船舶輔機監(jiān)控系統(tǒng)方案

喻俊峰

(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

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船舶輔機監(jiān)控系統(tǒng)方案

喻俊峰

(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

針對船舶輔機信息化和自動化發(fā)展需求，提出一種適用于大中型船舶輔機監(jiān)控系統(tǒng)方案，分析設置輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)的必要性，以及輔機監(jiān)控系統(tǒng)功能、設備組成和體系結(jié)構(gòu)，介紹輔機的監(jiān)測和控制信息流程、接口。

船舶；輔機；監(jiān)控；方案

具備對主要輔助設備(以下稱輔機)監(jiān)測報警能力是艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一[1]。目前在用的水面艦艇已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對重要輔助機電設備(如消防泵、發(fā)電機、舵機等)的監(jiān)測、報警和控制[2]，而未能對而其他日常使用較多的輔機進行監(jiān)控管理。這些輔機包括有空調(diào)器、通風機、海水淡化裝置、水質(zhì)后處理裝置、供水裝置、生活污水處理裝置、空壓機、油污水處理裝置、冷卻泵、輔鍋爐、遙控閥件、傳感器等[3-4]。這些設備分布在全船的所有位置，數(shù)量大、分布廣。所有輔機對所屬系統(tǒng)的運行有著或大或小的影響，需要及時處理故障。傳統(tǒng)的輔機管理辦法是安排船員值班巡視，記錄每個輔機的運行狀態(tài)，排查故障。隨著船舶技術(shù)地不斷發(fā)展，船舶噸位和體積越來越大，信息化和自動化需求愈發(fā)迫切，這種傳統(tǒng)的管理方式逐漸趨于落后，需要建立全船性的輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)[5]。

1 功能

1.1 空調(diào)通風設備監(jiān)控

對具備通風功能的設備，如組合式空調(diào)裝置、直接蒸發(fā)式空調(diào)裝置、新風空氣處理機組、廚房空調(diào)裝置、糧食庫空氣處理裝置、分體式空調(diào)器、離心式通風機及管道風機，等，進行運行狀態(tài)監(jiān)測、故障報警及遙控啟停。

對射流送風冷卻裝置、循環(huán)通風裝置進行狀態(tài)監(jiān)測和故障報警。

對與其他特殊系統(tǒng)有聯(lián)動關(guān)系的風機、空調(diào)器進行狀態(tài)監(jiān)測和故障報警。

對水密區(qū)內(nèi)受監(jiān)控的空調(diào)通風設備進行按水密段整體遙控啟停。

通過對一個空調(diào)區(qū)(含空調(diào)裝置及其配套的通風機)或相互匹配的進、排風機進行啟停邏輯的聯(lián)動設置，實現(xiàn)空調(diào)區(qū)的整體啟停控制，保持風量平衡。

在重要部位或艙室設置溫度計，本地顯示溫度并將信號傳輸至集中監(jiān)控部位。

對于艙室的獨立式空調(diào)柜機、風機盤管保留人工操作控制的形式。

1.2 冷媒水設備監(jiān)控

對冷水機組、冷媒水泵組及冷卻水泵組進行運行狀態(tài)顯示及綜合故障報警，對冷水機組冷媒水進出口溫度、流量進行實時監(jiān)測。

對冷媒水管網(wǎng)進行狀態(tài)監(jiān)測，對冷媒水管路的隔斷閥進行開/關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及綜合故障報警，對各主要支路上的冷媒水流量、溫度進行實時監(jiān)測。

實現(xiàn)對冷媒水管網(wǎng)的監(jiān)測與控制，根據(jù)冷媒水管網(wǎng)的運行狀態(tài)，對冷媒水管路的隔斷閥進行開/關(guān)控制，實現(xiàn)冷媒水官網(wǎng)斷開與合并。

1.3 冷藏設備監(jiān)測

對高溫庫冷藏裝置、低溫庫冷藏裝置及冷卻水泵進行運行狀態(tài)顯示和綜合故障報警。

對氣調(diào)保鮮裝置進行運行參數(shù)顯示(氧濃度、二氧化碳濃度、濕度)、故障報警及求救報警。

對低溫庫(魚、肉庫)、高溫庫(蔬菜區(qū)、瓜果區(qū))庫溫進行實時監(jiān)測。

對冷庫艙門開關(guān)狀態(tài)進行監(jiān)測。

1.4 環(huán)境污染控制設備監(jiān)測

對油污水處理裝置、生活污水處理裝置進行運行狀態(tài)顯示、水質(zhì)超標報警和綜合故障報警。

對油污水艙、灰水艙、中水艙的液位進行監(jiān)測報警。

1.5 日用水設備監(jiān)控

對反滲透海水淡化裝置、水質(zhì)后處理裝置、變頻供水裝置、熱水柜進行運行狀態(tài)顯示和綜合故障報警。

對調(diào)駁泵進行運行狀態(tài)顯示、綜合故障報警和啟停控制。

對淡水補給、調(diào)駁和供水管路上的主要閥門進行開閉狀態(tài)監(jiān)測和控制，遙控實現(xiàn)淡水艙調(diào)撥、岸補、循環(huán)消毒。

對淡水艙液位進行顯示及高、低液位報警。

對各供水支管的淡水耗量進行實時監(jiān)測。

1.6 日用蒸汽設備監(jiān)測

對輔鍋爐進行狀態(tài)監(jiān)測和故障報警。

對日用蒸汽管路上減壓前蒸汽壓力以及減壓后各集管內(nèi)的蒸汽壓力進行實時監(jiān)測。

1.7 壓縮空氣及氮氣設備監(jiān)測

監(jiān)測壓縮空氣供氣模塊、氮氣瓶的壓力。

顯示制氮裝置運行狀態(tài)，綜合故障報警。

1.8 其他輔機

對航機、陰極保護裝置、防污裝置等進行運行狀態(tài)顯示和綜合故障報警。

2 系統(tǒng)組成

鑒于輔機的分布特點，集中監(jiān)控系統(tǒng)采用典型的分布式測控架構(gòu)，分層采集和控制，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。全船設立一個集中監(jiān)控臺，實現(xiàn)對輔機運行狀態(tài)的監(jiān)測、故障報警和控制，區(qū)域監(jiān)控箱可按防火區(qū)或水密區(qū)設置，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)輔機監(jiān)控信息統(tǒng)一采集轉(zhuǎn)發(fā)。現(xiàn)場采控模塊根據(jù)輔機布置位置現(xiàn)場分布，還可作為區(qū)域監(jiān)控中繼設備，用于解決輔機與區(qū)域監(jiān)控箱之間距離過遠造成較大信號衰減問題。另外在管路、艙室設置一定數(shù)量的溫度、壓力、流量傳感器，實時測量輔助系統(tǒng)運行的狀態(tài)，如重點艙室的溫度、壓縮空氣瓶壓力、日用水管路流量、冷媒水管路溫度和流量等。

輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)見表1。

表1 輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)組成

3 體系結(jié)構(gòu)

輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)采用總線主干網(wǎng)和區(qū)域子網(wǎng)的雙層網(wǎng)絡架構(gòu)。上層為總線主干網(wǎng)，由集中監(jiān)控臺、區(qū)域監(jiān)控箱組成，提供輔助系統(tǒng)的監(jiān)測信息和控制指令的傳輸通道。區(qū)域子網(wǎng)為下層網(wǎng)絡，按照分區(qū)采集的原則，進行區(qū)域輔機設備的信息采集和控制指令輸出。區(qū)域功能子網(wǎng)將區(qū)域信息集中打包處理，通過總線以太網(wǎng)與輔機集中監(jiān)控臺進行信息交互。

輔機監(jiān)控系統(tǒng)的組成設備分為3層[6]，體系結(jié)構(gòu)見圖1。

監(jiān)控管理層設備由集中監(jiān)控臺組成，是輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互的接口，通過總線以太網(wǎng)獲取各區(qū)域的輔機監(jiān)測數(shù)據(jù)，以友好人機界面的形式顯示全船輔機的啟停運行狀態(tài)，對故障進行聲光報警，實現(xiàn)對輔機的遠程控制操作。

區(qū)域采集控制層是輔機監(jiān)控的中間層，由區(qū)域監(jiān)控箱、現(xiàn)場采控模塊及區(qū)域子網(wǎng)組成，區(qū)域子網(wǎng)是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，區(qū)域監(jiān)控箱與現(xiàn)場采控模塊通過總線相連，將區(qū)域內(nèi)輔機的監(jiān)控信息集中處理，現(xiàn)場采控模塊根據(jù)輔機的分布現(xiàn)場布置，可解決輔機位置分散的問題。

現(xiàn)場設備層含分布在管路上以及末端的壓力、流量、溫度傳感器和遙控閥件，為輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)提供輔助系統(tǒng)運行狀態(tài)信號和控制接口，如提供開關(guān)量、模擬量信號或通信的輸入輸出。開關(guān)量規(guī)格為DC24V，模擬量規(guī)格為4～20 mA，通信接口統(tǒng)一為RS485，可以覆蓋大多數(shù)的設備監(jiān)控信號。

4 工作流程

4.1 監(jiān)測流程

現(xiàn)場采控模塊就近安裝，將采集到的輔機設備信息通過區(qū)域子網(wǎng)傳遞到區(qū)域監(jiān)控箱，區(qū)域監(jiān)控箱將上述信息解析，轉(zhuǎn)換為總線主干網(wǎng)通信協(xié)議格式，提供給輔機集中監(jiān)控臺進行訪問。輔機集中監(jiān)控臺從主干網(wǎng)采集到上述信息，進行數(shù)據(jù)處理，分類顯示輔機運行信息和傳感器信息，對故障進行報警，統(tǒng)計輔機運行狀態(tài)、傳感器測量數(shù)據(jù)等資源的監(jiān)測信息，進行綜合分析，為輔機系統(tǒng)的運行管理提供輔助決策建議。

對于報警信息，按照重要程度賦予不同的報警優(yōu)先級，優(yōu)先級由高到低分別為：冷庫呼叫報警、液艙液位高低位、超高位及蒸汽減壓閥組超壓報警、監(jiān)控對象設備的故障報警及輔助監(jiān)控系統(tǒng)自身設備的故障報警。

4.2 控制流程

輔機監(jiān)控系統(tǒng)的控制分為二級，集中控制為第一級，為最頂層的控制，區(qū)域控制為第二級控制。集中控制功能在輔機監(jiān)控臺實現(xiàn)，輔機集中監(jiān)控軟件接收來自控制面板(人機交互界面)的控制指令，將命令發(fā)送到主干網(wǎng)上，區(qū)域控制單元接收命令數(shù)據(jù)報文，解析上述報文，進行相關(guān)邏輯控制運算，將上述命令通過區(qū)域現(xiàn)場總線發(fā)送給相應的現(xiàn)場采控模塊，現(xiàn)場采控模塊輸出控制信號，對輔機設備實施控制。

區(qū)域控制功能由區(qū)域監(jiān)控箱完成，適用于本區(qū)域內(nèi)的所有通過現(xiàn)場采控模塊、區(qū)域監(jiān)控箱進行數(shù)據(jù)采集的輔機設備。區(qū)域監(jiān)控箱提供控制按鈕(或人機界面的軟按鈕)對這些設備進行第二級的控制，控制指令經(jīng)過必要的邏輯運算，發(fā)送到現(xiàn)場采控模塊，由現(xiàn)場采控模塊對相應的端口輸出電信號，實現(xiàn)對設備的控制。

在被控設備的控制部位設置“遙控/本控”轉(zhuǎn)化開關(guān)，當在“遙控”狀態(tài)下，控制箱接收集中監(jiān)控系統(tǒng)控制指令進行設備的啟停操作，本控功能屏蔽；當在“本控”狀態(tài)下，具備本地手動的控制開啟、關(guān)閉功能，不再接受集中監(jiān)控系統(tǒng)指令，遙控功能屏蔽。

5 接口

輔機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控設備按接口類型分為2類，一類通過硬接線連接，其接線規(guī)格與監(jiān)控信號的數(shù)量相匹配，如1對無源觸點或1個壓力信號對應2芯線。這類的接口適用于監(jiān)控信號較少，或不具備通信功能的設備，如風機、泵、壓縮空氣供氣模塊(氣瓶)、遙控閥、溫度計及流量計等。

另一類設備通過通信線連接(如RS485)，其接線規(guī)格固定，可傳輸較多的監(jiān)控信號，適用于監(jiān)控信號較多且具備通信功能的設備，如組合式空調(diào)裝置、冷藏裝置、冷水機組及氣調(diào)保鮮裝置等。

由于輔機監(jiān)控的人機操作接口通過軟件實現(xiàn)，輔機監(jiān)控臺可集中處理輔機的監(jiān)控報警信息，軟件按系統(tǒng)進行界面劃分，以便于對該輔助系統(tǒng)的管理，見圖2～圖4。

6 結(jié)論

基于主干網(wǎng)和區(qū)域子網(wǎng)的分布式的輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)方案可適用于輔機數(shù)據(jù)較多的大中型船舶，有利于提高對全船輔機的監(jiān)控管理能力，提高輔機的運行效能和故障保障能力，減少船員的工作強度，提升全船的信息化和自動化水平。

該輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)的組成設備功能和接口形式，由于市場產(chǎn)品的多樣性，未直接規(guī)定設備的具體型號，僅進行原理性描述。輔機集中監(jiān)控系統(tǒng)的設備可采用成熟的商業(yè)產(chǎn)品，在滿足接口和功能的前提下，選用合適的型號。系統(tǒng)的功能可根據(jù)實際設計情況進行適當調(diào)整。

[1] 海軍規(guī)范所.艦船通用規(guī)范GJB4000—2000 [S].北京:總裝備部軍標出版社,2000.

[2] 韓偉,周佳宇,劉克榮.艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的設計考慮[J].中國艦船研究,2007，2(5)：58-62，71.

[3] 陳可越.船舶設計實用手冊[M].北京:中國交通科技出版社,2007.

[4] 邵開文,馬運義.艦船技術(shù)與設計概論[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[5] 姚斌,龐之洋,梁述海.基于Web的機艙遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].中國艦船研究,2009,4(3)：66-69.

[6] 陶偉,曹宏濤,周紀申.艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].中國艦船研究,2012,7(1)：57-60.

On the Scheme of Monitoring and Controlling System for Ship Assistant Electromechanical Equipment

YU Jun-feng

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

According to information and automation development needs for the monitoring and controlling the assistant electromechanical equipments, a scheme to supervising the assistant electromechanical equipments was set forth for ships. The necessity of the electromechanical equipments' centralized supervising system was discussed, as well as its function, constitute and structure. The information flow and interfaces of this system was introduced also.

ship; assistant electromechanical equipments; monitoring and controlling; scheme

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.025

2017-01-08

國家部委基金資助項目

喻俊峰(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶輔助系統(tǒng)設計

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0109-04

修回日期：2017-03-07