劉 軍，謝立果

(南通明德重工有限公司，江蘇 南通 226361)

25000DWT化學(xué)品船自動(dòng)化系統(tǒng)集成

劉 軍，謝立果

(南通明德重工有限公司，江蘇 南通 226361)

以25 000 DWT化學(xué)品船為研究對象，通過智能化、集成化設(shè)計(jì)優(yōu)化船舶自動(dòng)化系統(tǒng)集成，充分利用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化中央控制系統(tǒng)的功能，以達(dá)到簡化系統(tǒng)硬件，降低成本，易操作，通用性強(qiáng)且便于維護(hù)的目的。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)船應(yīng)用后，效果良好。

液體化學(xué)品船；自動(dòng)控制；系統(tǒng)集成

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展及對船舶自動(dòng)化的要求不斷提高，當(dāng)前船舶自動(dòng)化系統(tǒng)一直在向信息化、集成化、智能化發(fā)展，目前許多新建船舶對船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的功能要求已不僅僅滿足于局部的、單一的、獨(dú)立的監(jiān)測和報(bào)警功能，而是要求具有大范圍、多層次、集中式的監(jiān)控和管理及遠(yuǎn)程維護(hù)功能。常見的幾個(gè)船舶監(jiān)控系統(tǒng)，如船舶電站管理系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、機(jī)艙泵組和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及船岸通訊系統(tǒng)等與監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的集成是船舶機(jī)艙自動(dòng)化發(fā)展的趨勢，也是在設(shè)計(jì)過程中需要優(yōu)化的方向。

1 普通自動(dòng)化方案現(xiàn)狀分析

目前主流的自動(dòng)化廠家的中央控制系統(tǒng)都是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，其提供的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備均具有強(qiáng)大的信息集成、功能擴(kuò)展、軟件升級功能。而大部分造船項(xiàng)目中對機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路還停留在采用獨(dú)立系統(tǒng)或小部分集成的設(shè)計(jì)，自動(dòng)化系統(tǒng)幾乎只用于機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測，其他各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)還需要配置各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)。因此，自動(dòng)化廠家鑒于個(gè)別項(xiàng)目因?yàn)榇瑥S要求的自動(dòng)化系統(tǒng)功能太簡單，不能充分利用其自動(dòng)化設(shè)備功能而拒絕報(bào)價(jià)。單獨(dú)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有以下不足之處：

(1)獨(dú)立的電站管理系統(tǒng)：無法在除了集控室之外的處所監(jiān)測和控制，不方便實(shí)時(shí)監(jiān)測船舶電站的各項(xiàng)性能參數(shù)。在日常操作過程中，船員需要從機(jī)艙及配電板2個(gè)不同地方觀測相關(guān)數(shù)據(jù)，操作不方便，尤其是出現(xiàn)報(bào)警、需要緊急操作的情況，不能及時(shí)得到2個(gè)相關(guān)系統(tǒng)的參數(shù)及報(bào)警狀態(tài)，會嚴(yán)重影響緊急操作的效率及合理性，且通常只能在機(jī)艙集中控制室進(jìn)行控制，無法在貨油控制室及駕駛室這2個(gè)重要的控制站進(jìn)行監(jiān)測。

(2)獨(dú)立的機(jī)艙泵組和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)：獨(dú)立的泵組及風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需要用到很多繼電器等電器元件以實(shí)現(xiàn)控制電路的啟停及聯(lián)鎖功能，大量的控制元件的使用也增大了維護(hù)檢修工作難度。獨(dú)立的泵組及風(fēng)機(jī)控制通常也只能在機(jī)艙范圍內(nèi)操作，無法從機(jī)艙外部控制站進(jìn)行控制，且因?yàn)楦鞅媒M及風(fēng)機(jī)控制獨(dú)立分布在各處，船員也無法方便及時(shí)知道各泵組或風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，需要頻繁的巡查。

(3)獨(dú)立的液位遙測系統(tǒng)：通過安裝在貨油控制室的1臺電腦實(shí)時(shí)監(jiān)測液貨艙的液位、溫度、壓力。通常這套系統(tǒng)只能在貨油控制室內(nèi)操作，如果需要在駕駛室或集中控制室進(jìn)行監(jiān)測，必須在每個(gè)工作站增加1臺電腦，這將增加船舶系統(tǒng)成本，也無法與相關(guān)的閥門遙控、泵組控制等功能界面相互切換、操作。

(4)獨(dú)立的閥門遙控系統(tǒng)：通過安裝在貨油控制室的1臺電腦或mmic板控制船舶壓載、液貨裝卸及加熱等。通常此系統(tǒng)只能在貨油控制室進(jìn)行監(jiān)測、控制，如果需要在其他控制站進(jìn)行監(jiān)測、控制，需要多訂購工作站與之聯(lián)網(wǎng)，這將增加系統(tǒng)成本，也無法與相關(guān)的泵組控制、液位遙測等功能界面相互切換、操作。

2 解決思路

將各系統(tǒng)信號采集、數(shù)據(jù)處理、控制功能集成到自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，由自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、中央處理單元完成，便于船舶集中監(jiān)控和管理，也便于軟件升級及功能擴(kuò)展。系統(tǒng)以CAN總線或以太網(wǎng)通訊為基礎(chǔ)，雙冗余設(shè)計(jì)，既確保系統(tǒng)的簡潔、數(shù)據(jù)傳輸高效，也確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。為了進(jìn)一步提高各系統(tǒng)可靠性，各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對獨(dú)立，具備就地操作功能，也就是如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也可以確保各系統(tǒng)正常操作。

在前期的船舶技術(shù)規(guī)格書談判及方案設(shè)計(jì)時(shí)，向船東推薦使用多系統(tǒng)集成的自動(dòng)化系統(tǒng)。這樣既便于船舶在以后的使用過程中方便船員操作及維護(hù)，又利于船廠節(jié)約成本，而且集成的自動(dòng)化系統(tǒng)，接口銜接容易，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，同一風(fēng)格的人機(jī)界面也方便船員適應(yīng)和操作。

3 實(shí)船自動(dòng)化系統(tǒng)集成

25 000 DWT化學(xué)品船自動(dòng)化系統(tǒng)集成包含監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、值班報(bào)警系統(tǒng)、延伸報(bào)警系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、機(jī)艙泵組和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)。為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在系統(tǒng)的訂貨、設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)關(guān)注、解決了以下問題：

3.1設(shè)備訂貨配置方案

(1)配電設(shè)備訂貨：技術(shù)協(xié)議要求提供開關(guān)及啟動(dòng)器、相應(yīng)的通訊接口，功率管理(PMS)，機(jī)艙泵及風(fēng)機(jī)控制模塊及控制。監(jiān)測功能由自動(dòng)化系統(tǒng)提供。

(2)液位遙測訂貨：技術(shù)協(xié)議要求廠家提供液位遙測(TLG)探頭及相關(guān)輔助配套安裝件，信號采集、處理、計(jì)算由自動(dòng)化系統(tǒng)提供。

(3)閥門遙控訂貨：技術(shù)協(xié)議要求廠家提供閥門遙控(VRC)動(dòng)力單元、遙控閥、電磁閥箱，信號采集、處理由自動(dòng)化系統(tǒng)提供。

(4)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)：技術(shù)協(xié)議要求監(jiān)測報(bào)警(AMS)廠家提供4臺工作站、4個(gè)信號采集站、功率管理系統(tǒng)、值班報(bào)警、延伸報(bào)警系統(tǒng)及與上述系統(tǒng)的通訊接口。

3.2設(shè)計(jì)過程中通訊接口的協(xié)調(diào)

在船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，需要與各設(shè)備廠家溝通，并在廠家圖認(rèn)可中明確各分系統(tǒng)通訊接口形式、通訊協(xié)議內(nèi)容，避免系統(tǒng)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)接口不正確，使各系統(tǒng)不能正常通訊，影響系統(tǒng)的完整性。

3.3系統(tǒng)功能

圖1為25 000 DWT化學(xué)品船自動(dòng)化系統(tǒng)集成的參考拓?fù)鋱D。

如圖1所示，該系統(tǒng)包括：位于集控室、駕駛室、貨油控制室的4臺工作站，分布各區(qū)域的4個(gè)信號采集站，功率管理模塊、網(wǎng)絡(luò)集線器、延伸報(bào)警板、值班報(bào)警板打印機(jī)等硬件組成，通過以太網(wǎng)、CAN總線雙冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)簡潔、可靠性高、傳輸速度快。主機(jī)、輔機(jī)等重要設(shè)備傳感器、液位遙測液位傳感器、電站功率管理系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)的反饋及驅(qū)動(dòng)信號通過信號采集箱連接到自動(dòng)化控制系統(tǒng)。集控室工作站1、工作站2是2個(gè)互為備用的主控制站，駕駛室、貨油控制室為分工作站?？紤]到各工作站操作人員工作職能，通過系統(tǒng)軟件設(shè)置各工作站權(quán)限，實(shí)現(xiàn)操作功能與人員職責(zé)匹配。各工作站主要功能為：集控室工作站監(jiān)測所有系統(tǒng)、控制機(jī)艙區(qū)域設(shè)備，貨油控制室工作站監(jiān)測、控制液位遙測系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)，駕駛室工作站監(jiān)測功率管理、閥門遙控系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、主機(jī)、發(fā)電機(jī)等重要設(shè)備。這種設(shè)置既保證系統(tǒng)兼容性、完整性，也確保各工作站操作界面的簡潔明了。

4 2種系統(tǒng)方案成本對比

4.1獨(dú)立系統(tǒng)方案(2011年參考價(jià)格)

機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)約515 000美元，閥門遙控系統(tǒng)約245 000美元，液位遙測系統(tǒng)約86 000美元，電站管理系統(tǒng)約16 000美元。

4.2系統(tǒng)集成方案(2011年參考價(jià)格)

自動(dòng)化系統(tǒng)(集成機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、電站管理、閥門遙控控制部分、液位遙測控制部分)約521 000美元，閥門遙控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)終端約221 000美元，液位遙測系統(tǒng)傳感器約70 800美元。

對比發(fā)現(xiàn)，單船設(shè)備節(jié)約成本約49 200美元。

5 系統(tǒng)集成優(yōu)點(diǎn)分析

集成方案與獨(dú)立方案相比，除了設(shè)備訂購價(jià)格較少外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)省掉液位遙測、閥門遙控等系統(tǒng)的顯示器及控制系統(tǒng)，節(jié)省電纜、空間和電源設(shè)備，減小控制臺尺寸，減少設(shè)備保管、施工工作量。

(2)減少系統(tǒng)硬件數(shù)量，可使船舶運(yùn)行過程中的在線維護(hù)、維修等更簡單方便，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用；元器件通用性強(qiáng)，方便了備件管理及采購。

(3)系統(tǒng)集成的人機(jī)界面風(fēng)格統(tǒng)一，降低船員學(xué)習(xí)難度；各界面切換方便、簡潔，方便船員操作。

6 結(jié)語

4條25 000 DWT化學(xué)品船在2011～2012年完工交付，經(jīng)售后服務(wù)部跟蹤反饋，該系統(tǒng)一直工作穩(wěn)定可靠，沒有出現(xiàn)售后問題。另外，由于系統(tǒng)人機(jī)界面友好、簡潔、操作方便、維護(hù)簡單，得到了船東的一致好評。

自動(dòng)化系統(tǒng)集成方案不僅能提高自動(dòng)化系統(tǒng)利用率和船舶性能，而且可以降低船廠采購、施工成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，也便于船舶運(yùn)營過程中的設(shè)備維護(hù)管理及操作，更有利于后期系統(tǒng)升級、功能擴(kuò)展，方便船東遠(yuǎn)程機(jī)務(wù)管理。

圖1 25 000 DWT化學(xué)品船自動(dòng)化系統(tǒng)集成參考拓?fù)鋱D

[1]中國船舶工業(yè)總公司. 船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(電氣分冊)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，2004.

[2]胡壽松. 自動(dòng)控制原理[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1994.

2014-04-25

劉軍(1974-)，男，工程師，從事船舶生產(chǎn)及設(shè)計(jì)；謝立果(1984-)，男，工程師，從事船舶電氣生產(chǎn)及設(shè)計(jì)。

U674.13+3.2

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