客滾船無人機艙的優化設計

王科成，呂 圖

(大連旅順濱海船舶修造有限公司，遼寧大連 116052)

客滾船無人機艙的優化設計

王科成，呂 圖

(大連旅順濱海船舶修造有限公司，遼寧大連 116052)

文章概述了澳大利亞BRUCE客滾船建造過程中針對無人機艙要求所采取的優化改造的措施，重點論述了該船所存在的技術問題的解決方案及設計思路。該船的成功改造為今后同類型船改造積累了寶貴的經驗。

無人機艙；報警監控系統；控制監視系統；船舶電站

1 船舶概況

“BRUCE”客滾船是由韓國某設計院為澳大利亞船東設計的一艘鋼制海洋客滾船，全船機電配置均為國際知名品牌，全船自動化程度為國內領先水平。船舶總噸位1 100 t，配有3臺全回轉推進系統，4臺150 kW發電機，2臺180 kW變頻調速電動機驅動側推系統，船舶電站為AUTO-0, 全船配有一套集控系統，該集控系統不僅能夠對全船實時監測、報警，還能夠集中控制機艙泵組、通風等輔助設備，全船配置符合無人機艙要求。但該船在建造中期由于原造船廠的變故而終止了船舶的建造，后來由我公司重啟了該船的后期建造任務。由于該船長時間的停工導致大量的船舶設計資料丟失，部分設備元件損壞，尤其是韓國設計院無法再提供技術服務，這給正常的施工建造以及設備調試帶來了巨大的障礙。經過對圖紙的重新分析研究，現場多次檢查核對，反復調試、試驗，最終掌握了該船各系統的設計原理和存在的問題，并針對每一項設計缺陷進行了重新優化設計，確定了改造方案，并在隨后的調試、試驗過程中逐一實現了各項功能，滿足了無人機艙的要求。

2 船舶存在的問題

由于本船的設計缺陷以及它的歷史變故，導致全船電站、集控系統無法建立，反復調試都無法達到預期的設計功效，存在的問題具體如下。

2.1 自動電站無法實現

該船配電盤設計為AUTO-0級電站，共有12屏，分別為同步屏、匯流排分斷屏、監控報警系統屏、4臺發電機屏、2個AC415 V負載屏、1個AC220 V負載屏、2個組合啟動器屏。同步屏設計有手動、半自動、全自動、駕控4擋控制轉換功能，同時配有電站管理系統裝置。通過PLC的程序軟件對整個電站進行全自動控制，既能夠保證全手動調整電站，又具備無人操作、全程序化控制、自動分配負荷的功能。能夠在任何的工況下合理地啟動、斷開發電機，既能保證船舶電力供應，又能夠提高發電機的工作效率。但由于與發電機的控制信號不匹配導致配電盤的手動控制功能無法實現，在配電盤上無法啟動/停止發電機，致使配電盤與發電機形成了2個獨立的系統，電站管理系統功效無法體現出來，整套發電機的安保監控數據無法傳輸出來，整個電站處于癱瘓階段，遠遠脫離了設計初衷。

2.2 發電機與控制、報警監控系統及主配電板無法通信

發電機為交流四極發電機，旋轉域單元，帶有無刷永磁發電機勵磁系統(PMG)。該系統由可控硅整流器(SCR)組件控制供給發電機域的主流電流，電壓調節器通過可選耦合向可控硅整流器發出信號，電壓調節器根據發動機的速度和發電機組輸出電壓發出的信號自動關閉或打開固定的發光二極管(LED)，圖像傳輸器通過LED接收信號并指示SCR組件關閉或打開，從而實現全自動調壓功能。然而電壓信號的建立卻無法傳輸到報警監控系統和主配電板上，使發電機功能無法運用到自動電站系統中。經過與發電機廠商溝通得知，該款機型為獨立運轉發電機，不能對其進行遠程控制，也沒有預留遠傳信號的端口。然而這與無人機艙要求完全不符，必須對發電機的控制與監控系統進行優化改造。

2.3 側推系統無法接入電站管理系統，整個控制系統失效

本船配備有2臺大功率變頻調速電動側推系統，每臺側推功率遠遠大于單臺發電機的發電能力，想要啟用側推系統必須并機發電。理論上2臺發電機的容量滿足1臺側推的功耗，3臺發電機的并車運行才能夠滿足2臺側推的同時運轉。所以對側推的電力管理相當重要，電站建立不起來就無法使用側推，電站分配不均勻就會造成浪費，更重要的是將會對船舶的操作產生不可預見的安全隱患。由于最初設計沒有考慮到大功率詢問功能，導致側推系統與電站無法進行詢問分配功效，這就意味著側推形成了獨立系統，不受電站控制，這勢必會對側推的正常使用造成影響，甚至會對整船的電網產生沖擊，影響其它用電設備的正常運轉。要想使用側推只能夠手動操作并網，這不僅違背了設計初衷而且是船東所不能接受的事實。想要滿足設計和船東的要求必須實現電網自動管理側推的投入、運行功效，并能夠自動分析電站的承載能力，合理分配負荷，既要能夠正常操作側推運行，又要保證電網對其它系統的電力分配，整套系統的改造復雜而艱難。

2.4 集控系統無法建立

全船集中控制、監視系統(AMS/CMS)為澳大利亞廠商設計、制造的一款基于PLC控制的綜合報警、監控、控制系統。該系統有2套PLC模塊，互為備用，可接收來自各機電設備和液柜及液艙的報警信號，不同的報警點輸出分別送到各個信號采集單元，進入信號中央處理單元，最終輸出至主顯示器及駕駛室延伸顯示器LCD，同時可以集中控制各個泵組的運行/停止,也可以連續監視各個艙柜的液位狀態。整個系統由UPS作為備用電源，保證船舶在任何航況下都能夠保證報警控制系統的正常運行。由于設計的遺漏導致此系統無法與配電盤聯合控制發電機，失去了駕駛室遠操的功能，同時發電機的監控數據及報警點也無法接入報警監控系統。整套系統處于半工作狀態。

3 優化改造，滿足無人機艙的要求

針對現場所發現的幾點問題，多次審核設計圖紙，查閱設備資料及相關船舶規范，對所存在的技術問題以及不符合規范要求的系統進行了研究、優化和改造，使之滿足無人機艙的規范要求，具體優化如下。

3.1 自動電站的改造，實現 AUTO-0

1)針對配電盤設計與發電機控制系統不匹配，輸出的信號無法控制發電機的問題，經過反復查閱配電盤廠家資料，認定配電盤只提供了一組點動開關量信號來控制發電機的啟動/停止，然而發電機需要一組常閉/常開信號來完成對其控制。這就需要改造配電盤的控制原理。改造方案經過廠商同意后，建議在每臺發電機屏上增設交流繼電器，通過對繼電器的控制來實現信號轉變的優化改造方案，經與廠商溝通同意后，實施了改造，實現了對發電機的控制。此改造方案既滿足了發電機的要求，也為公司節省了改造成本。

2)解決了啟動/停止問題后，又對配電板無法調速的問題進行了分析研究。通過查閱圖紙發現配電盤內安裝了T7900 調速模塊，輸出DC24 V/0～5 V 的調速信號，然而發電機控制板內已經配置了電壓調速器，配電盤輸出的調速信號不但起不了調速功效，反而還會燒毀發電機內的調速模塊。經過對發電機調速模塊的研究，果斷地決定隔離配電盤內的電壓調速器，增設了電子電位器，解決了由于設計缺陷而導致無法調速的問題，也避免了因設計問題帶來的事故風險。為了提高對發電機的調速精度，電子電位器安裝在發電機機體內，通過控制配電盤上的點動開關量來控制電子電位器，由開關量信號控制電阻信號，進而控制發電機的調速模塊，實現異地控制發電機的功能。

3)電站管理系統(PMS)是配電盤的核心組件，它是配電盤的中央處理器，是連接發電機、主配電板、報警監控系統的重要紐帶，是實現電站自動化的唯一途徑。電站管理系統的癱瘓將導致發電機無法自動啟動、并車、負載分配以及駕駛室遙控功能的失效。經過與廠商的共同分析研究，決定用計算機重新優化、更改PLC控制程序的設計方案，經反復論證、試驗，終于解決了電站自動化失效的重大問題，實現了電站獨立、自動運行的功效，保證了駕駛室遙控功能的正常操作。PLC控制程序的改造解決了電站自動化的最大問題，也是整船性能的最關鍵問題,為實現無人機艙安全的運行邁出了關鍵的一步。

3.2 發電機控制系統的優化，推進無人機艙實現正常運行的進程

1)通過對發電機、配電盤圖紙的分析研究，針對在配電盤上無法對發電機進行實時控制、監測的問題，先后提出了幾套改造方案，經過與兩家服務商的共同溝通分析，最終決定增設遠程速度控制電位器組件，對發電機的速度進行人為調整，調整范圍大約在±5%。控制信號的輸入使發電機能夠被控制，但仍然無法監測。為了保證發電機的安全運行，先后把發電機輸出的電壓信號轉換成開關量信號，在發電機上增設了4個直流繼電器，實現了與配電盤接受信號的匹配，完成了監測功能，保證了通信的安全性，滿足了規范的要求。

2)改造發電機與配電盤的通訊，進而實現了AUTO-0，但距離無人機艙目標還差一步，那就是要實現全船集中控制的功效。這就要求發電機必須和報警、控制監控系統建立互通。然而服務商卻告知無法實現互通功能，這就意味著無人機艙無法實現。經過翻閱大量的設備資料，反復的論證、試驗，最終決定采用發電機P20端口輸出RS-485通訊標準給控制報警系統,此端口是Modbus通訊端口，也是唯一一個可以與報警、控制系統實現互通的端口，最大傳輸距離能夠達到1 220 m，最大傳輸速率為10 Mbps，完全滿足通訊要求。然而在反復調試過程中發現通訊有中斷的現象，而且此現象十分頻繁，經過反復的分析研究，最終確定是由于電纜的屏蔽性能被破壞，導致通訊干擾，造成通訊故障。因而決定重新鋪設電纜，采用平衡雙絞線作為傳輸媒體，終端安裝了匹配電阻(120 Ω)，這樣使通訊更可靠、更暢通，保證了發電機與報警控制系統通訊無阻，更進一步地實現了無人機艙的目標。

3.3 側推系統的優化改造

1)側推系統和主配電板在產品設計上均沒有大功率詢問功能，想要重新增設此項功能在時間上和設備配置上都是不允許的，只能夠從程序控制上考慮改造方案。船東要求側推系統必須能夠在監控系統上控制操作，因此必須把思路從電站管理系統上轉移到監控系統中找到解決的辦法。通過監控系統控制電站管理系統的電力分配，保護整個電網的電力供應，同時控制側推系統變頻器，達到啟動/停止側推的功效。首先對PLC程序進行了優化，重新寫入程序，保證只有在2臺及2臺以上發電機并網的情況下才能夠啟動1臺側推，3臺及3臺以上的發電機并網才能夠同時啟動2臺側推，否則啟動失敗。此項改造方案對保護全船電網起到了重要的作用，即使船員誤操作也不會對全船電網造成影響，滿足了船東、船檢的要求。

2)安保功能的實現將改造工程推進了一大步，要實現整套系統的運行還要對側推的控制系統進行改造，設計院的設計與廠家系統配置完全背離，整個控制系統需要重新設計，經過對側推廠家資料的反復查看，決定采用監控系統控制側推，報警系統監測側推，這樣能夠保證集中控制。先后對PLC控制程序進行了重新編程，增設了直流和交流繼電器，通過操作控制屏，PLC會進行綜合分析，輸出控制信號，控制信號通過繼電器的轉換把有源信號轉變為無源信號，無源信號控制繼電器來控制DC24 V電源的輸出，通過電源輸出控制變頻器和側推控制器，實現了對系統的控制。側推的運行、報警信號通過繼電器轉變為開關量反饋給報警監控系統，該系統延伸到駕駛室，這樣在駕駛室可以集中控制、監視側推系統的運行。通過改造和反復地調試，實現了閉環控制網絡，既對電站起到了保護作用，又達到了集中控制的功效，完全滿足了無人機艙的規范要求。

3.4 報警、控制檢測綜合系統的改造與調試，實現“無人機艙管理”

機艙集中監視、控制與報警系統是機艙自動化的一個重要內容，無人機艙能否實現關鍵在于報警、控制檢測綜合系統能否滿足規范要求。它的重要性是能夠準確可靠地監測機艙內各種動力設備的運行狀態及其參數，運行設備一旦發生故障，自動發出聲、光報警信號，并可以在觸摸屏上查詢具體的故障來源、故障狀態，指導故障排除，并能夠自動保存故障內容。它可以改善輪機管理人員的工作條件，減輕勞動強度，及時發現設備的運行故障，而且也是實現無人機艙的基本條件。該系統的不同之處在于不僅能夠對機艙進行監視、報警，還能夠對機艙泵組設備進行異地控制，實現駕駛室遙控功效。然而由于設計上的缺陷，使該系統強大的功能無法發揮出來，船東對此表示不滿意。經過與服務商共同研究、分析，先后把配電盤、發電機、側推、水密門指示系統、水霧噴淋系統、死船恢復啟動等系統并入了集控網絡，并進一步優化了管理程序和大量的技術問題，使之能夠統一監視、控制機艙動態，為安全、高效地航行保駕護航。

4 成果與意義

在對1 100 噸級客滾船圖紙的優化設計和現場調試、改造的過程中，學習、積累了大量的關于船舶無人機艙有關電氣方面的技術知識和改造過程中的實際經驗，為今后承接改造類似工程項目奠定了牢固的基礎。全船以最短的時間、最小的改造成本解決全船最大的問題，不僅為公司按期交船爭取了時間，而且為公司節省了近百萬元。同時也為公司贏得了市場和產品，為公司長遠的發展做出了積極的貢獻。

This paper summarize the renovation project which the name of BRUCE ro-ro passenger ship about the request of the unmanned engine room.The main point is about the optimization design and the solution of the technical question.The successful conversion becomes valuable experience for our company especially.

engine-room-zero(ED)；alarm monitoring system(AMS);control monitoring system(CMS);main switch board(MSB)

王科成(1985-)，男，遼寧大連人，工程師，大學本科，主要從事船舶電氣設計工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.012

2016-04-25