船舶電氣自動化控制安全性問題研究

趙軍 毛振華 金利兵

（杭州航海儀器有限公司 浙江省杭州市 310000）

從上世紀80年代開始，自動化技術在社會上開始大范圍應用，而且已經在機械旨在、船舶生產等領域得到了應用，該技術通過自動化控制等全面操作功能在某一特定環(huán)境操作不同類型電子元件，其在船舶自動化中應用范圍比較廣，不僅包括了無線電控制、信息傳輸，也包括了機艙設備監(jiān)控、導航、電站管理等系統(tǒng)，另外也能夠控制主機推進、電力變送等系統(tǒng)，涉及內容較多，因此穩(wěn)定性十分重要，只有保證船舶電氣自動化控制穩(wěn)定，才能夠確保船舶運行穩(wěn)定安全。

1 船舶電氣自動化系統(tǒng)概述

1.1 電氣自動化系統(tǒng)

船舶電氣自動化系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)涉及了大量網絡和裝置，這些設備能夠將負載、配電、電源等裝置聯(lián)系起來共同構成運行整體。對于電氣系統(tǒng)來說，通過應用原動機、發(fā)電機組能夠轉換能量，通過導線可以組建網絡傳輸系統(tǒng)，并為用電設備提供所需電能[1]。而船舶電站作為船舶電氣自動化系統(tǒng)核心（如圖1），其中涉及了多種設備，能夠應對船舶各種功能所需，其需要專業(yè)人員根據船舶要求、性質完成組配作業(yè)。電力網是各種裝置相互作用下用于傳輸電力而構成的有效連接電路路徑，不同設備間的電路網形式不同，例如應急電網、照明電網、弱電裝置等。

圖1：船舶電站

1.2 系統(tǒng)特征

船舶電力自動化系統(tǒng)具有綜合性、網絡性等特征，具體體現為：

（1）綜合性。近年來，船舶作業(yè)過程需要利用操作臺來完成操作（如圖2），該操作臺體現了船舶電氣自動化的綜合性特征。另外，在我國電氣模塊不斷升級基礎上，電子信息技術也得到了升級，船舶自控設備逐步創(chuàng)新，變通性提高，進一步促進了船舶電氣綜合化發(fā)展[2]。

圖2：船舶操作臺

（2）網絡性。隨著我國科技水平的提高，船舶電氣自動化系統(tǒng)迅速發(fā)展，網絡優(yōu)勢越發(fā)凸顯，尤其是在總線技術保障下，船舶各模塊間的信息傳遞更加便捷、順暢，推動了船舶自動設備審計。當前，船舶系統(tǒng)不斷朝向先進化方向發(fā)展，跟多具有自控作用的技術設備在其中應用，進一步創(chuàng)新了技術設備，同時也提高了船舶系統(tǒng)運行便捷性。

2 船舶電氣自動化系統(tǒng)控制安全性問題分析

通過上述分析了解了當前船舶電氣自動化系統(tǒng)優(yōu)勢，也明確了利用系統(tǒng)優(yōu)勢確保船舶能夠安全穩(wěn)定運行。但是，船舶電氣自動化系統(tǒng)全面覆蓋會導致船舶電氣自動化控制安全性管理人員對系統(tǒng)產生過度依賴，甚至會造成損失。因此，控制人員需要盡可能彌補損失，有效落實好電氣自動化技術應用安全。當前，我國船舶自動化技術安全性問題主要體現在以下幾方面。

2.1 設備故障

電氣自動化系統(tǒng)運行方便快捷，而且比較穩(wěn)定，但是也會不可避免出現一些問題，具有錯誤率，而系統(tǒng)設備錯誤率很難改變，也難以逆轉，這些錯誤一般發(fā)生在電氣設備運行安裝過程中。但是，船舶電氣設備安裝制造比較安全，運行期間發(fā)生的錯誤和問題通過調試確認可以解決，按時這些錯誤會隨著設備使用時間延長而發(fā)生率不斷提高[4]。由于船舶電氣自動化控制錯誤率和故障很難避免，盡管可以通過后續(xù)維護和保險減少錯誤現象，但是也難以避免，一旦發(fā)生安全性錯誤會導致電氣系統(tǒng)整體運行發(fā)生問題，進而導致控制邏輯受到影響，引發(fā)更大損失。油泵故障如圖3 所示。

圖3：油泵故障

2.2 電磁問題

船舶電氣自動化系統(tǒng)應用需要電磁技術作為保障，但是船舶運行會影響電磁安全。船舶運行在海面上，若是天氣惡劣會導致船舶上的電磁系統(tǒng)受到干擾。而船舶內部空間比較狹小，電子元器件設備安裝也比較緊密，從而導致電子元件設備安裝十分緊密，提高了電子干擾問題發(fā)生率。船舶實際裕興過程中需要盡量避免天氣受到影響[5]。電磁技術對于整個船舶電氣自動化技術應用十分關鍵，其也是電氣自動化系統(tǒng)運行基礎。大多數船舶運行時會遇到惡劣天氣，甚至會破壞整個電磁系統(tǒng)，同時也會被電磁所干擾。船舶燃油量和油路控制信號是由電氣自動化控制系統(tǒng)實現操作的，若是被電磁信號影響則會導致信號失真，噴油量出現誤差，導致系統(tǒng)運行受到影響。

2.3 線路問題

船舶電氣自動化控制優(yōu)勢在于方便操作，同時能夠利用駕駛艙的總控系統(tǒng)實現整體操作。但是，若是傳播自動化總控制系統(tǒng)中的某些功能出現異常會使自控系統(tǒng)產生問題，進而導致傳播電氣設備在無目標情況下運行?？偪叵到y(tǒng)若是面臨故障或是錯誤操作會產生難以逆轉的危害[6]。另外，船舶電氣自動化系統(tǒng)控制線路單一，支線設備運行容易產生問題。同時，船舶電氣自動化控制系統(tǒng)面臨關閉問題，需要盡量減少故障現象發(fā)生，減少損失發(fā)生。電氣自動化操作可以簡化船舶操作流程，駕駛艙內部總控系統(tǒng)可以實現優(yōu)先選擇和控制，具有冗余功能，其中的動態(tài)監(jiān)測以及自動問詢系統(tǒng)能夠預報錯誤，迅速發(fā)現潛在問題，進而將報警和動態(tài)監(jiān)測結果反饋出來。船舶電氣自動化系統(tǒng)運行時，盡管面臨設備容錯、電磁安全和線路控制等問題，但是系統(tǒng)可以大幅度提升船舶航行安全性。對此，船舶自動化系統(tǒng)控制人員在使用安裝時需要提前進行預測，保證系統(tǒng)各個組件在準運行狀態(tài)中，確保系統(tǒng)邏輯正常，并對控制功能進行反復調試，確保整個系統(tǒng)控制狀態(tài)正常，以便隨時運行。

3 船舶電氣自動化系統(tǒng)控制安全性保障措施

3.1 處理安全問題

（1）應用抗電磁干擾技術。電磁干擾屬于客觀物理現象，其會導致設備性能下降，電子元器件受損，電氣控制信號減弱，從而引發(fā)錯誤控制信號，同時會使線路發(fā)熱量上升，信號傳導率下降。對此，需要加強電氣自動化控制，減少電磁輻射對線路產生的影響。為了減小電磁干擾，需要采取以下幾點技術：

1.濾波技術，該技術可以按照頻率對干擾信號進行選擇性一致；

2.接地技術，該技術能夠保障人員安全和設備安全，接地方式一般采用串接電阻形式或是阻隔環(huán)路形式；

3.屏蔽接地，該技術能夠避免空間上的電磁干擾傳播，同時將輻射干擾路徑阻斷，減弱電磁干擾對信號源產生的干擾[7-8]。

（2）優(yōu)化網絡布線方式。船舶電氣控制線路和陸地自動化控制系統(tǒng)存在差異，控制線路結構一般比較單一，一旦短路或是斷路、接觸不到位等會使系統(tǒng)發(fā)生故障，因此為了提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，必須要優(yōu)化控制線路布線方案，盡量擴大雙通道冗余空間，避免某一線路發(fā)生問題時仍然可以通過備用線路傳輸信號。數據傳輸一般通過光纖銅線分布式布線方式和CAT6 及以上規(guī)模以太網布線方式，若是網絡系統(tǒng)是100m 以上的系統(tǒng)需要使用單模光纖網絡布線方式，進而使數據通訊安全可靠性提高。

（3）提高設備元器件容錯性能。容錯性能指的是設備和元件發(fā)生故障時所據歐的錯誤容忍性能。電氣自動化系統(tǒng)中的組件若是無法正常運行，則整套系統(tǒng)仍然能夠正常執(zhí)行控制功能，這就體現了容錯能力。電氣自動化系統(tǒng)具有容錯能力需要檢查診斷系統(tǒng)故障技術、錯誤防范技術、錯誤影響弱化技術、冗余設計技術等先進技術作為保障。另外，加強易損件的監(jiān)視工作，提高噴油系統(tǒng)內部密封性，定期更換密封圈，確保噴射系統(tǒng)能夠正常運行。

（4）優(yōu)化數據信號傳輸介質。隨著網絡技術不斷發(fā)展，原始的對線、絞線、同軸電纜等數據傳輸介質經過改善變成當前的網線CATA、CAT6、CAT7 等介質，同時在網絡技術持續(xù)發(fā)展背景下，當前的廣泛采用的傳輸介質包括光纖、微波、藍牙、無線網絡等。介質不同，傳輸數據性能存在差異，可以按照需求選擇相應的傳輸介質，進而提高網絡數據傳輸效率，控制好傳輸成本[9]。

另外，應用CAN 電站測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是網絡節(jié)點之一，其與控制臺和檢修微機共同構成自控網絡，使用時可以利用網絡連接方式連接網絡和船舶，進而實現船舶運行控制。例如發(fā)電系統(tǒng)日常運行過程中，自控系統(tǒng)中的構件有其各自優(yōu)勢，優(yōu)化控制系統(tǒng)實現測量信息數據保存，把控好發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)點測量工作質量。而CAN 電站系統(tǒng)日常運行時需要根據實際條件發(fā)揮自動化控制系統(tǒng)作用。

3.2 排除系統(tǒng)故障

（1）遵循排除系統(tǒng)故障原則。為了能夠有序推進船舶業(yè)務順利進行，技術人員需要定期檢修電氣自動化設備，通過高質量檢測維護工作及時確定故障和消除故障問題，有效辨別股做好功能，解決故障問題。在電氣自動化系統(tǒng)故障檢測排除過程中，需要遵循由表及里、由淺入深、由動及靜的故障排除原則。

（2）確定系統(tǒng)故障排除和解決流程。為了能夠解決系統(tǒng)故障辨別解決區(qū)域，同時及時消除這些故障，需要根據現有流程操作，對此提出以下兩方面參考建議：

第一，專業(yè)人員憑借精細態(tài)度進行檢測，并在實際檢測時辨認故障發(fā)生構件。

第二，根據系統(tǒng)操作說明書分析已找到故障，在合理分析和總結基礎上判斷故障產生直接原因，之后通過指定系統(tǒng)對故障進行全面的檢測，并通過反復試運行判斷故障消除程度，確保系統(tǒng)故障能夠完全被消除。

（3）采用科學的故障排除方法。船舶電氣自動化系統(tǒng)故障排除方法包括直觀法、對比法和短路法等方法。其中，直觀法指的是利用眼睛、手指等各種感官直接接觸進行深入法恩熙，進而分辨確定故障點。在直觀接觸排除故障過程中，通過手可以觸摸設備以便了解設備溫度及其與既定參數差距，通過鼻嗅可以查看設備內構件形狀有無變化，利用耳聽可以確定設備是否處于穩(wěn)定運行狀態(tài)中，利用眼觀可以確定設備構件是否充分連接，顏色保持度是否符合標準要求。對比法是當前最有效的身故故障排除方法，只需要更換設備指定構件就能夠解決故障，同時通過具體的對比分析可以由專業(yè)人員劃分故障區(qū)域，進而更換指定構件，若是構件調換后仍然能夠穩(wěn)定運行就表示該構件所在區(qū)域存在故障因素，若是構件更換后仍然無法穩(wěn)定運行則需要專業(yè)人員展開深度的檢修[10]。短路法與一般意義上的故障排除法不同，其應用比較獨特，相關工作開展需要高素質人員進行操作，并利用短路法對故障進行查找，檢測故障易發(fā)區(qū)域情況，若是檢測結果表示發(fā)生了故障則表示故障點能夠被確定。

3.3 加強安全管理

（1）建立健全安全管理體系。通過實施并完善技術操作規(guī)范、作業(yè)技術標準以保證電氣自動化系統(tǒng)能夠實現安全穩(wěn)定運行，并為自動化操作奠定堅實的技術基礎。電氣自動化技術在應用時，大部分國際造船企業(yè)和船舶運行作業(yè)企業(yè)需要根據聯(lián)合國際主要船級社、船旗國、國際海事事務管理機構等相關機構規(guī)定進行操作。而船舶管理部門和作業(yè)船隊技術領導者需要根據國際相關法律規(guī)定完善相關規(guī)章制度。此外，明確規(guī)定具體工作中的各個環(huán)節(jié)，并對各環(huán)節(jié)作出詳細具體規(guī)定，避免其間出現非法交易。

（2）完善自動化系統(tǒng)的容錯技術。容錯技術的優(yōu)化重點在于自動化系統(tǒng)運行故障恢復性能，其中涉及了控制系統(tǒng)故障、系統(tǒng)故障信號評估和檢測、啟動后備裝置、停止設備運行等等信號，通過容錯技術可以檢測評估系統(tǒng)故障，及時檢測故障發(fā)生原因，確定故障發(fā)生區(qū)域，加強故障檢測。對于船舶電站自控系統(tǒng)而言，為了解決機組故障，需要利用備用機組與網絡獲取聯(lián)系進而確定故障問題，在機組負荷情況下獲取更多時間對故障發(fā)電機進行停機檢修，若是機組屬于超負荷運行則需要及時開啟備用發(fā)電機，獲取超負荷發(fā)電機故障情況，以保證過載發(fā)電機運行能夠正常[11]。

（3）推動智能化技術應用。新時代背景下，船舶發(fā)展逐漸走向智能化。對此，企業(yè)需要加大力度推廣應用GPS 技術，促進穿在偵查技術不斷發(fā)展。在船舶操作系統(tǒng)中應用GPS 技術可以促進系統(tǒng)防御性能提升，提高防御維護素質，有利于系統(tǒng)盡快恢復。GPS 系統(tǒng)的應用可以提高船舶自動化系統(tǒng)的故障保護性能，發(fā)生故障時確保系統(tǒng)能夠正常運行，并保障系統(tǒng)運行能夠安全可靠。而利用GPS 系統(tǒng)各節(jié)點對各種信息全面感知、收集，分析所發(fā)送信息，以便及時完成反饋控制。

4 結束語

綜上所述，自動化控制系統(tǒng)通過一個系統(tǒng)對多個配件進行全面管控，進而完成相應的操作。而船舶電氣自動化系統(tǒng)比較復雜，其可以幫助船舶安全運行，但是其中也存在一些風險，因此必須要做好前期檢測才能夠發(fā)現問題，并采取合適的措施確保船舶自動化系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，筆者對當前船舶自動化系統(tǒng)運行中面臨的設備故障、電磁問題、線路問題提出了處理安全問、排除系統(tǒng)故障、加強安全管理等措施，以保證船舶能夠安全可靠運行。