海工船舶電氣自動化系統(tǒng)可靠性研究

摘要：在船舶行業(yè)當(dāng)前的發(fā)展中，電氣自動化技術(shù)是重點內(nèi)容，對其未來發(fā)展有著巨大的影響。船舶電氣自動化系統(tǒng)保障工程現(xiàn)代化程度較高，技術(shù)復(fù)雜性強，需要相關(guān)技術(shù)人員提高可靠性保障技術(shù)水平，加強各個船舶自動化設(shè)計與生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的聯(lián)系，進一步優(yōu)化完善船舶電氣自動化系統(tǒng)。基于此，本文在簡要介紹海工船舶電氣自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展，并提出相應(yīng)的可靠性保障技術(shù)措施，以提高船舶電氣自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：船舶電氣;自動化系統(tǒng);可靠性;技術(shù)措施

一、引言

系統(tǒng)在有限的時間和環(huán)境下，能夠有效滿足相應(yīng)功能性要求，即為系統(tǒng)可靠性。船舶電氣自動化系統(tǒng)具有較強的綜合性，涉及多個環(huán)節(jié)，技術(shù)難度較大。為了避免其不能正常運行，而影響船舶運行的安全性，需要加強對相應(yīng)保障技術(shù)的研究，采取有效措施，降低船舶發(fā)生故障的概率，進而促進系統(tǒng)能夠安全可靠運行。

二、船舶電氣自動化系統(tǒng)概述

（一）船舶電氣自動化系統(tǒng)分析

在21世紀(jì)之后，船舶電氣化不斷得到完善。隨著我國社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，再加上對國外先進技術(shù)的學(xué)習(xí)和借鑒，促使船舶電氣自動化技術(shù)水平不斷提升，取得了較大的進步發(fā)展。船舶電氣自動化技術(shù)功能的實現(xiàn)，主要依靠計算機技術(shù)，才能實現(xiàn)自動化操控、航行和裝卸貨。船舶自動化系統(tǒng)是一種具有較強綜合性系統(tǒng)工程，通過機艙的控制，實現(xiàn)整體的高效運轉(zhuǎn)。在這個過程中，電氣設(shè)備也在不斷優(yōu)化，當(dāng)前具有更強的通用性，便捷的系統(tǒng)一體化，并且具有較高的模塊化程度。通過機電一體化技術(shù)的發(fā)展，增強了船舶各個環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，各部分具有較強的交叉性。同時，隨著人工智能的不斷發(fā)展，為船舶領(lǐng)域的變革帶來了新的契機。

（二）船舶電氣自動化系統(tǒng)特點

首先，具有整體性特點。船舶電氣化系統(tǒng)涉及的范圍比較廣泛，包括設(shè)計、生產(chǎn)和運行等諸多環(huán)節(jié)。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)等先進技術(shù)的發(fā)展，促進其系統(tǒng)不斷優(yōu)化完善，自動化程度逐步提升。作為窗口的工作站，主要作用包含數(shù)據(jù)傳輸和信息交流，能夠保障船舶與外界的有效通信，進而確保船舶的安全運行。同時，隨著數(shù)據(jù)化技術(shù)的引進，加強了系統(tǒng)各個部分之間的聯(lián)系，有效提升了自動化程度。其次，具有綜合化特點。隨著各項技術(shù)的發(fā)展，增強了船舶電氣自動化系統(tǒng)不同模塊之間的聯(lián)系，使其更加通用化，并且組態(tài)更加靈活，其形式具有較強的綜合性。由于計算機技術(shù)的引進，提高了船舶電氣自動化操作的便捷性，各部分功能能夠靈活進行轉(zhuǎn)化，并且人機界面的操作非常方便，為船舶電氣自動化奠定了良好的基礎(chǔ)。同時，由于船舶性能之間存在的差異，導(dǎo)致其自動化系統(tǒng)也有一定區(qū)別，但由于其系統(tǒng)具有較強的綜合性，可以防止出現(xiàn)程序重復(fù)的現(xiàn)象，能夠有效保障系統(tǒng)的安全運行[1]。最后，具有網(wǎng)格化特點。由于總線技術(shù)的引進，再加上數(shù)字化技術(shù)的運用，使得數(shù)字化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格化。總線能夠集合各種信號線，是主要的信息交流通道。總線是一種雙層網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一部分為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，還有一部分為控制網(wǎng)，后者的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，通常采用分布式系統(tǒng)，以保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。對于船舶電氣自動化系統(tǒng)來說，網(wǎng)格化發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)對各種自動化技術(shù)的有效應(yīng)用，取代以往的人工操作，具有更高的工作效率，能夠確保系統(tǒng)的安全可靠運行。

三、海工船舶電氣自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

（一）海工船舶電氣自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀

在計算機技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，促使船舶領(lǐng)域電氣自動化程度不斷提升，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展與進步，有效促進了船舶電氣自動化的高速發(fā)展，促進行業(yè)整體電氣自動化水平的提升。同時，各個模塊具有更加完善的自動化功能，當(dāng)前主要的研究方向是整體設(shè)備的自動化。對于船舶行業(yè)來說，整體自動化并不是簡單的模塊組合，而是實現(xiàn)整體技術(shù)的統(tǒng)一，不僅各個模塊要實現(xiàn)自動化，還要將其整合到一起，實現(xiàn)整體設(shè)備功能的統(tǒng)一。現(xiàn)階段，我國基本已經(jīng)實現(xiàn)船舶整體自動化技術(shù)，但還存在一些不足，需要相關(guān)科研人員進一步進行研究分析，不斷促進船舶行業(yè)電氣自動化水平的提升[2]。當(dāng)前，GPS全球定位系統(tǒng)逐漸在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綉?yīng)用，在船舶領(lǐng)域也不例外。該行業(yè)對定位有著較高的要求，一旦不夠準(zhǔn)確，將嚴(yán)重阻礙該行業(yè)的發(fā)展。而GPS全球定位系統(tǒng)具有較高的精確程度，能夠大幅縮小定位范圍，將其應(yīng)用在船舶電氣化系統(tǒng)中具有較高的實用價值，能夠大幅提升船舶的計算精度，促進整體工作效率的提升。現(xiàn)階段，對于我國船舶領(lǐng)域來說，GPS全球定位系統(tǒng)已經(jīng)成為不可或缺的重要設(shè)備。

（二）海工船舶電氣自動化系統(tǒng)發(fā)展前景

隨著機電一體化的加速發(fā)展，使得各個行業(yè)之間的分工界限不再那么明確，同時，精確計算機技術(shù)的應(yīng)用，以及人工智能的發(fā)展，對船舶電氣自動化領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也推動了船舶領(lǐng)域的變革。一方面加強了對新能源的使用。當(dāng)前，為了減少能源消耗，降低對環(huán)境的污染，國家大力倡導(dǎo)新能源的應(yīng)用，這也提高了對工業(yè)生產(chǎn)的要求，節(jié)能環(huán)保是其需要達(dá)到的硬性指標(biāo)。船舶電氣行業(yè)也應(yīng)跟上時代的發(fā)展，積極優(yōu)化工作環(huán)境，加強對新能源的應(yīng)用，如太陽能和氫能源。太陽能不僅用之不盡，也不會產(chǎn)生污染。將氫能源用在太陽能電池中，能夠儲存能量。但要想這些能源有效應(yīng)用到船舶中，還需不斷進行探索研究，進而實現(xiàn)節(jié)能減排的作用[3]。另一方面，要加強對新工藝和新材料的應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展，各種新型材料不斷出現(xiàn)，也衍生出更多先進工藝，為電子器件的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。而隨著船舶電氣化水平的提升，電纜品種愈加多樣，其安全性和可靠性直接影響著船舶航行的安全性。因此，對于電纜的要求也不斷提升，不僅要具有良好的安全性，也要具有高強度的阻燃防火性能。在新時期，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，電纜的制造工藝也會有重大的突破，如通過使用高能高壓電子加速器，增加電纜分子間的作用力，提高其耐溫性和機械強度，確保其具備高度阻燃防火性，進一步增加電纜的使用年限。信息技術(shù)的進步，不斷拓寬船舶自動化的應(yīng)用范圍，提高其自動化技術(shù)應(yīng)用程度，促使其不斷朝著智能化發(fā)展，進一步提高其可靠化程度。

四、海工船舶電氣自動化系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施

隨著自動化技術(shù)的高速發(fā)展，對于當(dāng)前的船舶領(lǐng)域來說，應(yīng)重視船舶電氣自動化系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低發(fā)生故障的概率，保障系統(tǒng)的安全運行，這樣才能進一步促進船舶電氣化系統(tǒng)的發(fā)展。為了實現(xiàn)這一目的，要充分了解電力系統(tǒng)的組成。主要包括發(fā)電、用電以及配電等多個部分，并有直流和交流這兩種電流。在船舶各部分組成中，電力系統(tǒng)占據(jù)關(guān)鍵地位，其額定高壓直接影響電氣設(shè)備的質(zhì)量，也決定著其尺寸[4]。雖然可以提高其電壓，但也會帶來安全方面的問題，需要根據(jù)實際情況，合理確定配電系統(tǒng)的電壓等級。在此基礎(chǔ)上，才能有效保障電氣自動化系統(tǒng)的安全運行。

（一）電磁干擾技術(shù)

船舶本身具有一定的特殊性，安裝各種電氣設(shè)備的空間比較小，并且工作環(huán)境比較差，導(dǎo)致電氣設(shè)備經(jīng)常受到電磁干擾。在船舶正常運行的過程中需要使用強電設(shè)備，在開關(guān)設(shè)備的過程中，很容易受到干擾，并且通過電磁場時，也會受到電磁波的干擾，嚴(yán)重威脅船舶運行的穩(wěn)定性和安全性。電磁干擾的產(chǎn)生需要一定條件，首先，要具有相應(yīng)干擾源，并且其與電力系統(tǒng)之間存在傳輸介質(zhì)，另外，還需具有接收單元。要保障電氣自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，就需要使用電磁干擾技術(shù)破壞其中一個條件，或者也可以選擇使用敏感度更低的元器件。首先，交流電源是一種主要的干擾來源，為了有效降低這一干擾的影響，需要設(shè)置隔離變壓器，對電力設(shè)備進行獨立供電。同時，也可以將供電裝置專門放置到某處，與強電裝置隔離開，進而避免干擾對其產(chǎn)生影響。其次，可以改變傳輸介質(zhì)。通過干擾設(shè)備可以解決干擾問題，改變傳輸介質(zhì)也是一種有效的方法。在船舶電氣自動化系統(tǒng)中，信號傳輸?shù)穆肪€比較長，輸入部分和接收部分之間具有較遠(yuǎn)的距離，很容易受到電磁干擾。對此，應(yīng)改變傳輸介質(zhì)，以屏蔽電磁干擾[5]。

另外，船舶電氣自動化系統(tǒng)涉及諸多電氣設(shè)備，在接觸的過程中，受到各種因素的影響，會產(chǎn)生電磁干擾。對此，可以使用RC吸收設(shè)備，其在電壓的影響下，不會產(chǎn)生突變原理，進而降低發(fā)生電磁干擾的概率。通過電阻限制電容的方式，也能夠防止電磁干擾問題的產(chǎn)生。

（二）電力推進技術(shù)

該技術(shù)之前的適用范圍有限，只能使用在一些小型船舶中，但隨著電子器件的更新升級，以及計算機技術(shù)的發(fā)展，進一步拓展了電力推進技術(shù)的適用范圍。基于電力傳動的角度，可以將該技術(shù)分為兩種不同的類型，一種為交流傳動技術(shù)，還有一種為直流傳動技術(shù)，前者在近幾年得到快速發(fā)展，并逐漸取代了直流傳動技術(shù)。該技術(shù)在船舶電氣自動化系統(tǒng)在的應(yīng)用取得了良好的實踐效果，能夠有效保障船舶電氣自動化系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。在實踐應(yīng)用中，該技術(shù)主要通過推進系統(tǒng)和變頻器來實現(xiàn)交流的轉(zhuǎn)換過程。在交流轉(zhuǎn)換的過程中，需要根據(jù)船舶航行的設(shè)計情況，合理對交流推動機進行調(diào)整。在這一轉(zhuǎn)換的過程中，會受到輸出頻率的影響，應(yīng)將電機調(diào)整至低速運行狀態(tài)，以免影響船舶電氣自動化的可靠性。

（三）監(jiān)測與自動報警技術(shù)

通過利用機艙的自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測，也能完成自動報警，緩解了工作人員的工作壓力，提高了工作效率，能夠有效保障系統(tǒng)的安全運行。為了充分發(fā)揮自動監(jiān)測報警系統(tǒng)的功能，應(yīng)加強對綜合性自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，以實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，并有效排除故障。同時，該系統(tǒng)還具備故障預(yù)報的功能，能夠提前預(yù)測故障，降低發(fā)生故障的概率，進而維護系統(tǒng)運行的安全性[6]。另外，還需要開發(fā)DCS系統(tǒng)。對于監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通過有效控制現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，并借助微機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)快速報警。在自動監(jiān)測報警系統(tǒng)中，增加控制室和界面顯示等功能，并在機艙中建立分站，提高信息轉(zhuǎn)發(fā)效率。同時，可以將分站中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行收集匯總，然后將其傳輸?shù)街髡荆⑼ㄟ^計算機對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析處理。同時，在實際操作過程中，要針對具體問題進行深入分析，建立完善的處理機制，并整合監(jiān)測系統(tǒng)，對整體技術(shù)框架建立動態(tài)化分析模型。從綜合性和自動化等角度，展開系統(tǒng)化數(shù)據(jù)參照機制，找出其中存在的不足，進一步優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果，以提高自動監(jiān)測報警技術(shù)的實效性和可靠性。

（四）儲備冗余處理技術(shù)

為了保障電氣化系統(tǒng)的安全運行，該技術(shù)可以增設(shè)其中的并聯(lián)單元。在船舶電氣自動化系統(tǒng)中，一般設(shè)置三臺機組儲備，并且其基本功能不能存在較大的差異，這樣才能確保每個機組不僅能夠獨立運轉(zhuǎn)，也能互相作為儲備，以免影響系統(tǒng)運行的安全性。通常情況下，系統(tǒng)內(nèi)部的工作單位時單獨工作的，儲備單元也是單獨工作的，但也可以互相合作。通過這樣的方式，在其中任何一個單元發(fā)生故障后，其他儲備單元都可以保障工作的正常進行，進而確保系統(tǒng)的安全運行。

（五）容錯技術(shù)

該技術(shù)主要是指系統(tǒng)運行過程中對產(chǎn)生故障的容忍能力，主要包括兩個方面的內(nèi)容。其一，檢測系統(tǒng)故障。在船舶電氣化系統(tǒng)運行的過程中，一旦出現(xiàn)故障，通過使用容錯技術(shù)，可以快速了解故障的性質(zhì)，并能夠及時找到出現(xiàn)故障的位置，采取相應(yīng)的處理措施，避免其影響系統(tǒng)的正常運行[7]。其二為控制系統(tǒng)故障。在對系統(tǒng)故障進行檢測后，容錯技術(shù)可以根據(jù)故障的實際情況，采取有效的處理措施，在短時間內(nèi)處理故障，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。在船舶電氣自動化系統(tǒng)中，一般都是先對故障進行檢測，準(zhǔn)確判斷其性質(zhì)和位置，然后將故障信息傳遞到?jīng)Q策單元，有效對故障進行處理。在這一過程中，應(yīng)根據(jù)故障類型，采取有效的處理措施。對于第一類故障，需要減少機組運行的負(fù)荷量，所以要開啟備用機組。對于第二類故障，在開啟備用機組后，找出出現(xiàn)故障的機組，然后將其延時關(guān)閉。對于第三類故障，直接關(guān)閉故障機組，使用備用機組。對于后兩類故障，都應(yīng)第一時間停止機組運行，處理完成故障后，才能恢復(fù)運行。否則就會導(dǎo)致故障影響范圍進一步擴大，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)運行的安全性。

五、結(jié)束語

綜上所述，船舶電氣自動化系統(tǒng)的可靠性具有重要作用，直接影響著船舶運行的安全性和穩(wěn)定性，其保障技術(shù)具有較強的復(fù)雜性和綜合性，需要根據(jù)實際情況，采取電磁干擾技術(shù)，電力推進技術(shù)，監(jiān)測與自動報警技術(shù)，儲備冗余處理技術(shù)以及容錯技術(shù)等技術(shù)措施，確保船舶能夠安全穩(wěn)定運行。同時，在應(yīng)用這些技術(shù)之前，應(yīng)加強檢測工作的開展，找出存在的不足，及時進行優(yōu)化改進，以免影響船舶電氣自動化系統(tǒng)的正常運行。現(xiàn)階段，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究人員都積極對其保障技術(shù)進行研究分析，相信在不久的未來能夠產(chǎn)生更多有效地保障技術(shù)。

作者單位：黃金華? ? 上海振華重工（集團）股份有限公司

參? 考? 文? 獻

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