塊；8.BOG管路安全控制模塊；9.氣探火災(zāi)安全模塊；10.主機(jī)ECU；11.發(fā)電機(jī)ECU；12.鍋爐控制圖2 監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)域劃分拓?fù)?/p>

機(jī)艙內(nèi)主機(jī)、發(fā)電機(jī)以及鍋爐和機(jī)艙集控室用氣設(shè)備安全模塊以及可燃?xì)怏w探測器系統(tǒng)主機(jī)和氣探火災(zāi)安全模塊，由依托于modbus RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的RS485總線互聯(lián)。RS485通訊總線在4 800 b/s的理論傳輸距離為1 200 m，當(dāng)波特率設(shè)為9 600 b/s的情況下，忽略其他因素的情況下，理論上能達(dá)到800 m，而連接的各設(shè)備與安全模塊之間的距離小于200 m，所以滿足系統(tǒng)通訊距離要求。

機(jī)艙集控室和駕駛室顯示終端與通訊轉(zhuǎn)換模塊由依托于modbus RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的RS232總線互聯(lián)?？紤]到通訊轉(zhuǎn)換模塊與顯示終端可能布置于一個箱體內(nèi)，所以互聯(lián)電纜距離小于1 m，當(dāng)波特率設(shè)置為9 600 b/s的情況下，忽略其他因素的情況下，RS232總線的理論傳輸距離能達(dá)到8 m，所以滿足系統(tǒng)通訊距離要求。

機(jī)艙集控室各控制模塊和安全模塊之間，以及機(jī)艙集控室與駕駛室遠(yuǎn)程I/O模塊之間由依托于CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的CAN總線進(jìn)行通訊互聯(lián)。機(jī)艙集控室各模塊之間的距離小于1 m，機(jī)艙集控室模塊至駕駛室遠(yuǎn)程I/O模塊之間的距離小于100 m，所以只需考慮兩者間的最大距離。當(dāng)波特率設(shè)為250 Kb/s的情況下，忽略其他因素的情況下，CAN總線的理論傳輸距離能達(dá)到530 m，因此能滿足系統(tǒng)通訊距離要求。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范要求

燃料系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、可靠性要與新型或類似的常規(guī)燃油動力系統(tǒng)所達(dá)到的水平相同。應(yīng)設(shè)置合適的儀表讓工作人員能夠就近或遠(yuǎn)程實現(xiàn)對重要參數(shù)的讀取，從而實現(xiàn)對設(shè)備的管理；應(yīng)采取合適的通信設(shè)施將設(shè)備運(yùn)行信息正確穩(wěn)定地傳輸?shù)礁鞅O(jiān)控終端和記錄設(shè)備上[11]。

LNG特殊的理化性質(zhì)使得其加注系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃料存在明顯區(qū)別，因此本文選擇加注及燃料艙系統(tǒng)為例詳細(xì)闡述安全監(jiān)控設(shè)計過程。

加注監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)離加注站的安全位置，在此位置對燃料艙壓力、溫度和燃料液位進(jìn)行監(jiān)測，同時，在該位置實現(xiàn)報警和自動切斷。系統(tǒng)通過多個傳感設(shè)備對重要安全參數(shù)進(jìn)行實時測量并控制在安全值域內(nèi)。加注及燃料艙系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足以下規(guī)范要求：

1)每個燃料艙的氣相空間均有直接讀數(shù)壓力表，壓力表上已標(biāo)明該艙允許的最大壓力和最低壓力。壓力表讀數(shù)在駕駛室、集控站和船舶安全中心設(shè)有間接指示，能在達(dá)到安全閥設(shè)定壓力之前觸發(fā)高壓報警和低壓報警。

2)在燃料艙底部、中部和設(shè)計的最高液位處均設(shè)有溫度測量及指示裝置。

3)液位通過燃料艙的液位測量裝置測量取得，該裝置能在燃料艙設(shè)計壓力和操作溫度范圍內(nèi)正常工作，在燃料艙處于運(yùn)行狀態(tài)時始終獲得液位讀數(shù)。每一個燃料艙都設(shè)有獨立的高液位報警裝置，在觸發(fā)后發(fā)出聽覺和視覺警報，獨立于報警裝置另一傳感器則自動啟動一個截止閥以避免燃料加注管路中產(chǎn)生過大液壓并防止燃料艙內(nèi)被注滿。

4)加注燃料艙系統(tǒng)所有傳感器的位置能在交付使用前檢查確認(rèn)。交船后以及每次干塢后第一次滿載均應(yīng)該通過提升燃料艙內(nèi)液位至報警點進(jìn)行高位報警試驗。

5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

基于嵌入式的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有體積較小、成本較低且接口使用較為靈活的特點；基于PLC的安全監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力相對較強(qiáng)、可靠性高且控制功能強(qiáng)大[12]，技術(shù)相對成熟，因此本文設(shè)計過程選擇使用S7-300系列PLC作為控制器進(jìn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，同時使用西門子Smart 700觸摸屏作為人機(jī)界面，Smart 700可使用串行接口與PLC通訊。

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要包括上位機(jī)交互界面及PLC控制程序2部分。監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)場有相對獨立的儀表，并通過總線實時傳輸測得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)至上位機(jī)，將數(shù)據(jù)和報警情況顯示在控制程序界面，并可通過控制程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制。如圖3所示為安全監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)交互主界面，設(shè)置狀態(tài)顯示控件，用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)，針對每個子系統(tǒng)設(shè)置LED報警指示燈，若任一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況，系統(tǒng)狀態(tài)顯示為“異常”，且該子系統(tǒng)前指示燈紅色報警，同時設(shè)置各子系統(tǒng)按鍵，便于用戶進(jìn)入子系統(tǒng)界面查看子系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)及工作狀態(tài)。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

5.1 加注系統(tǒng)故障及解決方案分析

加注及燃料艙系統(tǒng)如圖4所示[13-14]。首次充裝加液時，LNG儲罐內(nèi)無液體燃料，因此安全系統(tǒng)會低液位報警，此時，屬于正常狀態(tài)，可人工消音，解除報警。結(jié)合實際LNG燃料重裝過程，分析加注系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障情況及響應(yīng)解決方案。得出加注過程需要監(jiān)測的參數(shù)為LNG儲罐壓力、儲罐內(nèi)液位及燃料艙溫度。

圖4 加注及燃料艙系統(tǒng)簡圖

1)液位異常

液位異常情況主要包括高液位、高高液位、低液位3種?？刂平K端需要實時顯示LNG儲罐內(nèi)液位，當(dāng)觀測到駕駛室控制終端顯示液位達(dá)到高液位時，需關(guān)閉ESD01、ESD02、AV01、AV02、AV03，停止充裝操作。加注過程中，當(dāng)LNG儲罐內(nèi)液位值到達(dá)高液位設(shè)定值時，觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)聲光報警，此時工作人員應(yīng)立即停止充裝。閥門按鈕功能如表2所示。

若液位到達(dá)高液位后，繼續(xù)充裝，直至液位到達(dá)高高液位值時，觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并啟動應(yīng)急切斷裝置，系統(tǒng)緊急切斷ESD01、ESD02，停止充裝。此外，供給系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若LNG燃料液位低于設(shè)定值時，說明燃料將要耗盡，系統(tǒng)應(yīng)觸發(fā)聲光報警，提醒工作人員進(jìn)行燃料的充裝或切換。

2)壓力異常

在燃料供給過程中，若LNG儲罐內(nèi)壓力大于設(shè)定值，可能是由于管路堵塞引起，若不及時處理會出現(xiàn)儲罐損壞，導(dǎo)致燃料泄漏。此時，監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)聲光報警，提醒工作人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)備排查。必要時開啟緊急釋放閥，排出儲罐內(nèi)高壓氣體，防止出現(xiàn)安全事故?；谝陨系姆治觯贸黾幼⑾到y(tǒng)液位和壓力故障處理流程圖分別如圖5、6所示。

圖5 加注系統(tǒng)液位故障處理流程

圖6 加注系統(tǒng)壓力故障處理流程

加注系統(tǒng)進(jìn)行燃料充裝時，監(jiān)控終端能實時讀取液位數(shù)據(jù)，首先判斷系統(tǒng)是否為初次充裝，若是此時儲罐內(nèi)液位低，系統(tǒng)觸發(fā)聲光報警，此為正?，F(xiàn)象，手動解除報警后，系統(tǒng)繼續(xù)充裝即可。管內(nèi)液位到達(dá)高液位指標(biāo)時，系統(tǒng)觸發(fā)高液位聲光報警，提醒工作人員手動停止充裝過程，若工作人員沒有執(zhí)行切斷操作，系統(tǒng)繼續(xù)加注至液位達(dá)到高高液位，則系統(tǒng)觸發(fā)聲光報警，同時啟動應(yīng)急切斷措施。

加注系統(tǒng)工作時，壓力傳感器實時測量罐內(nèi)壓力，并在監(jiān)控終端顯示，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時，系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，高于設(shè)定值時，應(yīng)觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)高壓聲光報警，提醒工作人員進(jìn)行泄壓操作，若無人為泄壓操作，則系統(tǒng)控制應(yīng)急釋放裝置工作，自動泄壓。

5.2 加注燃料艙系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計

本位以加注系統(tǒng)為例，設(shè)計針對其的安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括上位機(jī)交互界面設(shè)計及PLC控制程序設(shè)計2部分。圖7為加注系統(tǒng)監(jiān)控交互界面。

圖7 加注監(jiān)控界面

加注系統(tǒng)監(jiān)控界面共分為2部分，即液位狀態(tài)監(jiān)控及壓力狀態(tài)監(jiān)控。設(shè)置狀態(tài)顯示控件及參數(shù)顯示控件，用于實時顯示儲罐內(nèi)液位及壓力信息；設(shè)置LED指示燈，用于液位及壓力異常時的報警；設(shè)置“解除報警”按鈕，用于工作人員解除聲光報警；同時為了實現(xiàn)對加注系統(tǒng)的有效控制，設(shè)置相應(yīng)的控制按鍵，用于操縱加注過程，必要時啟動應(yīng)急切斷或應(yīng)急釋放。圖8所示為部分PLC液位控制程序，液位傳感器將液位信號傳遞至控制程序，通過FC105將其轉(zhuǎn)換為實際液位值，并存存入MD08中，對設(shè)計信號通過邏輯判斷，當(dāng)其低于設(shè)定值時，觸發(fā)上升沿檢測，同時發(fā)出脈沖信號，將輸出信號Q0.0置1，并觸發(fā)LED報警；同時使用輸出信號Q0.0及“JCBJ”開關(guān)量形成自鎖，保證在工作人員解除報警操作后關(guān)閉相應(yīng)的報警裝置。

(a) 實際液位值轉(zhuǎn)換

(b) 邏輯判斷和報警圖8 PLC液位控制程序

圖9所示為部分PLC壓力控制程序，與液位控制程類似，控制程序?qū)毫鞲衅餍盘栟D(zhuǎn)換為實際壓力值，存入MD12中，當(dāng)實際壓力值高于設(shè)定值時，觸發(fā)高壓報警，同時將壓力釋放閥輸出置1，控制啟動應(yīng)急釋放裝置。

圖9 PLC壓力控制程序

6 結(jié)論

文章通過對安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，按照現(xiàn)今行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出針對雙燃料集裝箱船LNG燃料監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，使用PLC為控制器，以加注系統(tǒng)為例詳細(xì)闡述設(shè)計過程，分析系統(tǒng)通過過程中的可能出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及相應(yīng)解決方案，并據(jù)此設(shè)計PLC控制程序及人交互戶界面。結(jié)論如下：

1)本設(shè)計符合相關(guān)規(guī)范要求，并能滿足設(shè)計對象的安全需求，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的安全監(jiān)控行為，可有效降低船舶運(yùn)行風(fēng)險；

2)本文設(shè)計成果具備極強(qiáng)的實用性，根據(jù)現(xiàn)有工程水平較易實現(xiàn)；

3)本文設(shè)計的針對燃料系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)可作為整船控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)使用，可為其他LNG燃料系統(tǒng)安全監(jiān)控的設(shè)計提供設(shè)計思路和依據(jù)。

在之后的研究和實際配置中我們會進(jìn)一步改善本系統(tǒng)，研究并解決其間產(chǎn)生的實際問題。