電機集中管理系統在船舶上的設計應用

王福利，郭力峰

（1. 上海交通大學，上海 200030；2. 中國艦船研究設計中心，上海 201108）

電氣與自動化

電機集中管理系統在船舶上的設計應用

王福利1,2，郭力峰2

（1. 上海交通大學，上海 200030；2. 中國艦船研究設計中心，上海 201108）

結合一種基于CAN總線技術的全船電機監控設備，設計一套船舶電機集中管理系統。介紹該系統的設備組成、功能實現特點等，為傳統的船舶平臺管理系統設計提供一種與以往不同的方法。

船舶；電機；CAN；集中管理

0 引 言

隨著現代船舶在電氣化、自動化領域快速發展，電機設備在各系統中得到大量應用。在傳統設計中，船舶電機的控制除了成套設備自帶控制系統以外，大多采用單獨配置啟動裝置的方式進行監測、控制及保護。在日常使用維護和管理中，由于電機設備及其啟動裝置布置分散，若不具備統一管理功能，則需船員在實際操作使用中付出較大的勞動。

目前，民用船舶設計廣泛采用全船平臺管理系統，該系統將船舶平臺歸為一個系統整體，并對系統內的各設備進行在線監測和集中管理，對船舶平臺運行功能平穩、人員實時性介入控制要求不高的船舶（如遠洋運輸船等）較為適用。對于一些特殊船舶（如海洋執法船），其在運行過程中會面對各種復雜工況，采用與一般船舶類似的平臺管理系統不足以針對各種需求作出實時反應，需值班人員在相應位置處迅速介入管理。在這種情況下，可通過對涉及船舶安全的防火、滅火、抑爆及通風機、供油泵等系統設備進行信息互聯與控制，以保障船舶安全為目的，以監測及控制全船電機運行狀態為手段，構建全船電機集中管理系統，以船舶平臺管理系統分系統的形式進行獨立監控，這既能保證全船日常的統一管理，又可在復雜工況下控制人員有針對性地實時介入。

1 電機集中管理系統

船舶電機集中管理系統是一種基于工業級計算機、現場總線微處理的網絡控制系統[1-2]。該系統按照分散控制、集中管理的設計理念，將傳統設計中啟動器直接控制的一級管理模式附加高一級的管理設備，形成二級管理系統，向原啟動器內植入微處理器采集控制模塊，并通過現場總線網絡進行連接，將所有信息通過網絡傳輸并在具有控制功能的集中管理設備上進行顯示和控制。

電機集中管理系統主要由集中管理設備和智能啟動器等設備組成（見圖1），具有較完善的用戶自定義功能。用戶可針對不同的負載設定電機的各種保護參數，在控制上設定電機的順序啟動，分類、分組啟動及間隔時間，并實時監測電機的狀態信息，對重要信息進行存儲。

圖1 電機集中管理系統設備組成

在應用中，由電機集中管理設備對電機集中管理系統內各電機設備的運行參數進行集中顯示和管理，給管理人員帶來極大的便利。同時，可利用該系統的外部通信接口與其他系統建立信息交互[3]，從而擴展管理功能，并向相關系統發送其需要的電機控制決策信息。

2 系統設計及網絡組成

在某船舶中，獨立配置啟動器的電機類負載主要有風機和泵類，包括機艙通風機、艙室離心風機、油泵及水泵等，這些設備大多與船舶本身的消防系統有關。在傳統設計中，當發生火災時，確認火情后可通過遙切按鈕將機艙通風、油泵或全船通風機的供電切斷，以減緩火情蔓延、增強滅火效果。這種設計會在全船通風區域劃分和CO2（或其他滅火劑）滅火艙室較多的情況下使無關通風區域受到影響，增加遙切系統設計的復雜度。同時，在CO2（或其他滅火劑）系統無法獲知實際遙切效果的情況下，該系統的滅火效果可能會因通風系統的運行而大幅降低。

在該船的設計中，以電機集中管理系統的基本功能為依托，通過擴展功能接口，以總線通信的方式實現與火警探測系統控制主機、CO2滅火系統主機及主配電板等裝置的通信[4-5]。在電機管理網絡劃分中，為減少電纜敷設長度，根據總布置情況設置2個網絡，電機集中管理系統原理網絡圖見圖2。

圖2 電機集中管理系統原理網絡圖

該船的電機集中管理系統包含1臺嵌入式電機集中管理設備、2屏電機組合啟動屏、5臺通風啟動箱及若干獨立智能啟動器，管理范圍包括機艙通風機、油泵、冷卻海水泵、消防水泵、壓載泵及全船離心通風機等。主要電機啟動控制設備分布見表1。

表1 主要電機啟動控制設備分布

該船的消防系統主要有水消防系統、CO2滅火系統、水成膜泡沫滅火和固定式水基滅火系統（細水霧滅火），其中CO2滅火系統保護的范圍包括機艙、油料儲存間及航空加油站，在施放前需確認通風機是否已停止工作。

該船的火災探測系統采用帶有地址編碼的智能型火災探測器，能識別各監測艙室的信息，通過對全船監測點進行區域劃分，確保與通風系統劃分相對應。電機集中管理系統對系統內的風機和油泵按同樣區域劃分分組，實施區域化啟停控制。電機分組及對應關系見表2。

表2 電機分組及對應關系

3 系統功能

該船的電機集中管理系統管理的電機主要有風機、油泵及水泵等，能對每個電機設備進行保護參數設定、區域化管理和在線監測等，同時與火警探測系統主機、CO2滅火系統主機及損管監控系統進行信息交互，根據不同的信息類型實時聯鎖提示操作。

3.1 基本參數設定

傳統的電機控制設備通常采用在電源線路中接入帶有電磁脫扣單元的塑殼式斷路器配合熱磁繼電器的方法，基本能實現電機短路保護和過載保護，但這種電子元器件本身存在一定的動作誤差，且在人為整定過程中精準度較差。

電機集中管理系統采用穿芯式電流互感器采集電機的運行電流，對電機提供過載保護、堵轉保護及不平衡保護等多種完善的保護功能，可根據不同的負載特性設置不同的保護特性曲線。過載保護基于電機熱保護的反時限特性算法模型，相比傳統的熱繼電器，保護更精確可靠。在控制策略上，既可對每個電機進行單獨控制，也可設定電機的啟動順序，分類、分組啟動及其間隔時間，并實時監測電機的輸入電流、運行狀態等信息，對重要信息進行存儲。電機保護參數設定和分區模擬監控分別見圖3及圖4。

圖3 電機保護參數設定

圖4 分區模擬監控

3.2 分區域啟停控制

在某些特定的環境下，需對船舶某區域內的電機設備執行全部停止或遙控啟動操作。例如，《中國海警艦艇入級規范》[6]中有關損害管制功能的明確要求，即“設有遙控關閉主機艙、鍋爐艙、輔機艙、直升機機庫的機械通風機及燃油泵與燃油速關閥的設施,還應設有這些風機、泵的運行狀態的指示燈。通風機、燃油泵、燃油速關閥亦可分區遙控啟閉”。由此可知，通過切斷設備的供電電源實現風機和油泵關閉功能的傳統設計較難實現“分區遙控啟閉”功能，而電機集中管理設備的分區控制功能則能很好地實現該功能。

例如，當全船某處發生火災時，火警控制主機將火警所屬區域的信息發送給電機集中管理設備，電機集中管理設備自動切換到該區域的分區風機停止詢問界面并發出音響報警提示，操作人員確認后即可停止該區域內所有的通風或油泵設備，在保證切斷失火區域通風或油泵設備的同時，降低火災的影響范圍。電機設備分區域順序啟動可大幅度降低工作人員的勞動強度，保證電網品質不受疊加沖擊電流的影響，如在集中管理設備上實現全船風機設備的啟動控制等。電機分區停止和分區啟動分別見圖5及圖6。

圖5 電機分區停止

圖6 電機分區啟動

3.3 聯鎖控制

電機集中管理系統與損害管制監控系統及CO2滅火系統均建立數據交互，當損管系統進行風機、油泵的遙切控制或滅火系統施放時，電機集中管理系統同時發出相應電機的停止指令，從而實現該電機在控制設備和電源上的雙重停止。

4 結 語

電機集中管理系統具有較完善的電機控制和監測功能，以分散控制、集中管理為特點，既可根據不同電機的負載特性設定保護參數，也可根據實際使用需求對電機負載進行分類和分區控制。同時，其具有豐富的可擴展接口，能與船舶其他系統或設備形成很好的信息交互，執行對方發送的必要指令，發送電機負載運行狀態信息等，形成一套獨立的管理系統。該系統通常在全船平臺管理系統內統一管理，在應急狀況下將涉及船舶安全的火災探測、艙室滅火和風油遙切控制獨立管理，提升船舶應急狀態下的針對性管理，為傳統的船舶平臺管理系統設計提供一種不同的方法，具有較高的實際使用價值。

[1] 楊東升，張偉，吳宏，等. 基于現場總線和微處理技術的船舶電機集中監控系統[J]. 造船技術，2010 (6): 40-41.

[2] 侯馨光. 現場總線技術與船舶自動化[J]. 上海造船，1998 (2): 54-57.

[3] 湯天浩. 船舶智能化信息系統的探討[J]. 上海造船，2007 (3): 29-31.

[4] 嚴凡，郭小松，張燕琴. 船舶閥門遙控系統電氣設計優化與實踐[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (2): 45-48.

[5] 馬東旭，王海燕，王兆強. CAN總線技術在船舶主機遙控系統中的應用[J]. 造船技術，2011 (2): 53-56.

[6] 中國船級社. 中國海警艦艇入級規范[S]. 北京：人民交通出版社，2011.

Design and Application of Centralized Motor Management System on Ships

WANG Fu-li，GUO Li-feng

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China;2. China Ship Development and Design Center, Shanghai 201108, China)

A centralized motor management system is designed for the ship motor monitoring equipment based on CAN bus technology. This paper introduces the composition, the functions and the characteristics of the system in order to provide a distinctive method for the conventional ship platform management system.

ship; motor; CAN; centralized management system

U665.11

A

2095-4069 (2017) 05-0068-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.013

2016-11-25

王福利，男，工程師，1981年生。2005年畢業于東華大學電氣工程及其自動化專業，現從事船舶電氣專業技術方面的工作。