船舶電氣設(shè)備自動化中幾個重要技術(shù)的應(yīng)用

程方圓

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江 舟山 316131）

0 引言

伴隨自動化的不斷進(jìn)步，其在船舶中的使用也非常普遍，其對提高航運(yùn)安全、提升航運(yùn)經(jīng)濟(jì)收益、改進(jìn)勞動環(huán)境、提升勞動效率發(fā)揮極其重要的作用。在船舶自動化行業(yè)中，如今各個國家研發(fā)的關(guān)鍵聚集在軸帶發(fā)電、電力推廣和自動化貨艙等領(lǐng)域，并且這個行業(yè)的進(jìn)步全是自動化等科技綜合使用和交疊滲透的成果（見圖1）。

圖1 船舶低于供電系統(tǒng)

1 船舶電氣自動化特征剖析

1.1 體系化

如今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及智能化信息技術(shù)等已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于船舶自動裝置中，對于提高各組成部分智能化限度具有良好效果，保證自動裝置的靈活性組態(tài)，增強(qiáng)其全面性。比如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面標(biāo)準(zhǔn)、頁面簡易操控還有性能的靈活性轉(zhuǎn)變，操控員工可以按照需要通過實(shí)現(xiàn)電子屏幕來完成相關(guān)性能操控，為船舶自動化系統(tǒng)應(yīng)用的體系化創(chuàng)造了條件。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化

計算機(jī)技術(shù)以及總線科技的廣泛應(yīng)用，對保持船舶自動裝置系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)造了必要條件，當(dāng)中總線技術(shù)能夠保證各種信號線的有效集成，也能夠?yàn)楦鞣N結(jié)構(gòu)以及組件之間提供信息管道，以滿足設(shè)備運(yùn)作要求。一般的現(xiàn)場總線系統(tǒng)會采用二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，第一層為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，另一層為控制網(wǎng)，能夠較好地提高船舶自動化裝置運(yùn)作穩(wěn)定性能。

2 電力電子的使用

2.1 軸帶發(fā)電

船舶航運(yùn)環(huán)節(jié)中，船舶總體的損耗有1/2以上都用在了物料消耗上，因而研發(fā)各種類別的船舶節(jié)能設(shè)備就變得極為重要。軸帶發(fā)電科技是現(xiàn)今國內(nèi)船舶行業(yè)節(jié)能的主要方法，軸帶發(fā)電科技是由發(fā)電機(jī)組中的主軸完成推動，按照主機(jī)情況來對軸帶發(fā)電機(jī)組完成操控，而后伴隨電能電子元件的快速升級換代，軸帶發(fā)電設(shè)備大部分都采用了晶閘管逆變方式。為更進(jìn)一步提升船舶航運(yùn)的節(jié)能功效，按照船舶的具體運(yùn)作，研發(fā)了廢氣透平發(fā)電機(jī)組與S/G搭配的SSG設(shè)備。而在S/G設(shè)備中，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組的任何傳輸工作全是采用變頻器完成傳輸，因此需要在發(fā)電機(jī)上對應(yīng)裝配大功率的電力電子元件來達(dá)到船舶正常運(yùn)作的要求。由于自動化變頻器的制造費(fèi)用高、體型大，再加上自動變頻器的功耗系數(shù)也相對低，因此科學(xué)家們通過這類問題而發(fā)明了非同步軸帶發(fā)電機(jī)組裝置。

2.2 電力推進(jìn)

在船舶航運(yùn)中，電力推進(jìn)技術(shù)已應(yīng)用多年，然而以前的電力推進(jìn)技術(shù)僅限于某些中小型船舶，而伴隨電力電子的不斷進(jìn)步，電力推進(jìn)技術(shù)的使用范疇也更加普遍，大家將電力進(jìn)步設(shè)備劃分為直流傳動和交流傳動。伴隨近些年船舶行業(yè)科技的進(jìn)步，交流傳動進(jìn)步速度特別快，交流電力推進(jìn)技術(shù)隱約有取代直流推進(jìn)技術(shù)的趨向。在交流電力的推進(jìn)方式中，比較普遍的電力推進(jìn)有直流和交流2類無換向電機(jī)推進(jìn)設(shè)備。直流無換向電機(jī)推進(jìn)設(shè)備本質(zhì)上是一個由交流—直流—交流變頻器送電的同步電機(jī)控速設(shè)備。而交流無換向電機(jī)推進(jìn)設(shè)備是由交流—交流變頻器與同步電機(jī)組成交流調(diào)節(jié)設(shè)備，盡管交流變頻器的傳輸次數(shù)會遭受船舶總體運(yùn)作的干擾，可是大空間的船舶推進(jìn)機(jī)是與驅(qū)動軸直接對接的，最重要的是船舶推進(jìn)電機(jī)依然在慢速的情況下運(yùn)作。因而，低頻的交流—交流變頻器十分合適。

表1 交流直流變頻器額定電壓、額定頻率

3 CAN電站測控系統(tǒng)的科研

3.1 電站測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

每一個發(fā)電機(jī)的結(jié)點(diǎn)都代表了一個發(fā)電機(jī)設(shè)備，同時這個發(fā)電機(jī)設(shè)備還和主機(jī)一起作為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)，被掛到了操控系統(tǒng)的總線上。如此一來，就很容易形成一個水電站的自主管理網(wǎng)絡(luò)。研究成員也可把這種網(wǎng)絡(luò)和艦船上的其它部位巧妙地連接到一塊，之后形成艦艇的控制平臺系統(tǒng)。在這一電站控制體系中，具體存有3種用途性能上都有所不同的測控網(wǎng)絡(luò)時期—發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)、控制臺節(jié)點(diǎn)管理、檢驗(yàn)微機(jī)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)中發(fā)動機(jī)節(jié)點(diǎn)的作用是監(jiān)測用途與控制功能。而主機(jī)節(jié)點(diǎn)則具體承載的是讀取由各臺發(fā)動機(jī)所傳輸?shù)谋O(jiān)測結(jié)果，而基于這類結(jié)果以及具體的船舶運(yùn)營管理需求，對不同時期實(shí)施程序控制。而檢驗(yàn)微機(jī)的具體任務(wù)則是對不同時期做好監(jiān)管，如果發(fā)現(xiàn)特殊情況，便要立即解決，便于信息的傳送[1]。

3.2 發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊的開發(fā)

電站操控系統(tǒng)的組件主要是發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)組件。一方面獲取電站規(guī)格與開關(guān)量規(guī)格，另一方面根據(jù)控制指令實(shí)施操控性能。其大多數(shù)操控性能由軟件完成，唯有發(fā)電機(jī)組的并車操控性能需要某些硬件電路的協(xié)調(diào)。在這個組件上，總共用了5塊CPU，包含1個集合了CAN控制模塊的微處理器P80C592與4個MCS～51微處理器12051。當(dāng)中，P80C592承擔(dān)某些電參數(shù)的獲取與大多數(shù)操控用途的完成，并完成CAN網(wǎng)絡(luò)通信；3塊12051承擔(dān)發(fā)電機(jī)電壓頻率、母線電壓頻率與發(fā)電機(jī)功率系數(shù)的獲取；之后1個12051承擔(dān)發(fā)電機(jī)電壓與母線電壓的相位差信息的獲取，并且承擔(dān)并車操控的越前相位角性能的完成，它與某些硬件電路一塊完成發(fā)電機(jī)組并車操控的智能控制。

4 可靠性保障技術(shù)

為了能全面保證船舶電氣自動化設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，還介紹了國內(nèi)外在船舶及電力自動化行業(yè)的一些成果與經(jīng)驗(yàn)，但由于當(dāng)時國內(nèi)外船用及電力自動設(shè)備研發(fā)都還處于初始時期，對許多穩(wěn)定性技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面并沒有很了解，所以以西門子公司所生產(chǎn)的EEA-22船用電站自動控制器為實(shí)例，分析船用穩(wěn)定性技術(shù)的具體應(yīng)用問題。

4.1 電磁兼容設(shè)計

EEA-22船舶電站自動控制系統(tǒng)具體運(yùn)用的是電磁兼容技術(shù)，如此可以全面提高設(shè)備的抗干擾性。船舶上電氣設(shè)備的辦公環(huán)境條件非常極端，而且電磁輻射還非常強(qiáng)烈，因此研究成員對于保證設(shè)計的作業(yè)穩(wěn)定性來說，對電磁設(shè)備進(jìn)行兼容設(shè)計也是不能缺少的關(guān)鍵步驟。一般造成設(shè)備操作困難的具體原因有出現(xiàn)干擾源、有與之相對應(yīng)的熱傳導(dǎo)介質(zhì)、以及出現(xiàn)敏感的讀取模塊。因此科學(xué)家們在對電磁相容性設(shè)計問題進(jìn)行科學(xué)研究時，僅需毀壞掉這三者之一，即可有效化解設(shè)備操控。

4.2 容錯科技設(shè)計

容錯科技指的是船舶電氣自動化系統(tǒng)對問題的包容限度，容錯科技具體包括：1）系統(tǒng)異常的調(diào)節(jié)與判斷；2）系統(tǒng)異常的調(diào)節(jié)和策略。兩者是層遞的關(guān)系，換句話說在調(diào)節(jié)和判斷中，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時，要先明確問題的形成區(qū)域以及出現(xiàn)性質(zhì)，接著要對問題開展防護(hù)處理。在調(diào)節(jié)和策略上，需要依據(jù)問題的區(qū)域和性質(zhì)，先進(jìn)行相應(yīng)的容錯處理，在明確問題以后，再對它進(jìn)行方案策劃，并采取行動。EEA—22船舶電站自動控制系統(tǒng)故障檢測、故障診斷模塊依次利用各類檢查器件（如利用系統(tǒng)控制外部器件逆功率繼電器檢測逆功率問題信號）將其調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)化為低電平（0信號）送至問題化解模塊，并且系統(tǒng)將問題歸類，便于采取有效控制方法。本系統(tǒng)將問題分成3種：1）開啟預(yù)備機(jī)組，并減少啟動機(jī)組的負(fù)荷；2）開啟預(yù)備機(jī)組，并延時關(guān)閉問題發(fā)電機(jī)組；3）必須立即關(guān)機(jī)，啟用預(yù)備機(jī)組。此外，假如發(fā)電機(jī)組中出現(xiàn)后2類問題，在立即關(guān)機(jī)的同時，該發(fā)電機(jī)組中就會產(chǎn)生一個阻塞信息，等到問題化解后，按下“承認(rèn)組賽”的按鈕，堵塞信息方可化解，新的開機(jī)指令才有效，不然，該發(fā)電機(jī)組無法重新自動啟用。如此，可防止意外擴(kuò)大，提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

5 船舶電氣自動化科技所存在問題

5.1 操控線路單一

與其他行業(yè)電氣自動化科技相較，船舶電氣自動化系統(tǒng)盡管涵蓋項(xiàng)目較多，可是具體操作較為簡單，可以隨時利用駕駛艙內(nèi)總操控系統(tǒng)來進(jìn)行各程序模塊的操控。假如總操控系統(tǒng)運(yùn)作出現(xiàn)問題，必然會造成整個船用電器自動化體系的崩潰，整個設(shè)備無法合理操作。在整個控制線路發(fā)生故障后，又或者是發(fā)生操作失誤后，會對船上整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生無法挽回的影響。

5.2 電磁穩(wěn)定性低

電磁技術(shù)作為船舶自動化技術(shù)實(shí)行的基礎(chǔ)，必須保證其具備較高的穩(wěn)定性?？墒窃诂F(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，其常常會造成穩(wěn)定性問題，對船舶的常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)造成干擾。船舶工作環(huán)境特殊，受天氣外部環(huán)境干擾很大，如果碰到惡劣天氣，會對船舶總體電磁系統(tǒng)造成很大干擾。此外，通常情形下為節(jié)省船舶空間，一些電子零件安裝設(shè)備比較緊密，不管是操控、管理或是保護(hù)均存在很大問題，且難以及早發(fā)現(xiàn)安全問題，增加了電子干擾抵御難度，降低了船舶運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

5.3 設(shè)備錯誤率高

通常情況下船舶自動化技術(shù)效率高，具備快速、平穩(wěn)還有便捷等優(yōu)點(diǎn)，可是也會發(fā)生相應(yīng)容錯幾率，而且若是發(fā)生便無法挽救。電氣設(shè)備發(fā)生的錯誤率難以避免，盡管可以利用后面的維護(hù)與養(yǎng)護(hù)來減少，可是如果造成異常，必定會造成自動化系統(tǒng)崩潰。

6 船舶自動化技術(shù)優(yōu)化

6.1 電磁干擾技術(shù)

1）更改傳輸方式

對于船舶自動化控制系統(tǒng)的運(yùn)作，一般是使用遙控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對各種設(shè)備的控制管理，而由于主控制器位于駕室，船舶艙也是整個系統(tǒng)命令的讀取部位，指令信息傳遞路徑時間較長，而在傳輸環(huán)節(jié)中的設(shè)備使用情況又會對指令信息產(chǎn)生影響，因此會妨礙控制效果。對于此，可以改變信號傳輸方式，合理攔截電磁干擾信號，提升信號傳送功能，有效控制系統(tǒng)[2]。

2）隔離變壓器

對船舶自動化控制系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)開展歸納分析，可知影響系統(tǒng)控制成效的基本要素為交流電源，于是可以利用安裝隔離變壓器的方法來改善，達(dá)到自主工作供電。將強(qiáng)電與弱電系統(tǒng)分離，減少交流電源造成的干擾。

6.2 設(shè)置安全系統(tǒng)技術(shù)

伴隨船舶電氣自動化技術(shù)實(shí)力的不斷提升，船舶的智能駕駛徹底可以利用自動化科技實(shí)現(xiàn)操縱，如今大部分船舶均配備了通信設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備、通訊導(dǎo)航系統(tǒng)還有電氣設(shè)備等，這些設(shè)施在斷開與關(guān)閉開關(guān)時，會受電磁波影響，減少設(shè)施操縱準(zhǔn)確性，降低傳遞使用穩(wěn)定性。在安裝抗干擾與屏蔽設(shè)備的同時，還必須安裝安全設(shè)備，即在船舶使用進(jìn)程中發(fā)生損壞電站或是別的主要機(jī)電設(shè)備運(yùn)作安全性的問題時，可以使得故障設(shè)施自行產(chǎn)生保護(hù)性運(yùn)作的設(shè)備。

7 結(jié)語

自動化系統(tǒng)運(yùn)作穩(wěn)定性對船舶運(yùn)輸領(lǐng)域的全面進(jìn)步有著重大意義，為提升船舶使用穩(wěn)定性，必須對電氣自動化設(shè)備展開分析，有針對性地實(shí)現(xiàn)科技探究，必須在原有根基上充分使用各類專業(yè)技術(shù)與設(shè)施，對電氣自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)改善，努力不斷提升設(shè)備使用整體效率。