雙燃料集裝箱船LNG燃料系統監控系統設計

程紹堅，顧洪彬，燕辰銘，馬忠麗，李志鵬

1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137 2. 哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001 3. 成都信息工程大學 控制工程學院，四川 成都 610225 4. 西安航天動力測控技術研究所，陜西 西安 710000

在石油資源日益減少、環境保護問題日益嚴峻的環境下，LNG作為一種清潔、高效、儲量豐富的能源，已受到各國的重視。以LNG燃料為動力能源的船舶具有污染排放少、續航能力強、經濟效益好的特點，因而被越來越多的能源企業和航運企業所青睞[1-2]。

相對于傳統能源，LNG燃料其特殊的理化性質需要有針對性地對其設計燃料系統安全監控系統，以確保船舶運輸航行過程中設備及人員的安全[3]。目前，我國LNG動力船舶的規模已遠超世界各國，LNG燃料監控系統也有相應的發展。船舶安全監控系統可分為以下兩類：基于嵌入式的安全監控系統和基于PLC的安全監控系統，且以PLC作為控制器實現的自動監控報警功能居多。且多以內河小型LNG船舶為對象，在大型遠洋LNG燃料船的相關方面的研究尚不豐富[4-5]。為滿足未來需求，本文針對大型遠洋LNG燃料集裝箱船，對其燃料系統的監控系統設計提出了一套較為完備的方案，為相關研究和工程設計提供依據。

1 船型參數

本文所研究的對象為一艘在計劃設計中的LNG/柴油雙燃料集裝箱船，其運載量在20 000箱左右，其外型參數如表1所示。

因船舶規模大，內部結構復雜，以至于監控系統的執行元件和傳感設備分布在儲罐處所、機艙、駕駛室等多個區域，控制系統需要采用分布式控制和總線技術。本文從實際需求出發，根據現階段船舶結構設計規范，對燃料系統的監控系統進行了研究。

2 監控功能需求分析

本文所設計的監控系統需實現對現場設備運行狀態的有效監控，即對設備重要運行參數數據進行采集、處理、分析、顯示及記錄，同時能夠對設備運行狀態進行有效控制，當發生故障或緊急情況時能反饋給工作人員并做出應急響應[6-7]。此外，本設計針對的對象規模大、設備多、數據傳輸距離遠、燃料系統相對龐雜，其遠洋航行的需求致使本系統單次持續運行時間更長。

監控系統需要實現：1)監測燃料系統各項重要參數，如儲罐內液位、管系壓力等；2)顯示監控系統各設備實時參數及報警內容；3)支持常規控制系統中常見的通訊協議；4)自動控制設備以保證監測的各項數值在所設定的安全值域內，并在特殊情況發生時自動觸發應急措施；5)聲光報警，并通過總線傳輸報警內容并記錄。

監控系統結構及配置設計應能保證系統能全面覆蓋燃料系統的關鍵位置[8]，在設備選型方面兼顧經濟性和安全性，進一步提高系統整體的穩定性。

3 監控系統結構

雙燃料集裝箱船LNG燃料系統監控系統組成設備多樣，自動化程度高，按區域劃分可分為：FGSS燃料艙及操作間區域、機艙區域、機艙集控室和駕駛室4個區域，其控制系統結構主要分布在機艙、機艙集控室和駕駛室。

按子系統劃分可分為：加注及燃料倉系統、主供氣管路系統、BOG管路系統、通風系統、火災及燃氣探測系統、用氣設備、機艙集控室及駕駛室集中監控終端，監控系統結構如圖1所示。本文監控系統設計以子系統劃分為基礎進行研究。

圖1 監控系統結構

基于實際需求，設計得出區域劃分拓撲如圖2所示。機艙與機艙集控室直接采用RS485總線連接傳輸數據，機艙集控室和駕駛室之間用CAN總線連接傳輸數據[9-10]。

1.遠程監控模塊；2.通訊轉換模塊/遠程I/O采集模塊；3.通訊轉換模塊；4.加注/燃料罐安全控制模塊；5.主供氣管路安全控制模塊；6.通風風機安全控制模塊；7.用氣設備安全模塊；8.BOG管路安全控制模塊；9.氣探火災安全模塊；10.主機ECU；11.發電機ECU；12.鍋爐控制圖2 監控系統區域劃分拓撲

機艙內主機、發電機以及鍋爐和機艙集控室用氣設備安全模塊以及可燃氣體探測器系統主機和氣探火災安全模塊，由依托于modbus RTU標準協議的RS485總線互聯。RS485通訊總線在4 800 b/s的理論傳輸距離為1 200 m，當波特率設為9 600 b/s的情況下，忽略其他因素的情況下，理論上能達到800 m，而連接的各設備與安全模塊之間的距離小于200 m，所以滿足系統通訊距離要求。

機艙集控室和駕駛室顯示終端與通訊轉換模塊由依托于modbus RTU標準協議的RS232總線互聯。考慮到通訊轉換模塊與顯示終端可能布置于一個箱體內，所以互聯電纜距離小于1 m，當波特率設置為9 600 b/s的情況下，忽略其他因素的情況下，RS232總線的理論傳輸距離能達到8 m，所以滿足系統通訊距離要求。

機艙集控室各控制模塊和安全模塊之間，以及機艙集控室與駕駛室遠程I/O模塊之間由依托于CAN2.0B標準協議的CAN總線進行通訊互聯。機艙集控室各模塊之間的距離小于1 m，機艙集控室模塊至駕駛室遠程I/O模塊之間的距離小于100 m，所以只需考慮兩者間的最大距離。當波特率設為250 Kb/s的情況下，忽略其他因素的情況下，CAN總線的理論傳輸距離能達到530 m，因此能滿足系統通訊距離要求。

4 監控系統設計規范要求

燃料系統監控系統的安全性、可靠性要與新型或類似的常規燃油動力系統所達到的水平相同。應設置合適的儀表讓工作人員能夠就近或遠程實現對重要參數的讀取，從而實現對設備的管理；應采取合適的通信設施將設備運行信息正確穩定地傳輸到各監控終端和記錄設備上[11]。

LNG特殊的理化性質使得其加注系統與傳統燃料存在明顯區別，因此本文選擇加注及燃料艙系統為例詳細闡述安全監控設計過程。

加注監控系統應設置在遠離加注站的安全位置，在此位置對燃料艙壓力、溫度和燃料液位進行監測，同時，在該位置實現報警和自動切斷。系統通過多個傳感設備對重要安全參數進行實時測量并控制在安全值域內。加注及燃料艙系統的監控系統設計應滿足以下規范要求：

1)每個燃料艙的氣相空間均有直接讀數壓力表，壓力表上已標明該艙允許的最大壓力和最低壓力。壓力表讀數在駕駛室、集控站和船舶安全中心設有間接指示，能在達到安全閥設定壓力之前觸發高壓報警和低壓報警。

2)在燃料艙底部、中部和設計的最高液位處均設有溫度測量及指示裝置。

3)液位通過燃料艙的液位測量裝置測量取得，該裝置能在燃料艙設計壓力和操作溫度范圍內正常工作，在燃料艙處于運行狀態時始終獲得液位讀數。每一個燃料艙都設有獨立的高液位報警裝置，在觸發后發出聽覺和視覺警報，獨立于報警裝置另一傳感器則自動啟動一個截止閥以避免燃料加注管路中產生過大液壓并防止燃料艙內被注滿。

4)加注燃料艙系統所有傳感器的位置能在交付使用前檢查確認。交船后以及每次干塢后第一次滿載均應該通過提升燃料艙內液位至報警點進行高位報警試驗。

5 監控系統設計

基于嵌入式的安全監控系統具有體積較小、成本較低且接口使用較為靈活的特點；基于PLC的安全監控系統抗干擾能力相對較強、可靠性高且控制功能強大[12]，技術相對成熟，因此本文設計過程選擇使用S7-300系列PLC作為控制器進行安全監控系統的設計，同時使用西門子Smart 700觸摸屏作為人機界面，Smart 700可使用串行接口與PLC通訊。

監控系統的設計主要包括上位機交互界面及PLC控制程序2部分。監控系統在現場有相對獨立的儀表，并通過總線實時傳輸測得的關鍵數據至上位機，將數據和報警情況顯示在控制程序界面，并可通過控制程序實現系統控制。如圖3所示為安全監控系統上位機交互主界面，設置狀態顯示控件，用于顯示當前系統工作狀態，針對每個子系統設置LED報警指示燈，若任一子系統出現故障情況，系統狀態顯示為“異常”，且該子系統前指示燈紅色報警，同時設置各子系統按鍵，便于用戶進入子系統界面查看子系統詳細參數及工作狀態。

圖3 監控系統主界面

5.1 加注系統故障及解決方案分析

加注及燃料艙系統如圖4所示[13-14]。首次充裝加液時，LNG儲罐內無液體燃料，因此安全系統會低液位報警，此時，屬于正常狀態，可人工消音，解除報警。結合實際LNG燃料重裝過程，分析加注系統可能出現的故障情況及響應解決方案。得出加注過程需要監測的參數為LNG儲罐壓力、儲罐內液位及燃料艙溫度。

圖4 加注及燃料艙系統簡圖

1)液位異常

液位異常情況主要包括高液位、高高液位、低液位3種。控制終端需要實時顯示LNG儲罐內液位，當觀測到駕駛室控制終端顯示液位達到高液位時，需關閉ESD01、ESD02、AV01、AV02、AV03，停止充裝操作。加注過程中，當LNG儲罐內液位值到達高液位設定值時，觸發監控系統實現聲光報警，此時工作人員應立即停止充裝。閥門按鈕功能如表2所示。

若液位到達高液位后，繼續充裝，直至液位到達高高液位值時，觸發監控系統發出聲光報警，并啟動應急切斷裝置，系統緊急切斷ESD01、ESD02，停止充裝。此外，供給系統運行過程中，若LNG燃料液位低于設定值時，說明燃料將要耗盡，系統應觸發聲光報警，提醒工作人員進行燃料的充裝或切換。

2)壓力異常

在燃料供給過程中，若LNG儲罐內壓力大于設定值，可能是由于管路堵塞引起，若不及時處理會出現儲罐損壞，導致燃料泄漏。此時，監控系統需要實現聲光報警，提醒工作人員進行相關設備排查。必要時開啟緊急釋放閥，排出儲罐內高壓氣體，防止出現安全事故。基于以上的分析，得出加注系統液位和壓力故障處理流程圖分別如圖5、6所示。

圖5 加注系統液位故障處理流程

圖6 加注系統壓力故障處理流程

加注系統進行燃料充裝時，監控終端能實時讀取液位數據，首先判斷系統是否為初次充裝，若是此時儲罐內液位低，系統觸發聲光報警，此為正常現象，手動解除報警后，系統繼續充裝即可。管內液位到達高液位指標時，系統觸發高液位聲光報警，提醒工作人員手動停止充裝過程，若工作人員沒有執行切斷操作，系統繼續加注至液位達到高高液位，則系統觸發聲光報警，同時啟動應急切斷措施。

加注系統工作時，壓力傳感器實時測量罐內壓力，并在監控終端顯示，當壓力低于設定值時，系統工作狀態正常，高于設定值時，應觸發監控系統高壓聲光報警，提醒工作人員進行泄壓操作，若無人為泄壓操作，則系統控制應急釋放裝置工作，自動泄壓。

5.2 加注燃料艙系統監控設計

本位以加注系統為例，設計針對其的安全監控系統，包括上位機交互界面設計及PLC控制程序設計2部分。圖7為加注系統監控交互界面。

圖7 加注監控界面

加注系統監控界面共分為2部分，即液位狀態監控及壓力狀態監控。設置狀態顯示控件及參數顯示控件，用于實時顯示儲罐內液位及壓力信息；設置LED指示燈，用于液位及壓力異常時的報警；設置“解除報警”按鈕，用于工作人員解除聲光報警；同時為了實現對加注系統的有效控制，設置相應的控制按鍵，用于操縱加注過程，必要時啟動應急切斷或應急釋放。圖8所示為部分PLC液位控制程序，液位傳感器將液位信號傳遞至控制程序，通過FC105將其轉換為實際液位值，并存存入MD08中，對設計信號通過邏輯判斷，當其低于設定值時，觸發上升沿檢測，同時發出脈沖信號，將輸出信號Q0.0置1，并觸發LED報警；同時使用輸出信號Q0.0及“JCBJ”開關量形成自鎖，保證在工作人員解除報警操作后關閉相應的報警裝置。

(a) 實際液位值轉換

(b) 邏輯判斷和報警圖8 PLC液位控制程序

圖9所示為部分PLC壓力控制程序，與液位控制程類似，控制程序將壓力傳感器信號轉換為實際壓力值，存入MD12中，當實際壓力值高于設定值時，觸發高壓報警，同時將壓力釋放閥輸出置1，控制啟動應急釋放裝置。

圖9 PLC壓力控制程序

6 結論

文章通過對安全監控系統的需求進行分析，按照現今行業標準，提出針對雙燃料集裝箱船LNG燃料監控系統的設計方案，使用PLC為控制器，以加注系統為例詳細闡述設計過程，分析系統通過過程中的可能出現的故障現象及相應解決方案，并據此設計PLC控制程序及人交互戶界面。結論如下：

1)本設計符合相關規范要求，并能滿足設計對象的安全需求，能夠實現穩定可靠的安全監控行為，可有效降低船舶運行風險；

2)本文設計成果具備極強的實用性，根據現有工程水平較易實現；

3)本文設計的針對燃料系統的監控系統可作為整船控制系統的子系統使用，可為其他LNG燃料系統安全監控的設計提供設計思路和依據。

在之后的研究和實際配置中我們會進一步改善本系統，研究并解決其間產生的實際問題。