27 500 m3 LNG船電氣自動化K-Chief 700系統研究及應用

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

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27 500 m3LNG船電氣自動化K-Chief 700系統研究及應用

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

摘要在分析了船舶機艙監測報警系統的發展及國內外現狀的基礎上，著重研究了Kongsberg公司的K-Chief 700系統，包括其系統配置和功能。文章以配備W?rtsil?50DF雙燃料主機的27 500 m3液化天然氣實船為依據，介紹了K-Chief 700系統的具體應用,并對其擴展功能提出了建議，為后續雙燃料LNG船監測報警系統提供參考。

關鍵詞K-Chief 700天然氣雙燃料監測報警系統

0引言

如今，環境問題已經成為全球關注的焦點，而船用燃料是全球大氣污染的重要原因之一。為了滿足IMO、Tier III、MARPOL[1]等公約的要求，27 500 m3LNG船采用W?rtsil?50DF雙燃料主機。與以往主機不同，雙燃料主機有兩種運行模式：燃油模式和燃氣模式。為了船舶運行安全，無論在燃油模式、燃氣模式或者切換模式下都要保證主推進系統及電站系統的連續運行，這就對主機及緊密相關的機艙監測報警系統提出了更高的要求。因此，27 500 m3LNG船采用了在國際市場中占有主導地位的康斯伯格公司的K-Chief 700系統。從“船舶自動化”的概念提出到現在K-Chief 700系統的出現經歷了幾十年時間，機艙監測報警自動化程度的發展也可以從四個階段體現：儀表式監測報警系統階段、集中型監測報警系統階段、集散型監測報警系統階段、全分布式監測報警系統階段[2,3]。

1機艙監測報警系統的發展及國內外現狀

1.1機艙監測報警系統的發展概況

由于船上的大部分動力和輔助設備都設在機艙，因此 “機艙的大腦”——監測報警系統也就成為人們越來越關注的焦點。機艙監測報警系統由最初的儀表式監測報警系統發展至今已經經歷了四個階段。

(1) 儀表式監測報警系統階段。

早在20世紀初期，船上就出現了一些簡單的儀表作為監視和報警系統的主要部件。輪機員下到機艙在機旁觀察、記錄儀表上的參數。此時期的機艙監測報警系統各自獨立成為一個單元。這種分散式的監控系統自動化程度比較低，既加重了輪機員的工作負荷，又影響各自數據間的互通。

(2) 集中型監測報警系統。

20世紀70年代出現了集中型監測報警系統。其特點是用一臺運算速度快，功能強大的計算機對整個系統進行集中監測。送到計算機的信號都是通過電纜傳輸的，電纜之間的抗干擾能力必須得到充分的保證。為此采用屏蔽電纜使得經濟成本急劇增加。且監測報警中心的計算機一旦故障癱瘓，整個監控系統就會失靈，導致船舶失去控制。這時，救援船不能及時趕到，后果將不堪設想。

(3) 集散型監測報警系統。

為了克服一臺計算機失控導致全船遇險的問題。20世紀80年代，人們開發了集散型監測報警 系統。將監測任務分散到多個子系統內,再由主機進行集中管理。整個監測報警系統由多個微型處理機組成。上位機負責集中監視和操作，下位機(控制站)負責將下層信號處理單元采集的數據進行顯示和管理，并送到上位機。上位機與下位機之間通過網絡線連接，從而顯著減低了電纜敷設成本以及施工的麻煩。但控制站與信號采集單元之間仍然采用4～20 mA的模擬信號進行通信。實則控制站這個中間層的作用類似于集中型監測報警系統的監控中心，如果出現任何問題，整個系統也將會失去監測報警功能。

(4) 全分布式監測報警系統。

全分布式監測報警系統，即現場總線監測報警系統(簡稱FCS)。20世紀90年代后期，機艙監測報警系統采用日漸成熟的現場總線，這種高度開放、互操作與互用性強、系統結構高度分散、現場環境適應性好的控制網絡將各個單元連接起來。這樣可以很好地實現各個單元之間的資源共享，更加增強整個系統的可靠性[5]。現場總線全分布式系統的出現推動整個船舶機艙綜合控制信息系統向更加自動化的方向發展。

1.2機艙監測報警系統的國內外發展現狀

國內主要由高校和研究所聯合開發的相關產品有：STL-06A集中監測報警系統；基于無線以太網技術的船舶機艙監測報警系統；研究所獨立研發的CY8800網絡型機艙監測報警系統；基于LonWorks現場總線的STI-VC2100MA；企業獨立開發的基于CAN總線的CJBW3100系列船用監測報警系統。

國外的相關產品主要集中在日本、德國、挪威。例如日本的CAT系統；德國的SISHIP IMAC 系統；挪威的K-Chief 系列產品。其中，以挪威Kongsberg公司的監測報警控制系統最為世界矚目。從最初的DataChief C20監測報警系統到后來的K-Chief 500、K-Chief 600、K-Chief 700，逐步朝著網絡化、模塊化、智能化、綜合化[6]的方向發展。

2K-Chief 700系統概述

K-Chief 700分布式監控系統是當前最安全最可靠、功能最為強大的船舶自動化系統之一。它基于AIM-2000軟件。系統有自我診斷功能，可以連續地監測所有的系統組件和網絡通訊。一旦出現故障，就會產生報警和糾錯的動作。它還具有大量的現場回路及接地故障監測功能。同時，K-Chief 700分布式監控系統支持多層面的冗余，例如電源、I/O模塊、通訊網絡等。K-Chief 700系統在K-Chief 600系統的基礎上更加注重集成化和模塊化技術的提高，可與Kongsberg的K系列產品(K-Pos、K-thrust、K-Gauge、K-Safe、K-Pro)進行無縫對接。由于系統內部由模塊化硬件和模塊化應用軟件組成，可以為用戶提供標準化接口和直觀用戶界面。模塊之間均可任意組合，可將其放到分站，也可以放到第三方的控制箱里，從而為船舶的特殊要求提供最佳的解決方案。這種強大的可定制的功能能滿足復雜船只的特殊要求，如鉆井船和勘探船、液化氣船、大型游艇和巡航船，以及浮式儲運生產裝置等[7]。K-Chief 700系統的結構原理如圖1所示。其主要配置如下。

2.1操作站

通常不止一個操作站(Operator Station,簡稱OS)安裝在自動化系統里。他們和通訊網絡、過程網絡、管理網絡相連。收集和顯示來自于各個分站的數據，并備份分站的數據。操作站主要由計算機、顯示器、操作面板和打印機等組成，可以集中控制和監測船上的設備。對現場設備進行遙控控制，及時地進行故障應答，系統參數修改等。標準配置是集控室2臺，駕駛室1臺，其他艙室根據具體要求配備。

2.2分站

分站(Field Station,簡稱FS)由遙控控制(RCU)模塊和遙控輸入輸出(RIO)模塊滿足特定需求組合而成。RIO負責現場設備信息的采集，提供現場設備和自動化系統之間的信號連接。而RCU負責對應用數據進行處理。RIO模塊之間通常由冗余的RBUS總線連接，而RCU模塊是RIO與操作站之間的接口，可以連接到以太網、Profibus或RBUS。

RBUS是基于RS-485的串行通信總線。具有大約6 Mbit/s的通訊速度。并且要求中繼器之間的距離必須大于300 m。

2.3網絡

K-Chief 700分布式監控系統采用雙冗余網絡連接操作站和分站，不同物理區域的網絡分別和網絡分配單位(NDU)連接以確保實現冗余設計。NDU采用壁式安裝，包括轉換器、網關和接線板。可以和光纖，屏蔽雙絞線網絡電纜之間進行簡單有效地聯系。

K-Chief 700分布式監控系統雙冗余網路必須具有以下重要特點。

圖1　K-Chief 700 系統結構原理圖

(1) 重要的信息必須發送到兩個網絡。

一旦一個網絡出現電纜損壞、網絡交換機故障、網絡接口異常等情況，不會影響剩余網絡的正常工作。

(2) 網絡電纜按防火分區分開敷設，以至同一區域失火不影響整個網絡正常通信。

(3) 其中一個網絡癱瘓，剩余網絡數據傳輸不會延遲。

(4) 來自于操作站的管理數據通信使用第三方網絡連接，獨立于雙冗余網絡。

2.4歷史工作站

歷史工作站是一臺連接到網絡的計算機。它包括操作站軟件，也包括過程處理儲存的數據庫。歷史工作站除了可以和過程網絡連接外，還可以連接到管理數據網絡，從而提供了一個和其他系統和裝置的連接接口。

2.5信息管理系統

信息管理系統使用標準工業接口能交換船岸上的信息?？梢栽u估管理網絡上傳輸的實時數據。自動化系統中產生的報告可以發送到船上的辦公網絡、船上的郵件系統以及岸上。

2.6打印機

一些操作站可以直接和打印機相連用于打印事件和報警信息。操作站也可以連接到一個或者更多的網絡打印機。具備彩打功能的網絡打印機能清晰地打印出操作站上當前的報警圖像。

327 500 m3LNG船監測報警系統

3.1船舶簡介

SOE DRAGON 27 500 m3系列液化天然氣(LNG)運輸船，是由兩臺W?rtsil?50DF雙燃料主機配以調距槳驅動的LNG運輸船，具有世界上最大的獨立C型雙體罐，采用Kongsberg的K-Chief 700綜合自動化系統，簡稱IAS(Integrated automation system )，如圖2所示。

該船獲得EP, Green Passport入級符號，符合EEDI以及最嚴格的NOx和SOx Tier III的要求。按BV現行規范規則設計、建造、并受之檢驗，取得BV船級符號。船舶基本參數如表1所示。

3.2K-Chief 700系統在27 500 m3LNG船上的應用

K-Chief700系統作為全船的中央監測報警系統，整合船舶區域與液化天然氣貨物區域的監測報警功能于一體。拓撲圖如圖3所示。

圖2　27 500 m3 LNG 運輸船總圖

總長Loa178.00m設計吃水Td8.30m垂線間長Lpp168.40m結構吃水Ts9.40m型寬B26.60m服務航速～16nm型深D17.80m續航力(燃油模式)23d續航力(天然氣模式)26d總噸位GT22887航區無限航區凈噸位NT6866干舷5.41m

圖3　27 500 CBM K-Chief 700系統拓撲圖

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此系統一共采集報警和控制點近2 500個，其中Modbus IO信號1 580點(主要包括主機、發電機的Modbus TCP/IP IO點1 346個、壓載水處理裝置Modbus RTU IO點23個等 )，硬點信號874個(主要包括配電板信號點266個、遙控閥信號點136個、96點液位顯示及設備的報警信號等)。由7個自動化操作站(Operator)(駕駛室1個、貨控室2個、集控室2個、船長辦公室1個、輪機長辦公室1個)，10個監測報警處理分站(Field Station)，以及延伸報警單元等組成。全船的所有數據都通過監測報警處理分站(位于集控室、貨控室、機艙A平臺、機艙B平臺、機艙底層)中的信號采集模塊收集并處理。分站通過TCP/IP協議與工作站之間通訊，將信息送到工作站，工作站再通過已經編輯優化好的軟件對收集的數據進行處理。最終，通過所在操作站的MIMIC圖顯示出來。操作者可以用鼠標點擊關注事件實現諸多功能。例如，電站自動化、機艙監測報警、液位監測以及液貨系統中對泵、閥、壓縮機、加熱器和液化氣罐的液位控制和監控功能等。

K-Chief700系統具有整合第三方的強大功能。本船將輸入輸出模塊安裝在配電板以及閥門遙控箱內。因此系統不僅用于機艙監測報警控制，還綜合了閥門遙控、液位遙測、延伸報警、橋樓報警、輪機員安全報警以及功率管理系統(PMS)等功能，進一步提高了全船的自動化程度，真正地實現了船舶數據共享、實時控制、數據備份、控制功能冗余的設計理念。同時，因為K-Chief 700系統自帶權限設置功能，系統內7個操作站由于各自功能職責不同權限也不盡相同，根據自身不同的權限等級實現以上功能，從而既可以實現數據共享，又能實現有序控制。

4結論

船舶監測報警系統發展到今天的K-Chief 700已經不只局限用于機艙。正朝著“駕機合一”、“船岸一體化”發展。正由于K-Chief 700系統功能十分強大，目前商船應用還很少。該系統在27 500 CBM雙燃料液化氣船上的應用尚需進一步開發。例如可以將CCTV系統、火警和氣體探測系統整合到K-Chief700里，使船舶自動化程度得到進一步提高。

參考文獻

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[6]曹紅京.基于CAN總線的T50A船機艙自動化系統應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

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Research and Application of Electrical Automation K-Chief 700 System in 27 500 m3LNG Ship

WANG Dan-dan

(Sinopacific Offshore & Engineering, Shanghai 200052, China)

AbstractBase on analyzing the development and researches at home and abroad of engine room monitoring & alarm system, focusing on studying the K-Chief 700 system of Kongsberg Company, including system configuration and function. The article is based on W?rtsil? 50DF dual fuel engine 27 500 m3 LNG, introduces the application of K-Chief 700 system and proposes the proposal of extent function of K-Chief 700. This research will provide certain reference for other monitoring and alarm system of dual fuel engine LNG carriers.

KeywordsK-Chief 700Natural gasDual fuelMonitoring & alarm system

中圖分類號U665

文獻標志碼A

作者簡介：王丹丹(1983-)，女，工程師，主要研究方向為船舶電氣詳細設計。