船舶電氣自動化系統(tǒng)設計思路與保障技術(shù)研究

謝罡華 廣東新船重工有限公司

隨著我國科學技術(shù)水平的提升，船舶電氣自動化系統(tǒng)設計已成為時代熱點，積極建設船舶電氣自動化系統(tǒng)，科學引入能夠穩(wěn)定系統(tǒng)運行的保障技術(shù)，進一步強化電氣設備運行能力，以從根本上保證我國社會生產(chǎn)力的高速發(fā)展。因此在系統(tǒng)設計過程中，技術(shù)人員須嚴格遵照船舶行業(yè)電氣自動化需求，根據(jù)工業(yè)實際來選取合適的設計思路，從降低電磁干擾，優(yōu)化系統(tǒng)運行，穩(wěn)定數(shù)據(jù)儲存等多個方面對船舶電氣自動化系統(tǒng)運行提供可靠保障。

1.船舶電氣自動化系統(tǒng)設計思路

設計人員應該以實現(xiàn)船舶精細化管理、自動化管理為目的，以計算機微處理為核心，科學合理地進行船舶電氣自動化系統(tǒng)設計。同時設計人員須綜合考慮船舶電氣設備的結(jié)構(gòu)特點、運行能力及產(chǎn)品質(zhì)量等因素，并結(jié)合船舶電氣自動化系統(tǒng)的設計要求以及企業(yè)的生產(chǎn)需要，以保證船舶電氣自動化系統(tǒng)設計的合理性。同時船舶電氣自動化系統(tǒng)須擁有多模塊協(xié)作、智能網(wǎng)絡管理等功能，并且盡量采用計算機微處理技術(shù)，以便于后續(xù)安裝，同時利于設計人員對其進行后臺應用管理，保證現(xiàn)船舶電氣自動化系統(tǒng)的運行效率，并有效提升船舶電氣設備的工作性能。在此基礎上設計人員須重點關(guān)注系統(tǒng)功能模塊的優(yōu)化配置，保證各模塊之間能夠正常協(xié)作，以真正實現(xiàn)船舶電氣系統(tǒng)的自動化、效率化，從而降低工作人員的工作難度。

1.1 船舶電氣自動化系統(tǒng)設計

1.1.1 組合法設計思路

組合法是目前我國一種應用普遍的船舶電氣自動化系統(tǒng)設計方法，尤其適用于船舶數(shù)控設備電氣自動化系統(tǒng)設計。組合法通過利用高新技術(shù)手段，將各類功能模塊進行連接組合，以實現(xiàn)船舶電氣自動化系統(tǒng)設計，合理利用組合法進行船舶數(shù)控設備電氣自動化設計，可以保證船舶數(shù)控設備功能多樣化，并提高設備的運行能力。同時組合法具有多模塊組合設計的優(yōu)勢，系統(tǒng)功能齊全，可以在現(xiàn)有的船舶電氣自動化系統(tǒng)基礎上進行設計改裝，將各類功能模塊進行合理整合，設計方案操作難度小，設計思路清晰明了，且設計耗時較短，可以較好地實現(xiàn)船舶電氣設備的自動化控制。但是在船舶電氣自動化系統(tǒng)設計時，需要配置大量性能迥異的功能模塊，因此設計人員在利用組合法進行船舶電氣自動化系統(tǒng)設計時，須結(jié)合船舶電氣設備的實際生產(chǎn)需求來進行功能模塊的組合連接，保證各功能模塊之間不會產(chǎn)生運行沖突，避免影響船舶電氣自動化系統(tǒng)設計進程。

1.1.2 取代法設計思路

取代法是一種應用廣泛的船舶電氣自動化系統(tǒng)設計方法。通過取代法將電子線路與船舶機械設備的控制結(jié)構(gòu)進行替換，有效解決工作模式單一的問題，以達到對船舶電氣設備的自動化控制效果，因此與組合法相比，取代法更適用于對電子化程度要求高的船舶電氣自動化系統(tǒng)當中。同時利用取代法進行船舶電氣自動化系統(tǒng)設計時，設計人員須合理利用計算機網(wǎng)絡的相關(guān)技術(shù)，以保證精確完成電子線路的替換工作。需要注意的是，取代法設計思路下的船舶電氣自動化系統(tǒng)除了可以有效提高船舶電氣設備的工作性能外，還可以實現(xiàn)對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的實時采集，以便設計人員對電氣自動化系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行科學分析，并根據(jù)工作狀態(tài)對設計方案進行及時優(yōu)化，對保證船舶電氣自動化系統(tǒng)的設計效果具有重要意義。

1.1.3 整體法設計思路

整體法與取代法的設計思路較為相似，但是整體法須將電子線路與船舶機械結(jié)構(gòu)進行合理融合，以此實現(xiàn)船舶電氣自動化控制設計。通過整體法設計，可以讓船舶電氣自動化系統(tǒng)具備較多功能，但是需要注意的是，通過整體法進行船舶電氣自動化系統(tǒng)設計，要求設計人員具備較高實操能力，同時設計時間較長，需要大量科研資金，因此設計成本遠高于其他兩種設計思路，但通過整體法設計思路對船舶電氣自動化系統(tǒng)進行相應研究，有利于現(xiàn)代自動化控制理論的發(fā)展。在進行船舶電氣自動化系統(tǒng)思路選擇時，技術(shù)人員須實時觀測船舶電氣自動化系統(tǒng)運行實況，對三種方式進行適當模擬，以此保障船舶電氣設備的工業(yè)運行能力，從而有效提高企業(yè)工業(yè)化水平。

1.2 自動化算法設計思路

船舶電氣自動化系統(tǒng)利用微型計算機和集成電路板中的間隔模塊，對電氣設備的運行數(shù)據(jù)進行實時采集，并通過濾波器對采集到的數(shù)據(jù)進行加工，最終通過計算機模塊中的內(nèi)置算法，對濾波過后的運行數(shù)據(jù)進行有效處理，以對電氣設備重點保護參數(shù)進行實時計算，保證系統(tǒng)自動化功能的時效性、安全性?，F(xiàn)階段船舶電氣自動化系統(tǒng)的內(nèi)置算法種類較多，但較為常用的兩類算法是基于標準正弦波的半周期積分算法，和基于周期函數(shù)的傅里葉算法。由于標準正弦波在任意周期的積分絕對值都為固定值，且數(shù)據(jù)窗長度為0.1s，因此通過半周期積分算法，船舶電氣自動化系統(tǒng)的內(nèi)置模塊可以有效消除電氣設備中的高次諧波干擾，同時由于船舶電氣自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能強大，采樣頻率高，因此該算法所需CPU占比較低，可以有效控制船舶電氣自動化系統(tǒng)的能耗問題。但是需要注意的是，半周期積分算法無法消除電氣設備運行數(shù)據(jù)中的固定直流分量，必須借助數(shù)字濾波器降低直流信號對數(shù)據(jù)采集的干擾。

通常情況下，船舶電氣自動化系統(tǒng)采集到的電氣設備運行數(shù)據(jù)是較為標準的正弦信號，但當系統(tǒng)發(fā)生故障時，電氣設備的輸出信號將嚴重變形，導致數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)嚴重的信號干擾，影響數(shù)據(jù)處理結(jié)果，因此當電氣設備發(fā)生故障時，須啟用系統(tǒng)內(nèi)置的傅里葉算法，以消除高次諧波周期信號對數(shù)據(jù)處理的干擾，實現(xiàn)船舶電氣自動化系統(tǒng)的保障功能。

1.3 硬件系統(tǒng)設計思路

船舶電氣自動化系統(tǒng)主要包含控制模塊、信號采集模塊、開關(guān)量模塊、通信模塊、顯示模塊和電源裝置等硬件系統(tǒng)。電源裝置主要起到穩(wěn)定船舶電氣自動化系統(tǒng)電壓電流的作用?？刂颇K可以實現(xiàn)對電氣自動化系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)的計算處理功能，并根據(jù)計算結(jié)果，與開入量模塊進行交互，以對電氣自動化系統(tǒng)的運行狀況進行合理判斷。信號采集模塊主要用于對電氣自動化系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)中的高電壓、高電流轉(zhuǎn)換為可供裝置采集的弱電信號，并將通過數(shù)字濾波器將弱點信號濾波為數(shù)字信號，以便控制模塊對其進行分析計算。開入量模塊可以實現(xiàn)對電氣設備保障裝置、開關(guān)等外部連接設備的位置采集功能，并錄入電氣線路的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)控制單元的計算結(jié)果，判斷是否需要采取電氣自動化系統(tǒng)保障措施。顯示模塊通過液晶屏實時顯示處理后的電氣系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，以便技術(shù)人員對電氣自動化系統(tǒng)的運行狀況進行記錄。通信模塊通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將重要運行數(shù)據(jù)及電氣自動化系統(tǒng)故障情況及時上傳到通信終端，并由通信終端反饋至監(jiān)控中心，以便技術(shù)人員及時對電氣自動化系統(tǒng)的故障原因進行排查檢修。

1.4 軟件系統(tǒng)設計思路

由于船舶電氣自動化系統(tǒng)中存在嵌入式微型計算機，因此技術(shù)人員可選擇KeiluVision3等程序編譯平臺對自動化軟件進行開發(fā)。結(jié)合船舶電氣自動化系統(tǒng)的軟件開發(fā)要求，以及后期軟件系統(tǒng)維護更新，應對船舶電氣自動化系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)進行分層設計，即驅(qū)動層、操作層以及應用層三大模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如如圖1所示。其中驅(qū)動層主要實現(xiàn)對船舶電氣自動化系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的基礎控制；操作層主要實現(xiàn)對系統(tǒng)保障功能的管理及調(diào)控，以便為應用層提供功能處理空間；應用層主要負責實現(xiàn)船舶電氣自動化系統(tǒng)的各大功能。驅(qū)動層包括系統(tǒng)存儲、系統(tǒng)時鐘等模塊，并通過對應程序?qū)σ壕?、LED指示燈、外接按鍵等控制硬件設備進行驅(qū)動控制。其中系統(tǒng)時鐘為操作層提供了時間控制功能，并通過外接按鍵及液晶屏、LED指示燈等驅(qū)動程序為顯示模塊提供顯示功能。應用層主要負責船舶電氣自動化系統(tǒng)內(nèi)置算法的邏輯判斷、控制模塊的數(shù)據(jù)處理，開關(guān)量模塊的定位檢測、通信模塊的反饋通信等功能，是船舶電氣自動化系統(tǒng)最為重要的軟件系統(tǒng)模塊。

圖1 船舶電氣自動化軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.船舶電氣化自動系統(tǒng)保障技術(shù)

2.1 抗電磁干擾技術(shù)

為保障船舶電氣自動化系統(tǒng)的正常運行，技術(shù)人員須合理利用電磁兼容原理，及時進行自動化系統(tǒng)抗電磁干擾設計。通過抗電磁干擾技術(shù)，技術(shù)人員可以對船舶電氣自動化系統(tǒng)運行過程中存在的干擾源進行有效阻隔，并有效隔斷部分電磁干擾信號的介入，在一定程度上降低自動化系統(tǒng)受到的電磁干擾程度，確保系統(tǒng)輸出輸入數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性。同時由于電氣設備的金屬外殼可以吸收大部分電磁能量，且能對高頻電磁波起到一定的反射作用，因此在船舶電氣自動化系統(tǒng)外部加裝具有電磁屏蔽功能的金屬外殼，保證外界電磁場無法通過輻射、擴散、穿透等方式進入電氣自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。同時技術(shù)人員須在電力設備開口處鋪設電磁密封墊層，在最大程度上保證船舶電氣設備金屬外殼的電連續(xù)性，降低電磁干擾程度。同時為保證抗電磁干擾技術(shù)的有效實施，須在系統(tǒng)內(nèi)部電路中安裝一定數(shù)量的濾波器，降低電磁干擾對數(shù)據(jù)采集的影響。同時技術(shù)人員應對船舶電氣自動化系統(tǒng)開關(guān)量的外接端口、通信模塊的通信端口進行光電耦合電磁隔離處理，對電源裝置進行互感器電磁隔離，保證交流信號與直流信號有效分離，提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。同時在設置了一定數(shù)量濾波器的基礎上，再引入RC吸收裝置，對船舶電氣自動化系統(tǒng)的運行電壓進行有效控制，增強系統(tǒng)各組成成分之間的關(guān)聯(lián)度，降低電壓變化幅度，確保船舶電氣自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2 優(yōu)化容錯技術(shù)

通過合理運用優(yōu)化容錯技術(shù)，可以在一定程度上降低電氣自動化系統(tǒng)發(fā)生運行故障的概率。若主控系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障，技術(shù)人員則可利用容錯技術(shù)及時判斷出系統(tǒng)的故障區(qū)域、故障時間和故障問題，對系統(tǒng)部分功能進行制動維護，確保系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)仍能穩(wěn)定運行。若船舶電氣自動化系統(tǒng)電源模塊出現(xiàn)故障問題，技術(shù)人員則可利用優(yōu)化容錯技術(shù)，對電源裝置的冷卻水溫度進行實時監(jiān)測，若冷卻水溫度超過設定值，系統(tǒng)會立即切斷電源，并啟動散熱裝置，以此延長電源模塊使用壽命。若電源模塊的散熱裝置發(fā)生故障，無法及時降溫，系統(tǒng)則會立即啟動溫度正常的備用電源，降低散熱裝置的工作負荷，以便技術(shù)人員對故障設備進行及時維修

2.3 電力推進技術(shù)

電力推進技術(shù)是船舶電氣自動化系統(tǒng)的動力源保障基礎，可以對電氣設備運行過程中產(chǎn)生的機械能進行高效轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)運行提供充足電力。同時電力推進技術(shù)操作簡便，可以為船舶部分電氣設備提供自動保養(yǎng)功能，進一步提高了船舶電氣自動化系統(tǒng)的運行性能。在實際運用過程中，技術(shù)人員應盡量采用交流推動方式，以便合理調(diào)控船舶動力系統(tǒng)的功率。在船舶電氣自動化系統(tǒng)中搭載交流電無換向電動機，以對船舶電氣設備的運行效率、運行周期進行適當調(diào)控，以優(yōu)化自動化系統(tǒng)的工作性能，需要注意的是，若船舶電氣自動化系統(tǒng)的輸出頻率變化幅度過大，將加快交流無換向電動機的耐久磨損，提高系統(tǒng)運維成本，因此技術(shù)人員須根據(jù)實際情況，有方向性地引入直流無換向電動機，最大程度發(fā)揮電力推進技術(shù)的實用性，為船舶電氣自動化系統(tǒng)的安全運行提供可靠保障。

2.4 儲備冗余處理技術(shù)

儲備冗余處理技術(shù)是船舶電氣自動化系統(tǒng)安全運行的基礎保障。通過并聯(lián)操作將自動化系統(tǒng)與數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)終端進行可靠連接，對系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)進行精確識別，提取出其中的有用信息進行合理儲存，從而確保系統(tǒng)資源利用效率最大化。因此在船舶電氣自動化系統(tǒng)的實際設計過程中，技術(shù)人員須合理利用該技術(shù)對數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)劃分，實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)的獨立運行，降低數(shù)據(jù)丟失對系統(tǒng)運行帶來的影響，以便技術(shù)人員對數(shù)據(jù)丟包等失誤現(xiàn)象進行及時處理，以此提升船舶自動化系統(tǒng)運行的可靠性。

3.總結(jié)

通過深入分析船舶電氣自動化系統(tǒng)設計思路，并對其中的內(nèi)置算法、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)進行了多方面研究，以期實現(xiàn)船舶電氣自動化系統(tǒng)的可靠性設計，提高船舶電氣設備工業(yè)化水平，同時在設計過程中引入多種保障技術(shù)，以促進船舶電氣自動化系統(tǒng)的全方位發(fā)展。